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芯片提取基础知识Verison：1.0北京芯愿景软件技术有限公司北京芯愿景软件技术有限公司BEIJING CELLIX SOFTWARE CO.,LTD.概述n第一章：芯片基础知识n第二章：基本模拟单元n第三章：基本数字单元22002-2010第一章芯片基础知识32002-2010各种封装形式的芯片n市面上所见的芯片都是封装后的芯片，下面为一些常见的封装形式的芯片：42002-2010裸片n芯片去掉封装后，里面是非常小的一块硅片，芯片的功能就是通过这块硅片来实现，我们称这块硅片为裸片。n通常，我们说芯片，实际上就是指裸片。n下面为一颗MP3芯片去封装的过程：一颗完整的芯片周围的白点为芯片管脚开盖看到电路了周围的金属丝是用来连接裸片和芯片的引脚52002-2010X光照片n为了看到封装上的引脚和裸片的连接关系，除了进行开盖，还可以使用X射线进行拍照，下面是几张X-ray照片。连里面的电路都依稀可见大黑点是封装上的引脚小黑点是芯片上的引脚62002-2010芯片结构（1）n芯片内部的METAL1层照片PAD（压焊点）内部电路72002-2010芯片结构（2）n从图中可以看出，PAD分布在芯片的外围，中间是电路，内部电路是分模块的。82002-2010芯片的照片n可见光的照片是彩色的，SEM的照片是黑白的。n注意下图的两张照片，拍摄的是同一个区域：VS.92002-2010芯片的层n芯片实际上是立体结构，分为多层，每一层都和上下层相连。n不同的芯片，层数不一样。POLYM3M2M1102002-2010第二章基本模拟器件112002-2010数字和模拟元件n芯片上的元件类型很多，我们通常将其分成两大类，数字单元和模拟器件。n数字单元比较密集，规整n模拟单元比较稀疏，形状各异数字单元模拟器件122002-2010模拟器件符号图n常见的模拟器件nRESnCAPnPMOSnNMOSnDIODEnBJT132002-2010常见模拟器件n1 电阻n1.1POLY电阻n1.2注入电阻n1.3阱电阻n1.4FUSEn2 电容n2.1MOSCAPn2.2POLYCAPn2.3FCAPn2.4METALCAPn3 MOS管n3.1三端MOS管n3.2四端MOS管n4 二极管n5 三极管nVPNP三极管142002-20101.1 POLY电阻n利用多晶制作电阻：n是一条细长的多晶条，很好分辨；n两个端口PLUS，MINUS顺序可以颠倒；n两个端口之间的距离为长度，多晶条宽度为宽度；n在双多晶工艺中，由于POLY2电阻率远高于POLY1，一般使用POLY2制作电阻，所以提图时一般只标注RPOLY即可。n在单多晶工艺中，POLY电阻和管子栅的制作也是不一样的，经常会有颜色的区分。152002-2010POLY电阻识别（1）n各个特点的图例见下页。n在染色前会将多晶去掉，所以，RPOLY在染色层是没有痕迹的。n在有些芯片中，POLY电阻的颜色和管子栅端的颜色不一样。n多晶电阻的电阻值比较精确，可以用来计算电流电压值，所以，阵列型的电阻通常是多晶电阻。n观察电阻两头的孔，可以用来识别RPOLY。162002-2010POLY电阻识别（2）多晶层染色层染色无痕栅多晶多晶电阻多晶电阻阵列172002-2010*电镜下的RPOLY中间的电阻是没有痕迹的，这是给阱电位的注入182002-20101.2 注入电阻n对衬底或者阱进行一细长条形的高掺杂注入P衬底N阱RPPLUSRNPLUS192002-2010注入电阻识别n和多晶电阻不同，注入电阻在多晶层和染色层都会留有痕迹。多晶层染色层202002-2010注入电阻原理n注入电阻实际上利用了PN结的反偏。注入电阻和其周围的材料的接触面实际上是一个PN结，只要该PN结反偏，电阻就能正常工作。n所以，N阱里面的注入电阻为RPPLUS，P衬底上的注入电阻为RNPLUS。212002-20101.3 阱电阻nRNWELL，在P衬底上用一条细长的N阱作电阻P衬底RNWELLN阱222002-2010阱电阻识别n和多晶电阻相反，阱电阻在多晶层看不到，但在染色层有痕迹。n阱电阻有时会显得有点肥胖，这是因为生产的时候，阱电阻向两边扩散造成的。nP阱工艺是RPWELL，N阱工艺是RNWELL多晶层染色层232002-2010 电阻尺寸量取（1）n电阻的尺寸参数包括w和l，w为电阻体的宽度，l为接触孔之间的距离：紧贴接触孔内侧紧贴拐角内侧242002-2010*电阻尺寸量取（2）n多晶电阻实际上和栅极多晶硅材料不同，电阻的长度量法也不同。