1、集成電路課程設計目 錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document .引言 1課題目的與意義 1設計題目與要求 1Tanner軟件的介紹 2 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2反相器設計 2S-edit 設計反相器 2反相器的瞬時分析 3反相器直流分析 4 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document L-edit 畫 PMOSO NMO布局圖 5L-edit 的使用 5使用L-Edit畫PMO而局圖 5使用L-Edit畫NMO布局圖 6使用L

2、-Edit畫基板節點元件 7L-edit 畫反相器布局并作瞬時和直流分析 7使用LVS對比反相器 8關于功耗和延遲方面的計算 9 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document .仿真注意事項 11 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 5總結 12 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 參考文獻 13.引言集成電路產業是信息產業的核心，在全球集成電路產業重心轉移的背景下， 中國集成電路產業取得了前所唯有的發展， 為信息產業向縱深發展奠定了一定的 基礎。在全球集成電路

3、競爭中，中國國產集成電路仍然處于較弱的地位， 一方面 供給無法滿足中國電子整機產品的需求，另一方面則是自主創新能力不足。同時， 也應看到中國集成電路產業發展的希望與契機，作為全球集成電路產業增長最快 的地區和全球最具發展潛力的市場，伴隨市場需求的擴張、產業規模的升級、技 術水準的提高，該看到中國集成電路產業發展的希望。作為全球第三大集成電路 市場中國占了 20%勺份額,而且產業發展速度和市場潛力在全球首屈一指。如今,由于我國集成電路產業還處于發展初期，富有經驗的中高層工程，技術人才、設 計人才及企業管理運營人才缺口很大。 我國集成電路產業對專業設計、 制造、營 銷、管理人才的需求量是25萬 3

4、0萬人，但目前國內這方面的人才數量遠遠不 夠。人才短缺，將成為制約我國集成電路產業快速發展的另一個瓶頸。然而，這 也是作為一位學生，也是我們的機會，是我們為國家的集成電路信息安全做貢獻 的機會。讓我們國家的集成電路不受外國掣肘。課題目的與意義本課程設計是集成電路分析與設計基礎的實踐課程，其主要目的是使 學生在熟悉集成電路制造技術、半導體器件原理和集成電路分析與設計基礎上， 訓練綜合運用已掌握的知識，利用集成電路設計軟件，初步熟悉和掌握集成電路 芯片系統設計-電路設計及模擬-版圖設計-版圖驗證等正向設計方法。掌握微電子技術人員所需要的基本理論和技能，日后從事集成電路設計工作打下基礎。通過此課程設

5、計使學生對集成電路設計有了初步的認識認識并熟練使用集 成電路相關軟件，熟練集成電路設計的技能及規則等方面有重要意義。設計題目與要求1設計時使用的工藝及設計規則： MOSIS:mhp-s52根據所用的工藝，選取合理的模型庫；3選用以lambda（人）為單位的設計規則；4全手工、層次化設計版圖；5達到指導書提出的設計指標要求。Tanner軟件的介紹Tanner集成電路設計軟件是由Tanner Research 公司開發的基于 WindowSF 臺的用于集成電路設計的工具軟件。該軟件功能十分強大，易學易用，包括 S-Edit , T-Spice , W-Edit, L-Edit與LVS,從電路設計、

6、分析模擬到電路布局一 應俱全。其中的L-Edit版圖編輯器在國內應用廣泛，具有很高知名度。L-Edit Pro是Tanner ED欲件公司所出品的一個IC設計和驗證的高性能軟件 系統模塊，具有高效率，交互式等特點，強大而且完善的功能包括從IC設計到輸 出，以及最后的加工服務，完全可以媲美百萬美元級的IC設計軟件。L-Edit Pro包含IC設計編輯器(Layout Editor) 、自動布線系統(Standard Cell Place & Route)、線上設計規則檢查器(DRC、組件特Tt提取器(Device Extractor )、 設計布局與電路net list的比較器(LVS)、CMO

