集成電路-17雙極型版圖設(shè)計(jì)

第四章雙極型數(shù)字電路的版圖設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)完后要進(jìn)行核算，檢驗(yàn)初步設(shè)計(jì)的元件是否滿足電路指標(biāo)的要求。對(duì)雙極型晶體管主要是核算：BVCBO、BVCEO、ICM、β、FT、rCS、rbb等。1、設(shè)計(jì)電路中各元件的初步圖形和尺寸4-1從晶體管級(jí)到版圖級(jí)的步驟2、劃分隔離區(qū)(確定隔離島的數(shù)目)

隔離要占去30％～40％的芯片面積，隔離島越多，浪費(fèi)的芯片面積就越大，所以要盡量減少隔離島的數(shù)目。凡集電極電位相同的縱向NPN管都可放在一個(gè)N型島內(nèi)。集電極電壓不同的則必須放在不同的隔離區(qū)。基極電位相同的橫向PNP管可放在一起。二極管的處理與NPN管相同。對(duì)于基區(qū)擴(kuò)散電阻，由于放電阻的N區(qū)接最高電位，故多個(gè)電阻可放在一起。另外，電阻兩端電位低于NPN管集電極電位的，也可與NPN管放在一起。為提高成品率，壓焊點(diǎn)各占一個(gè)隔離區(qū)。3、排版與布線：主要是確定芯片上元件的相互位置及引線孔的位置，使元件間實(shí)現(xiàn)無(wú)交叉互連。隨著集成度的提高，互連線越來(lái)越復(fù)雜，往往需要多次反復(fù)才能完成。一般可利用電阻的擴(kuò)散區(qū)、晶體管的接觸孔、雙基或雙集晶體管解決交叉。實(shí)在無(wú)法避免交叉時(shí)，可利用“磷橋”過(guò)渡。但這會(huì)增加隔離島。因此排版布線應(yīng)盡量使交叉減到最少。4、由上述步驟可直接得到掩膜總圖，然后分解出各次光刻的掩膜板，進(jìn)行投片。

注意：對(duì)于電阻、電容、二極管這些無(wú)源元件，都是在制作晶體管的過(guò)程中一起作出的，因此它們的圖形都包含在制作晶體管的各次光刻版中。例如：①硼擴(kuò)散版圖包含了各個(gè)NPN管的基區(qū)，還包含了硼擴(kuò)電阻的圖形②磷擴(kuò)散版圖包含了各個(gè)NPN管的發(fā)射區(qū)、歐姆接觸的n＋區(qū)、磷橋、溝道電阻的n＋區(qū)等圖形最小間距由于一般設(shè)計(jì)規(guī)則由廠家提供，大家重點(diǎn)要了解每個(gè)間距的含義。在這里我們只簡(jiǎn)單推導(dǎo)三個(gè)參數(shù)作為例子。1、DB-B孔2、DB-I3、DC-IDC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si無(wú)耗盡層P1、DB-B孔：是基極接觸孔和基區(qū)擴(kuò)散孔之間的最小間距。它決定了基極接觸孔在基區(qū)的位置。對(duì)它的要求是保證在工作中基極金屬不與集電結(jié)接觸。由于是在已有了發(fā)射區(qū)、基區(qū)后才刻引線孔，因此是兩個(gè)圖形中間的套刻。故掩膜對(duì)準(zhǔn)容差取△XMAT2＝5.5μm，比一次對(duì)準(zhǔn)，如發(fā)射極引線孔中的△XMAT1要大1μm。

DB-B孔＝△XMAT2＋Gmin＋Wdc－B－0.8Xjc討論DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si無(wú)耗盡層P2、DB-I：基區(qū)擴(kuò)散孔與隔離擴(kuò)散孔的間距，對(duì)它的要求是在工作中基區(qū)不與隔離區(qū)穿通

DB-I＝△XMAT＋Gmin＋0.8XjI＋0.8XjC＋WdI-epi＋Wdc-epiXjI為隔離結(jié)結(jié)深。為了使隔離結(jié)兩側(cè)的耗盡層不短接，隔離擴(kuò)散的深度應(yīng)超過(guò)實(shí)際外延層厚度的25％。（外延層厚度有增有減）。一般可用最大外延層厚度再加25％來(lái)估計(jì)。外延層6.5±0.5，那么XjI＝7×125％＝8.75討論DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si無(wú)耗盡層P3、DC-I：集電極n＋引線孔到隔離槽的最小間距。要求集電極金屬不與隔離區(qū)穿通