n左图的电阻上，可以看到明显的分界n右图为Layout，蓝色所示为阻挡层，正是该层导致了多晶材料的不同紧贴分界处252002-20101.4 FUSEn严格来说，FUSE（熔丝）也是一种电阻，该电阻有两种值，0或无穷。n在芯片生产的时候，所有的熔丝都是接通的，生产完后，芯片在调试的时候，对熔丝进行编程，烧断一些，从而改变芯片的内部电路。n符号图：PLUSMINUS262002-2010POLYFUSEn使用多晶作为熔丝，两头粗，中间狭窄，呈沙漏状，如果需要熔断，在熔丝上加一个很高的电流，中间部分由于过热而气化，从而断开。如果不熔断，熔丝相当于一段导线。熔断熔断272002-2010METALFUSEn使用金属作为熔丝，在芯片测试器件，如果需要熔断，使用激光将其切断。n这种熔丝通常不明显，因为其本身就是金属线，通常可以通过烧焦的痕迹来找到。熔丝熔断282002-2010*熔丝窗口n因为熔丝熔断时，会气化产生大量气体，所以熔丝上必须开口，让气体逸出，POLYFUSE和METALFUSE都需要开窗。n窗口通常是不可见的，因为在拍上层金属时，钝化层就被去掉了，窗口自然就消失了。METALFUSE窗口POLYFUSE窗口292002-20102 电容n符号图：PLUSMINUSn常见电容种类：nMOSCAPnPOLYCAPnDPMOSCAPnFCAPnMETALCAP302002-2010电容的形成机制n构成一个电容的条件：n两块电极板，中间填充绝缘介质n在CMOS工艺中，一切可以导电的材料都可以作为电极，SiO2作介质n决定电容大小的一个重要参数为两块极板的重叠面积；n需要测量的参数为重叠面积的长和宽。312002-20102.1 POLYCAPnPOLYCAP：n使用POLY1和POLY2作为两极，PLUS和MINUS可以互反；n虽然PLUS和MINUS可以互反，但提取时应该保证全芯片的一致性。示意图：POLY1POLY2322002-2010电镜下的POLYCAPn光从多晶无法识别，但是可以根据染色来分辨，染色层没有任何痕迹。332002-20102.2 MOSCAPn由于工艺原因，用MOS管做电容非常常见；n把MOS管的源，漏，衬底连在一起构成一极，栅作为一极，可构成一个MOSCAP。示意图：342002-2010MOSCAP的识别n有一种MOSCAP就是一个管子，非常好辨认，提取时可以框成管子，也可以框成电容，但框成电容时要注意极性不能颠倒。nN管MOSCAP，PLUS在栅，MINUS在源漏。nP管MOSCAP，MINUS在栅，PLUS在源漏。n还有一种MOSCAP，不是一个管子，它的所有的DIFF是连在一起的，这种MOSCAP实质上是管子的变形。多晶层染色层352002-2010增大MOSCAP的电容nMOSCAP是所有电容中单位容值最大的一种，但是精度很差，很多芯片中，使用MOSCAP后还希望能增加MOSCAP的电容，这时可以考虑采用电容折叠技术。n双多晶工艺正好可以做出这种电容362002-2010双层POLY的MOSCAPn在双多晶芯片中，可以使用MOSCAP和POLYCAP的结合来增大单位面积的电容值，通常称为DPMOSCAP。n最下极板（DIFF）和最上极板（POLY2）是通过金属（M1）连在一起的n通过染色的痕迹可以找出DIFF，从极板的重叠方式可以区分两层POLYPOLY2POLY1DIFF多晶层染色层372002-2010电镜下的DPMOSCAPn主要通过金属的连接来判断MOSCAP的两极：多晶层M1层连在一起382002-2010*MOSCAP（1）n由上图可见，MOSCAP实际上是POLY作为一极，沟道，DIFF，衬底作为另一极，类似，NMOS也可以同样构成电容。P+P+N+GDSB392002-2010*MOSCAP（2）n由上页可知，要能形成沟道，MOS管必须一直导通；nMOSCAP可以制作很大的电容，但线性度很差，电容随|VGS|的变大而大。nMOS管沟道是有电阻的，所以为了减小大MOSCAP的沟道电阻，将一个大的MOS管用很多小的并联管代替：402002-2010金属电容n随着工艺间距越来越小，金属间的间距也越来越小，原来不被看好的金属电容渐渐的被重视起来，很多芯片都使用了金属电容。n金属电容分为两种。n垂直板金属电容，常称为FCAP（插指电容）n水平板金属电容，常称为METALCAPFCAPMETALCAP412002-20102.3 FCAPn下图为两根金属走线，可以看到金属的高度实际比宽度要大，如果两根金属离得足够近的话，这个电容的容值是相当可观的。