7、Sibrary、Marco Library ,這些 模塊組成了一個完整的IC設計與驗證解決方案。L-Edit Pro豐富完善的功能為每 個IC設計者和生產商提供了快速、易用、精確的設計系統。2反相器設計S-edit 設計反相器打開 S-Edit 程序，建立新的 design (file-new-newdesign ),取名為 INV。新建一個 CELL( cell-new view )。增加必要元件庫(FILE-OPEN-Add l ibrary ) 。S-Edit 本身附有多個元件庫，分別是 Devices、LogicGates、Misc、 SPICE_Commands SPICE_Elem

8、ents 和 IO_Pads等。 增加相應元件庫之后，可以在S-Edit左側看到各庫中元件，可以通過選擇相應庫中的元件并點擊其下方 的instance來引用該元件。從元件庫引用模塊：編輯反相器會用到NMOS PMOS Vdd和GNDS個模塊，可從Devices、Misc元件庫中引用新建一個 CELLcell-new view)。也可以增加必要元件庫(FILE-OPEN-Addlibrary ) 。 S-Edit編輯方式 是以模塊為單位而不是以文件為單位，一個文件中可以包含多個模塊，而每一個模塊則表示一種基本組件或者一種電路。每次打開一個新文件時便自動打開一個模塊并命名為cell0也可以重命名模

9、塊名。方法是選擇命令，在彈出的對話框中的 輸入符合實際電路的名稱，如inv即可，之后單擊OK按鈕就可以。編輯反相器：移動各對象，正確連接相關節點。之后加入聯機：完成各端點的信號連 接(左鍵轉向，右鍵終止)。然后加入輸入輸出端口：用輸入端口按鈕和輸出端口按鈕。最后建立反相器符號（ cell-update symbol ）：可自動得到所畫器件的基本符號。最終可以根據實際情況進行編輯得到滿意的符號。結果反相器原理圖設計如圖1所示。圖1反相器原理圖反相器的瞬時分析打開以上設計中的反相器cell ,將其另存為INV_tran ,在此單元中進行以下 操作。加入工作電源：在 spice_element元件庫

10、中找到 Voltagesource 單元并引 用，作為電路工作電壓源（正端接 Vdd,負端接Gn。右鍵點擊該電壓源，可以 修改其各個屬性，如電源性質（默認為直流電源）、名稱等。加入輸入信號：同 樣在spice_element元件庫中找到Voltagesource單元并引用，作為反相器輸入 信號，（正端接輸入端口 IN,負端接Gn。將電源卜t質改為pulse ,并修改周期、 脈寬、上升下降時間、名稱等。在 Spice Commands元件庫中找到printvoltage 并引用，分別連接到in和out端。結果如圖2所示。圖2反相器瞬時分析原理圖單擊命令工具欄中的“開始”按鈕，打開 Run Sim

11、ulation對話框，如圖示 十二所示，選中Showing during單選按鈕，再單擊 Start Simulation 按鈕，則 會出現模擬狀態窗口，并自動打開 W-Edit窗口，以便觀察模擬波形如圖3圖3瞬態分析結果圖反相器直流分析打開反相器cell ,將其另存為INV_DC在此單元中進行本節操作。加入工作電源：在spice_element元件庫中找到 作電壓源（正端接Vdd,負端接Gn。 接Gnd,修改名稱為 Vin ,數值為 printvoltage 并引用，分別連接到in 結果如圖4所示。Voltagesource 單元并引用，作為電路工 加入輸入信號：正端接輸入端口 In,負端