DC-I＝△XMAT2＋Gmin＋0.8Xje＋0.8XjI＋WdI-epi

＝5.5+1+0.8×1.5+0.8×8.75+0.9

＝15.6

取DC-I＝16μ討論DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si無(wú)耗盡層P討論：①圖形最小間距是為了保證元件在規(guī)定的使用條件下安全可靠地工作而設(shè)定的。為了保證成品率而稍加放大②橫向擴(kuò)散取0.8Xj是對(duì)<111>襯底而言的。它有時(shí)對(duì)減小間距有利，可減去0.8Xj；而有時(shí)又不利，則應(yīng)加上0.8Xj③Wd表示勢(shì)壘在加反向偏壓時(shí)的展寬，主要向濃度低的一側(cè)展開(kāi)。盡管管子有時(shí)不是兩個(gè)結(jié)都反偏，但應(yīng)以最壞情況考慮④上面的推導(dǎo)沒(méi)有考慮Al互連線。實(shí)際制作中，要求Al條要完全覆蓋住引線孔，并且Al條之間不能小于△XMAT＋Gmin?？紤]了Al條后，上面推導(dǎo)的有些尺寸還要放大。這樣就得到最小尺寸晶體管⑤側(cè)壁采用PN結(jié)隔離非常占面積。如果側(cè)壁采用絕緣介質(zhì)隔離，底部仍用反偏PN結(jié)隔離，這可得到如圖所示的NPN管結(jié)構(gòu)。它的面積只有PN結(jié)隔離的1/4。結(jié)電容只有1/6。但要采用先進(jìn)的等平面工藝和離子注入技術(shù)DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si無(wú)耗盡層P討論DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si無(wú)耗盡層PBEEEBCCPn＋n＋nnn＋P-Si4-2IC中的元件設(shè)計(jì)在數(shù)字電路中,主要元件有晶體管、二級(jí)管和電阻、電容不常用，下面分別介紹。一、晶體管版圖設(shè)計(jì)縱向NPN管在TTL電路是主要的有源器件。一般門電路中往往包含多個(gè)NPN管，它們?cè)陔娐分衅鸬淖饔貌煌?。因此，?duì)它們的設(shè)計(jì)也不同。

1、最小面積晶體管由圖形最小尺寸和最小間距構(gòu)成的晶體管發(fā)射極接觸孔最小，一般用圖形最小尺寸。然后在它周圍考慮最小間距逐步套合。注意要考慮金屬膜的影響。(如DE-B)

62100101610588555555811101616隔離槽的寬度Mmin6點(diǎn)劃線與實(shí)線重合集電極n+接觸孔,即擴(kuò)散n+,又當(dāng)接觸孔,合二為一DC-I=16DC-B=10DE-B6DE-EDB-BDB-I=162、電流容量由于發(fā)射極電流的“電流集邊”效應(yīng)，晶體管最大工作電流：

IEmax＝αLE-eff。與發(fā)射區(qū)面積幾乎無(wú)關(guān)

LE-eff為有效發(fā)射極周長(zhǎng)。α為單位有效周長(zhǎng)的最大工作電流n+n+P+P+P+P-Sin+n-epiCBEPN結(jié)正向偏壓逐漸減小IE-eff＝L＋2Seff（有效條寬）≈L

在邏輯電路中α＝0.16-0.40mA/μm如電流較大，IE-eff↑。途徑：①L↑②雙基極(LE-eff×2)

③雙發(fā)射極(LE-eff×2)3、晶體管常用圖形⑴單基極管：適用于電流較小，fT較高的場(chǎng)合⑵雙基極管：LE-eff↑

fT↓⑶雙基極雙集電極：集電極串聯(lián)電阻rCS↓

，Vces↓

，Imax↑⑷雙射極雙集電極：rCS↓⑵⑶⑷LE-eff相同⑸多射極管：“長(zhǎng)脖子基區(qū)”作用：減小輸入漏電流I1H●VccI1HrbbR1●●●D1D2D3T1Rbb表示長(zhǎng)脖基區(qū)的體電阻，D1、D2······表示長(zhǎng)脖基區(qū)各段與集電極構(gòu)成的PN結(jié)。原理：T1未飽和時(shí)，bc結(jié)反偏，D1、D2······截止，Rbb相當(dāng)于加在R1上當(dāng)T1飽和時(shí)，bc結(jié)正偏，D1正向偏壓最大，有電流從D1流走，很少直接進(jìn)入發(fā)射極對(duì)應(yīng)的基區(qū)，使βR↓I1H＝IPN＋I(xiàn)CL＋I(xiàn)CVICV與βR有關(guān)∴I1H↓在基區(qū)中開(kāi)引線孔敷鋁條是為了讓各發(fā)射區(qū)對(duì)應(yīng)的rbb一致VccBCPN-epiN+N+Icv4、集電極串聯(lián)電阻rcs估算方法：以雙基雙集為例（除2）

R1R5R3R2R4Pn+n+n+WbR5n+R4R3R2R1WCdeledclcdce采用：de＝30μ、le＝10μ、dc＝20μ、lc＝120μ、dce＝46μ

Wc＝5.5μ、Wb＝4.5μ、ρc＝0.5?cm、R□－BL＝20?/□可得：rcs≌15.3?