n所以，只有在0.35极其以下的工艺中，才能看到这种电容，0.18的芯片中，这种电容是比较常见的。422002-2010FCAP的极板间距n下图示出了随着工艺的发展，金属间距的变化：0.5u0.35u0.18u432002-20102.4 METALCAP结构nMETALCAP是利用上层金属，比如M3的上面再增加一层材料，插入一块板，形成电容，这层材料既不是M3，也不是M4。n这层材料和M4打孔连在一起，所以电容的两极分别由M3，M4引出：上极板下极板442002-2010METALCAP照片n注意图中白点即为孔：M3插入的电容板M3照片M4照片两极452002-2010电镜下的METALCAPn从下图可以看出，M4只是连接该电容的导线，并不是电容的一部分。n图中白点即为孔：插入的电容板M3照片M4照片462002-2010METALCAP的特点nMETALCAP有两大好处：n下方还可以做器件，充分利用芯片面积n离地比较远，寄生电容小，精度高n因为METALCAP并不是放在底座上，所以在框模拟器件时，如果有METALCAP，一定要在上层多次检查，防止遗漏。nMETALCAP插入材料的电阻值较大，上面的接触孔很多，但是比较稀疏，很均匀。472002-20103 MOS管P+P+N+GDSBPMOS管结构图发亮的为NWELLNMOS管PMOS管下图为反向器的芯片图像，左边为POLY层图像，右边为染色层图像482002-20103.1 三端MOS管nPMOS符号图：n在模拟的世界里，MOS管不能等效为一个开关看待，它的版图，作用较数字应用里都有很大的不同；n提取三端MOS管时，需要明确指出它的S，D，G端口和衬底电位，尤其是源端和漏端不能点反，这点和数字单元里面的MOS管不同；nMOS管的参数为w，l，m（倍数）。nNMOS符号图：GSDGDS492002-2010三端MOS管的衬底电位n在模拟应用里面，MOS管的衬底电位至关重要；n常用的几种赋值方式：nbnSnbnVDD！（对于P管）nbnGND！（对于N管）n实际项目中以具体的信号来对bn赋值，如果衬底属性不能用某个信号表示，则需要提成四端MOS管。502002-2010衬底电位的判断n在普通的模拟电路中，P管的衬底电位主要就是两种，VDD或者S，只有在高压电路中，比如EEPROM周边电路中，才会大量出现衬底为其他电位的情况。n只有一个衬底信号，那么所有N管衬底相同，如果衬底有多个信号，取最近的信号作为管子衬底。512002-20103.2 四端MOS管nPMOS4符号图：n四端MOS管比三端MOS管多一个端口，B端口，由衬底引出；nbn属性不用配置，其余属性和三端MOS管相同。NMOS4符号图：GSDBGSDB522002-2010四端MOS管框取n提N/PMOS4时，由于Analyzer没有提供直接框取MOS4的功能，所以先框成三端MOS管，然后手动点一个B端口，同时去掉bn属性，将类型名称改为N/PMOS4。532002-2010MOS管框取步骤n单管是模拟项目中出现次数最多的器件，而且框取步骤较多，容易错，下面提供一种参考流程。n首先要绘制电源地线，配置模拟器件，注意不要多配置。n第一步，识别P还是N管，同时识别衬底电位n第二步，点击模板框取，填好bn参数和m参数n第三部，识别源漏，然后将三个端口调整到合适位置n第四部，模拟器件全部框完后，统一量参数n在框同一个管子时，一次性做完前3个步骤。542002-2010判断MOS管源漏n模拟器件框取最困难，最具技巧性的就是判断管子的源漏了。对P管来说，源端电位高于漏端电位，对N管来说，源端电位低于漏端电位。根据这个原则，可以归纳出几条：nP管连电源的一端为S，N管连电源的一端为DnN管连地的一端为S，P管连地的一端为DnP管连衬底的一端通常为Sn如果某管子源漏其中一端和栅短接，这头通常是漏，但做二极管的MOS管例外，不过这种管子通常出现在PAD区，漏端很宽（请参看P46）nP管和N管通常是DD相连，P管和P管是DS相连，N管和N管是DS相连552002-2010*MOS管做保护电路n把MOS管的栅和源端连接起来，可以形成一个箝位电路，用作过电压保护。n如果INPUT电压小于VDD，管I14的VSG=0，管子不导通，如果INPUT电源大于VDD，I14的SD将会颠倒，图中标注的D端将变成S端，VSG 0，管子导通，工作机制和I20相同。n对于I13，情形类似，请自己分析。