12、1V。在SpiceCommands元件庫中找到 和out端，將Analysis下拉框改為DC圖4反相器直流分析原理圖單擊命令工具欄中的“開始”按鈕，打開 Run Simulation對話框，如圖示 十二所示，選中Showing during單選按鈕，再單擊 Start Simulation 按鈕，則 會出現模擬狀態窗口，并自動打開W-Edit窗口，以便觀察模擬波形如圖5所示。圖5直流傳輸特性波形圖由上圖可以看出隨著輸入信號的增大，反相器的工作狀態可以分為5個階段 來描述。即輸入等于輸出、輸出緩慢減?。ㄋ俾始涌欤?、輸出急劇下降、輸出再 減?。ㄋ俾首兟┖洼敵鰩缀鯙榱阄鍌€階段，與理論分析一致，分別

13、對應N管截止，P管飽和導通，N管飽和導通，P管非飽和導通，N管、P管都飽和導通，N 管非飽和導通，P管飽和導通，N管N管非飽和導通，P管截止。3 L-edit 畫 PMOS口 NMOSU局圖L-edit 的使用打開L-Edit程序，保存新文件。取代設定（File - Replace Setup）。環境 設定（Setup Design）,選取圖層。選擇繪圖形狀繪制布局圖。設計規則設定（MOSIS/mhp-s5和設計規則檢查（DRC 。檢查錯誤，修改（移動）對象。冉 次進行設計規則檢查。使用L-Edit畫PMO新局圖用到的圖層包括 N Well, Active , N Select , P Sel

14、ect , Poly, Metal1 , Active Contact。繪制N Well圖層：L-Edit編輯環境是預設在P型基板上，不 需定義P型基板范圍，要制作PMOS首先要作出N Well區域。根據設計規則中 Well區最小寬度的要求（10Lambda ,可畫出 N Well區。繪制 Active 圖層： 定義MOSff的范圍。PMOS勺Active圖層要繪制在N Well圖層之內。根據設計 規則要求，Active的最小寬度為3Lambda可在N Well中畫出Active圖層。繪 制P Select圖層：定義要布置P型雜質的范圍。繪制前進行 DRCM發現相應錯誤(4.6 Not Exi

15、sting: Not Selected Active )。繪制時注息遵守 4.2b 規貝U: Active to P-Select Edge 最少 2Lambda 同時還要注意 pdiff 層與 N Well 層要 遵守2.3a (5Lambda 。結果如圖6所示。m笈三港*遂濠密滋滋m超貨于.lsL:-著七;:;一:貨-UE:圖6 PMOS布局圖使用L-Edit畫NMO新局圖用到的圖層包括 P Well , Active , P Select , NSelect , Poly , Metal1 , Active Contact o繪制N Well圖層：L-Edit編輯環境是預設在P型基板上，

16、不需定義P 型基板范圍，要制作NMOS首先要作出P Well區域。根據設計規則中 Well區 最小寬度的要求(10Lambda ,可畫出P Well區。繪制 Active圖層：定義 MOS 管的范圍。NMO的Active圖層要繪制在P Well圖層之內。根據設計規則要求， Active的最小寬度為3Lambda可在PWell中畫出Active圖層。繪制N Select圖層：定義要布置N型雜質的范圍。繪制前進行 DRCM發現相應錯誤(4.6 NotExisting: Not Selected Active )。繪制時注意遵守4.2b 規貝U: Active toN-Select Edge 最少2

17、Lambda同時還要注意 pdiff 層與P Well層要遵守2.3a (5Lambda 。結果如圖7所示。圖7 NMO金局圖使用L-Edit畫基板節點元件編輯PMOSS板節點元件用到的圖層包括 N Well , NSelect , Active , Active contact , Metall。結果如圖8所示。編輯NMOSS板節點元件用到的圖層包括 P Well , P Select , Active , Active contact , Metal1。結果如圖 9 所示。圖8 PMOS基板節點元件布局圖圖9 NMO蠅板節點元件布局圖L-edit 畫反相器布局并作瞬時和直流分析復制、引用元