如考慮工藝上的橫向擴(kuò)散、埋層反擴(kuò)散、外延層因氧化而減薄等因素，rcs還要小一些二、集成二極管二極管除單獨(dú)bc結(jié)外，通常由晶體管的不同連接方式構(gòu)成，并不增加工序nn+P+P+P+n+CB●●●●●VBC=0VCE=0VBE=0IC=0IE=0常用EECCBB三、集成電阻器

IC中的電阻大多數(shù)是利用n型或者P型半導(dǎo)體材料的體電阻獲得的。由于硼擴(kuò)散可作出50～50K?，相對(duì)誤差<20％電阻，因而用得較多。在采用溝道結(jié)構(gòu)時(shí)則可作出阻值更大、面積更小的電阻。設(shè)計(jì)的任務(wù)：根據(jù)電阻的阻值，確定電阻的條寬、條長(zhǎng)，并根據(jù)電阻在版圖中的位置決定電阻的走向。1、基區(qū)（硼）擴(kuò)散的電阻阻值的經(jīng)驗(yàn)公式：

Weff是有效條寬，即設(shè)計(jì)條寬＋橫向擴(kuò)散引起的展寬

Weff＝W＋mXjcm一般取0.5，故Weff＝W＋0.5XjcK1是端頭修正因子，一般取0.35-0.65n是拐角個(gè)數(shù)，K2是拐角修正因子（一般取0.5）LWWeffWP

應(yīng)用折迭形是因?yàn)長(zhǎng)是在W確定之后由電阻阻值決定的。當(dāng)阻值較大時(shí)，為了適應(yīng)版圖上給定的位置，電阻條往往要拐彎。這要占用較大的芯片面積。2、發(fā)射區(qū)擴(kuò)散電阻－磷橋主要用作互連，避免鋁線交叉n＋nP＋P＋3、基區(qū)溝道電阻通過(guò)反偏PN結(jié)，減小電阻的截面積，使電阻變大n－epin+P+PP+n+BLP-sin+ABVCC4-3版圖設(shè)計(jì)舉例－－中速TTL八輸入端與非門一、隔離區(qū)的劃分

T1、T2、T5、T6各一個(gè)；T3、T4集電極電位相同，共用一個(gè)；電阻合用一個(gè)；Rb、Rc可以和T6共用一個(gè)，也可以和別的電阻放在一起，共6個(gè)隔離區(qū)另外，一個(gè)壓焊點(diǎn)一個(gè)隔離島，防止壓焊點(diǎn)下氧化層針孔造成的短路P＋P＋P＋P＋n-epin-epin＋n＋（如二處有針孔會(huì)短路）一個(gè)輸入箝位二極管一個(gè)隔離島包地線：外圍大面積P+隔離擴(kuò)散①接地更好②輸入箝位二級(jí)管串聯(lián)電阻③便于布線n-epin-epin-epiP+P+P+P+P+不是做成環(huán)狀n-epin-epin-epiP+P+P+P+P+P+P+二、確定各元件圖形及尺寸

①T1：八射極NPN管采用長(zhǎng)脖子基區(qū)結(jié)構(gòu)，并設(shè)置兩個(gè)等位條，使各個(gè)VBE一致。雙集電極一方面使rCS減小，另一方面解決互連的交叉問(wèn)題②T5的設(shè)計(jì)：輸出管，電流容量要大，保證NoL合格。同時(shí)，rcs要小，以保證VoL合格。因?yàn)椋篤oL＝Vceso＋I(xiàn)c×rcs

采用雙集電極或者雙發(fā)射極結(jié)構(gòu)③T2的設(shè)計(jì)：電流不大，采用最小尺寸晶體管以提高速度④T3和T4：T3工作電流較小，采用最小面積晶體管。

T4是高電平輸出管，因?yàn)镮1H較小，對(duì)它的電流容量要求不高，一般采用雙基極結(jié)構(gòu)。Leff取T5的一半左右。⑤T6網(wǎng)絡(luò)：為了使互連簡(jiǎn)化，通常將Rb、Rc與T6做在一起，利用基區(qū)體電阻構(gòu)成Rb、RcnP+PP+n+P-sin+n+RcRb

●RbRc●T5T6T5基極書上錯(cuò)⑥輸入箝位二極管n－epiP+P+n+P-sin+三線重合埋層擴(kuò)散n+磷擴(kuò)散引線孔減小串聯(lián)電阻RD的方法①擴(kuò)大n＋擴(kuò)散孔的面積②采用包地線，并加等位鋁條③盡量靠近所保護(hù)的輸入端的壓焊點(diǎn)⑦電阻：電阻條的寬度由以下最小條寬中最大的決定設(shè)計(jì)規(guī)則中的最小電阻條寬最大工作電流要求精度要求

長(zhǎng)度可以推導(dǎo)出來(lái)三、畫出布局草圖

1、按照規(guī)定的管腳順序，排