集成电路逆向设计的各道工序介绍.doc

集成电路逆向设计的各道工序照相、制版、提图、画图、仿真，;编工艺、设计工装、做芯片；测试、老化，芯片上市。这就是集成电路逆向开发的各道工序、完整流程。照相 在显微图像自动采集平台上逐层对芯片样品进行显微图像采集。与测量三维实体或曲面的逆向设计不同，测量集成电路芯片纯属表面文章：放好芯片位置、对对焦、选好放大倍数，使芯片表面在镜头中和显示器上清晰可见后，按下拍照按钮便可完成一幅显微图像的采集。取决于电路的规模和放大倍数，一层电路可能需要在拍摄多幅图像后进行拼凑，多层电路需要在拼凑后对准，有显微图像自动拼凑软件用于进行拼凑和对准操作。 随便估算一下：该显微图像自动采集平台的放大倍数为1000倍，可将0.1um线条的放大至0.1mm的宽度。这意味着它已足以对付目前采用最先进工艺制作的0.09um集成电路芯片。提图 将在显微图像自动采集平台上获得的电路图打印在相纸上后人工提图。据了解，电路原理图分析系统已经具有多层显微图像浏览、电路单元符号设计、电路原理图自动和交互式分析提取以及电路原理图编辑等强大功能，版图分析系统则可完成多层版图轮廓自动提取、全功能版图编辑、嵌入软件代码自动识别、提取、校验以及设计规则的统计和提取。 如同翻译软件一样，最完美的英汉互译还是得靠人来完成；提图也是一样，人会从总体上把握、会更加细心；当然，还有重要的一点，就是可以节约成本，这对于目前国内的情况来说，应该是现实的选择画图 将纸上的电路原理图和版图输入电脑。制作版图 它的成品就是一块晶体版。上面有许多的孔和布线。版图的制作是根据多晶单晶和阱种类的不同，在电脑上用不同的符号、颜色进行标记画图。仿真 对输入的电路原理图进行浏览、查询、编辑、调试与仿真。分析电路原理，调节电路参数，并在一定的激励输入下观测输出波形，以验证设计的逻辑正确性。仿真主要分为四步：1）、预选仿真信号； 2）、启动交互仿真； 3）、中断仿真； 4）、点击菜单命令分析仿真结果。逆向工程如果和仿制联姻，可能会涉及知识产权保护等法律层面的问题。逆向工程的价值在于迅速设计出比原型更好的产品。对于逆向设计的基本概念，它是指从产品原型的测绘出发，进而获取产品的数字模型，并利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理，从而快速完成设计的一种工程方法。那么，集成电路的逆向设计是怎样的一个流程？其各道工序又如何进行？找一块有用的芯片，照照相、制制版、提提图、画画图、仿仿真，芯片电路就反求了出来；编编工艺、设计设计工装、将生产线开动，芯片又做了出来；再做做测试、老化老化，芯片就可以上市了。这就是集成电路逆向开发的各道工序、完整流程。 照相 在显微图像自动采集平台上逐层对芯片样品进行显微图像采集。 与测量三维实体或曲面的逆向设计不同，测量集成电路芯片纯属表面文章：放好芯片位置、对对焦、选好放大倍数，使芯片表面在镜头中和显示器上清晰可见后，按下拍照按钮便可完成一幅显微图像的采集。取决于电路的规模和放大倍数，一层电路可能需要在拍摄多幅图像后进行拼凑，多层电路需要在拼凑后对准，有显微图像自动拼凑软件用于进行拼凑和对准操作。 操作简单易学，轻松搞定一切。 显然，这时微电子工艺课程中的内容可派上用场。 随便估算一下：该显微图像自动采集平台的放大倍数为1000倍，可将0.1um线条的放大至0.1mm的宽度。这意味着它已足以对付目前采用最先进工艺制作的0.09um集成电路芯片。 提图 将在显微图像自动采集平台上获得的电路图打印在相纸上后人工提图。 这时，学过的数字电路又派上了用场。一天之内，我从提取逻辑门到提取触发器，提图速度突飞猛进，因而顺理成章地受到某工表扬。但简单劳动毕竟是简单劳动，时间一长便觉提取原理图的工作枯燥乏味，提来提去怎么都提不起精神。 