18、件。設計規則檢查并移動對象使之符合規則。引用 Basecontactp元件和Basecontactn 元件，連接柵極 Poly ,連接漏極。繪制電 源線：以Metal1圖層表示，寬39格點，高5格點。標出Vdd和GND5點。連接 電源與接觸點：將 PMO近邊接觸點與basecontactp 的接觸點用 metal1與Vdd 電源相連接，而把 NMOSE邊接觸點與basecontactn的接觸點用 metal1與GND 電源相連接。加入輸入端口。需要 metal2、Via、metal1、Poly contact、poly 幾個圖層才能將信號從 Metal2傳至poly層。加入輸出端口。在連接PM

19、OSf NMOS 漏極區的Metal1上繪制Via層與Metal2層，才能將信號從 metal1傳至metal2。 更改元件名稱，把成果轉化為 spice文件。進行T-spice仿真。結果如圖10, 圖11所示。圖10反相器布局圖圖11仿真圖使用LVS對比反相器1 打開LVS程序：執行在.TannerLEd計82 目錄下的lvs.exe 文件，或選擇 “開始”“程序” Tanner EDAL-Edit Pro v8.2LVS命令，即可打開LVS程序。2打開文件：先打開要進行對比的兩個反相器電路，inv.spc文件與inv.sp 文件，其中inv.spc文件是從第12章的L-Edit編輯的布局圖

20、inv組件(inv Cell ) 轉化出的結果，而inv.sp文件是從第三章的S-Edit編輯的電路圖inv模塊(inv Module)輸出成SPICE文件的結果。在LVS環境下，可選擇File -Open,打開 “打開”對話框，在“文件類型”下拉列表中選擇Spice Files (*.sp* )選項。在“文件名”下拉列表中選擇inv.sp文件與inv.Spc文件。3修改文件：觀察打開的inv.Spc文件與inv.sp文件，將.include 設定修改。 注意包含文件的路徑不要加上引號。4打開LVS新文件：在LVS環境下選擇File-New命令，出現“打開”對話框， 在其中的列表框中選擇LVS

21、 Setup選項，再單擊“確定”按鈕。5文件設定：在Setupl對話框中有很多項目需要設定，包括要對比的文件名 稱、對比結果的報告文件、要對比的項目等。先選擇 File選項卡來進行文件設 定，在Input Files 選項組的Layout net list文本框中輸入自L-Edit轉化出的inv.spc 文件，在 Schematic net list 123文本框中輸入自 S-Edit輸出的inv.sp 文件：在Output File 選項組中的Output files文本框中輸入對比結果的報告文件文件名，選中Node and element list復選框，并在其后的文本框中 輸入節點與組件

22、對比結果的報告文件名，之后選中Overwrite existing outputfiles 。6 選項設定：選擇 Option選項卡來進行選項設定，選中其中的 Operate in T-Spice syntax mode 單選按鈕與 Consider bulk nodes (substrate ) during iteration matching 復選框。7 高級參數設定：選擇 Advanced Parameter選項卡來做進一步的設定，在 MOSFET Elements先項組中選中 Lengths and widths 復選框。8執行設定：選擇Performance選項卡進行設定。選擇其中

23、的單選按鈕。9 顯示設定：選擇 Verbosity Level 選項卡來進行設定，選中其中的所有選項。10存儲文件：設定完成后，存儲 LVS的設定，選擇File Save命令，存儲 Exl2.vdb 。11執行對比：設定完成后開始進行inv.spc文件與inv.sp文件的對比，選 擇命令Verfication-Run命令可進行對比。12修改電路：修改反向器布局圖，使之轉化后的NMO參數為22u, PMO第數W也為22u,再進行LVS對比，可以看到電路相等的結果。3.7關于功耗和延遲方面的計算反相器的N管和P管尺寸依據充放電時間tr和tf方程來求。關鍵點是先求 出式中CL (即負載)。它的負載由