562002-20104 CMOS工艺中的二极管n二极管符号图：P衬底MINUSPLUSN+N+P+N阱P+PLUSMINUSdiffdiffplusminus572002-2010二极管的识别n二极管的端口PLUS代表P区域，MINUS代表N区域，所以，端口不能颠倒。n二极管可以从染色颜色上来区分，通常深颜色为P。也可以从结构来区分，二极管通常是用来做保护电路，都是反偏的，通过这点可以识别端口。minusplusplusminus582002-20105 CMOS工艺中的三极管n三极管符号图：NPN型：PNP型：BCEBE C n对比NMOS管和PMOS：GDSGSDn可以认为，MOS管的G，S，D端对应三极管的B，E，C端592002-2010CMOS工艺中的三极管 NPN型：PNP型：BCEBE C n三极管为两个PN结，E和B，C和BN区域N区域P区域N区域P区域P区域602002-20105.1 VPNP三极管nVPNP（纵向）型三极管的典型结构，可以看到B极环绕了E极。而C极又环绕了E和B。P衬底N阱N阱内P注入EBC612002-2010VPNP三极管P衬底N阱P+EP+CN+BN+nVPNP（纵向）型三极管的纵剖图：P+622002-2010CMOS工艺中的三极管n很明显的三个极，形成圆环套圆环结构。n从里到外依次为E，B，CBEC632002-2010区分三极管和二极管n二极管和三极管是比较让人困惑的两类器件，因为两类器件区分度并不大，有些器件，既能框成二极管，又能框成三极管。实际提取时，只能根据器件的作用来区分。n二极管通常用来做ESD保护电路n三极管通常用来做内部基准和启动电路n有了上面的认识后，可以总结出这样的规律：n三圆两扁，三极管最里面的一极是正方形，二极管则是扁的n三极管的环是正方形，二极管则是跑道型n三极管用在芯片内部电路，二极管用在芯片PAD电路n三极管通常排成阵列形式，二极管通常排成对偶形式642002-2010第三章基本数字单元652002-2010常见数字器件n1 INVn2 NAND2n3 NORn4 NOR2n5 TRIGATEn6 MX21n7 DFC662002-2010数字单元符号图n常见的数字单元及符号图nINVnNAND2nNOR2nAND2n672002-2010反相器的实现（1）n用PMOS和NMOS可以实现所有的数字逻辑，先考虑最简单的逻辑非A端输入0(GND)，对于P管，此时有VSG=VDD，P管导通；同时N管VGS=0，N管截止，ZN=VDD，输出1。A端输入1(VDD)，对于N管，此时有VGS=VDD，N管导通，同时P管VSG=0，P管截止，ZN=GND，输出0。682002-2010反相器的实现（2）n理想反相器的输入输出波形：AZNZN=A692002-2010INV的版图实现n N注入n P注入n NWELLn DIFFn METAL1n DIFF_M1n POLY702002-2010NAND2的实现n2输入与非门的表达式：nZN=A1&A2n当A1或A2有一个为0时，ZN马上输出1，只有A1和A2都为1时，ZN才能输出0；n靠近输出端的为A1，符号图上，靠上的为A1。712002-2010NAND2的版图实现n N注入n P注入n NWELLn DIFFn METAL1n DIFF_M1n POLY722002-2010NOR的实现n2输入或非门的表达式：nZN=A1|A2n当A1或A2有一个为1时，ZN马上输出0，只有A1和A2都为0时，ZN才能输出1；n靠近输出端的为A1，符号图上，靠上的为A1。732002-2010NOR2的版图实现n N注入n P注入n NWELLn DIFFn METAL1n DIFF_M1n POLY742002-2010三态门的实现n三态门的表达式：nZ=OE?A:bzn当OE的值为1时，Z取:前的值，否则取:后的值，bz表示高阻，如果在Z输出高阻时，将Z接到一个反相器的输入端，其效果相当于反相器输入悬空；nOEN表示低有效，不带N表示高有效，OEN和OE总是互反。752002-2010TRIGATE的版图实现n N注入n P注入n NWELLn DIFFn METAL1n DIFF_M1n POLY762002-2010三态型二选一电路MX21nTRIGATE型nTRINOT型772002-2010二选一电路的符号图nMX21符号图782002-2010触发器 DFCn带清零端的的触发器，它和DFN的基本结构一样，当CDN=1时，就等效为一个DFN。n清零时，CDN=0，NAND2输出为1,Q=0。792002-2010DFC电路的符号图nDFC符号图CDN802002-2010