据了解，电路原理图分析系统TRACE已经具有多层显微图像浏览、电路单元符号设计、电路原理图自动和交互式分析提取以及电路原理图编辑等强大功能，版图分析系统LAYOUT则可完成多层版图轮廓自动提取、全功能版图编辑、嵌入软件代码自动识别、提取、校验以及设计规则的统计和提取。 不知为何不用先进的软件系统自动提图？ 但据某工说，人往往容易过分夸大电脑的作用，其实如同翻译软件一样，最完美的英汉互译还是得靠人来完成；提图也是一样，人会从总体上把握、会更加细心；当然，还有重要的一点，就是可以节约成本，这对于目前国内的情况来说，应该是现实的选择 无论如何，我还是希望用软件系统自动提图。 画图 将纸上的电路原理图和版图输入电脑。 由于未采用软件系统自动提图，我不得不将电路原理图人工输入电脑。我找到了一个小小的窍门：当我采用单元输入法时，一个异常复杂的功能模块就被简单化了，因为我只需要做单元的组合。 当然，我有一个好的软件Cadence做帮手。这个软件功能强大，可以帮助我轻松完成工艺制作之前的所有工作，包括输入、查询、编辑、仿真、检测、报错等。联想起电路实验课上使用的PSpice软件，联想起在老师指导下曾经经历的画图仿真的过程，一种似曾相识的快感油然而生。 软件有所区别，但在阅读了帮助文档后上手很快。这显然得益于曾经使用过PSpice软件。 制作版图对我而言是一个新课题。 其实，它的成品就是一块晶体版。上面有许多的孔和布线。版图的制作是根据多晶单晶和阱种类的不同，在电脑上用不同的符号、颜色进行标记画图。我特别注意了布线的拐角和晶体管与晶体管之间的距离，以防止二级效应的发生。 这个过程最重要的要求就是细心！ 熟悉一下电脑操作和电路软件的使用，重温一下学过的数字电路原理，我悠哉游哉、自得其乐，两天时间一晃而过。 记得第一次上机前某工简单交待几句未待开机便去忙碌，两小时后回来见我在电脑上忙得不亦乐乎，操作技巧几近娴熟，看了半晌冷不丁冒出一句：“挺忙，嗯？！” 不知这是批评还是表扬！ 仿真 对输入的电路原理图进行浏览、查询、编辑、调试与仿真。 这是运用学过的电路知识，分析电路原理，调节电路参数，并在一定的激励输入下观测输出波形，以验证设计的逻辑正确性。 为此，首先了解了Verilog语言，用该语言编写功能块，然后再进一步完成仿真。而使用Cadence软件自带的Verilog语言功能，不用打开新窗口就能完成仿真的步骤。 仿真主要分为四步： 1）、预选仿真信号； 2）、启动交互仿真； 3）、中断仿真； 4）、点击菜单命令分析仿真结果。 技术含量还可以，算得上是个技术活！ 起初，进行触发器仿真总是不停地报错，按照错误提示修改后还是不断报错，报得我心烦意乱，改得我心灰意冷。 节约节约时间，还是虚心请教一下某工吧！ 在技术熟练精湛的某工指导下，我很快完成了仿真。 照相提图画图仿真，一个流程下来，别说还真有那么一点成就感！ 在实习的最后阶段我情绪高涨，整整两天我将自己锁定在电脑前目不转睛、手忙脚乱地敲敲打打，活脱脱一个电脑虫、软件迷、工作狂！ 当然，话说回来，这也是为了给实习画上一个圆满的句号。 尾声 最后，我被特许走马观花地参观制造工艺流程。穿上特制的服装，带上特制的帽子，经风浴走进车间，亲眼目睹流水生产线上一台台庞大的进口设备灵巧地运转，一块块合格的芯片从设备的合格通道流出，次品则被从次品通道剔除 够了，流水生产的细节无论如何我是不会透露的，因为我要保守应该保守的秘密！ 花絮 误车 最初一大早坐公交车上班，每到一站便见司机大叫“误车”，不禁愕然。 为解其意在班上求教于某工，方知是用无锡方言询问:“有无人下车”。 某工 附耳过来，告诉你一个做人的秘诀：在研究所里上班，不分男女老少，搞技术的、搞行政的、打杂的还是做饭的，只要面带笑容、心怀善意，大老远甜甜地姓张的喊他张工，姓汪的喊他汪工，保准你深得人缘。当官的例外，你可千万要记住他的头衔！ 击滚 遇到很厉害的朋友，不妨用无锡方言恭维一声：你击滚的！（相当于哇赛） 思考 逆向工程 逆向工程如果和仿制联姻，可能会涉及知识产权保护等法律层面的问题。 逆向工程的价值在于迅速设计出比原型更好的产品。 