24、以下三部分電容組成：本級漏極的 PN結電 容CPN下級白柵電容Cg；連線雜散電容CS本級漏極的PN結電容CPN的計算CPN= Cj X (Wb +CjswX (2W+2b)其中 Cj是每um2的結電容，Cjsw是每um的周界電容，b為有源區寬度，可從設計規 則獲取。如若最小孔為2入X2入，孔與多晶硅柵的最小間距為2人，孔與有源區 邊界的最小間距為2,則取b = 6入。Cj和Cjsw可用相關公式計算，或從模型庫 選取，或用經驗數據。其中采用的模型庫參數如下所示：CjN =9 105F/m2CjswN =5.25 10F/m.CP =2.033 10“F/m2 CiswP =3 10,F/m j

25、.isvv.總的漏極PN結電容應是N管和P管的總和，即：Cpx = (CjmWh + CjPWp)b + CJBWjN(2W + 2b) + CvP(2Wp + b)=(b + 2CjBWN)WN + (Cb + 2Cjbw.p)Wp + 2b(C即陽 + Imp)=(9 X 1OSX 6 X 0.6X 106 + 2 X S.52sx 10 -10 ) WN + (2.033 X 10 - 4X 6 X 0.6 X 10 - 6 + 6 X 10 - 1O)WP + 2 X 6 X 06 X 10 一 氣5.525 X 10 10+3X 10 t。)=1.429 X 10 * 9Wn + 1

26、,332 X 10 *9WP + 6.138 x 10 7注意：此處 WNKW用B為國際單位柵電容Cg的計算Cg= G, n+ Cg, p= an91+ Ap ,tox.=(W+ W) L,toxox此處WNffi WF%與本級漏極相連的下一級的 N管和P管的柵極尺寸，近似取輸出級WNF口 WP勺尺寸。將輸出級N管和P管的寬長比：（W/L） N=48和（W/L） P=140代入公式進行計算,根據設計規則，入=0.6 - L=2入=1.2小，代入得:_ _ _ _二2 2 3.9 8.85 10Cg =196 2802 0.6 10-5-395 1013 = 2.37 10 F連線雜散電容CsC

27、s= A般Cpn +Cg 10Cs,可忽略Cs作用，因此可以得出:CL =CPN Cg =1.429 10WN 1.332 10“ 2.43 103又因為:tfCL toxL ； -2(Vtn -0.1Vdd)+W In _ Mid -Vtn f1 ln19Vdd - 20VmVddtrCl t”；ox .p) ；2Vtp-0.1Vdd(Vdd 一 Vtp )1Vdd -ln19Vdd -20 Vtp T 1Vdd令tr =tf ,并把Cl的值代入公式，根據tr=tf 2nS的條件，計算出Wn和Wp的值。(上)* W，、w2(% O.IVQ. 1In (VddXiv.pl-O.ivdd)( N

28、 依 IrIn (10219 X 2 X 0.310569S-20 X 0.810S6(5-0.81056廠 S-0B10S6605.312 X -2 ”4沙汽 十 (5-09714285-0.971428. 95-20 X 0.971428,In ()處 0.343即，錯誤！未找到引用源。使錯誤！未找到引用源。=2nS,即(1.429 X 109Wn + 1,332 X 109X3WN + 2,43 X 10-13) X 395 X 10-103.9 X 8.85 X 10 72 X 605312 X 10 4WNx 1.2 x 10 6 x 0,694=2 x 10因此，W（一）=1.67 N 2L Njnin TOC o 1-5 h z （）=3（7）=6LL N.min所以，內部反相器的尺寸為：w、（一）2L M內部史啊叁, W、（一）=6L pK不反節器4.仿真注意事項在仿真之前首先確保反相器畫得沒問題。注意事項一：設定提取規則，extract setupGeneral 選項中lights.ext 的位1要設定提取時的設定文件，找到布局反相器的設定文件, 置。2指定所提取文件的路徑。這項隨意。11Output 選項中關鍵是要設定 SPICE include s