实习 职业特点：大学生难得实习，工程师经常实习，科学家天天实习。 集成电路由多层组成,每层用光刻工艺由光掩膜加以确定。制造集成电路时用的掩膜上的几何图形就是版图,版图是集成电路对应的物理层。本文将简单介绍对版图的认识,是根据版图提取电路的初始步骤。1.版图标识的分析提取电路的前提是要正确识别版图,知道版图所表达的芯片信息。在接触版图的初步要知道该芯片的生产工艺,例如该芯片是一层金属结构采用P 型衬底的Bi-CM O S 双阱工艺。接下来工作的任务就是要识别版图的表示层。知道每一层所代表的工艺结构。一般来讲。有些必需层次是人所共知的:比如说第14 层是PAD ,第13 层是M etal1,第12 层是Contact1。Poly 一般会以第七层或者第八层进行表示。这些熟知的规定和惯例,不同公司是不同的。其次出于版图的视觉可观性和个人习惯的考虑要对已有版图颜色和形式设置进行修改。例如可以将层次作了如下设置:与P 型杂质相关的设置为绿色只是填充图案不同例如阱设为淡色格式,与N 型杂质相关的设为蓝色。多晶硅设置为实心紫色。铝线由于覆盖较广而设置称为无填充的粉色。引线孔设为实心红色。2.压焊快的分析确立电路提取是根据压焊点的确立而提出的。知道了电路的输入输出才可以做到有的放矢。所以要首先分析出各个引脚的含义才可以进行由外向里有目的的电路提取。例如,在一款Bi-CO M S 电路中。可以版图中根据M O S 管的引线分析,很容易得到G N D 和V cc 压焊点。进而进行初步的版图提取。在初步提取过程中将G N D 和V cc 电源线用特殊图标表示出来。这样更有利于电路的提取和芯片功能分析。对于电路中常用的测试焊点若分析出来也要一并提出, 这样以利于版图的进一步修改和有利于芯片生产的后期测试工作。3.Label号的标注在提电路之前要进行Label的标注: 即判断出是器件还是电阻、电容等。并用第零层进行标注。标注的符号,字母选择以及字母大小写的规定也是因公司而异。这样更利于以后对版图的对照和修改。4.电路的分块提取电路提取是分块进行的。在版图上有很多结构相似的单元位置相近。因此根据位置关系和结构的相似性将整个版图分成若干部分。从电路设计方面来看,功能一致的电路部分要相邻以达到最好的功能对称性。在电路中距离较近的两个部分也要将版图设计在一个单元当中以避免过长的金属走线带来的寄生效应。因此要将版图分成几块来进行电路提取。5.器件的尺寸标注在版图基础上将提取出来的器件进行尺寸标注。将这些器件进行测量后填入电路图中的参数项,这样才可以仿真。在对尺寸标注要参考的标准:三极管测量发射极的面积并除以100m 2,其比值添在qn的中括号里,M O S 管测量栅极的宽(W )、长(L)以及条数( M ) ,电容测量其有效面积。1)电阻、电容类型的确定要确定无源元件电阻,电容的值必须要对方块电阻值和单位电容值进行确定。确定方块电阻值的首要任务是要确定电阻的类型。例如:可以确定该电路的电阻为基区电阻R b 和注入电阻R i。由于在实际的生产工艺中电阻有几乎10% 的阻值浮动, 所以将方块电阻精确到个位是不可取的。例如可将扩散电阻的方块电阻值设定为130/。注入电阻采用低浓度的杂质注入而形成, 因而可以达到较高的方块电阻值根据仿真结果与技术资料的数值对照,例如将R i近似为1000/。确定单位面积电容的值首先就是确定电容的类型。例如电容是Poly 和N -W ell的接触电容。然后根据工艺经验值和后面模块的工作要求将单位面积电容进行赋值。上例就可以将单位面积电容值定2p,而在电路中的体现就是Cm =2p( Cm 是自定义的单位面积电容表示法) 。2)电阻阻值计算熟练的掌握了电阻的测量方法和阻值计算方法之后才可以对版图中形状各异的电阻进行测量和电阻相关的参数填写。阻值精确才可以对电路性能进行精确仿真,尤其是模拟电路部分。注入电阻阻值的计算方法R =R i(L/W )。这样,完整的电路图就从版图中提取出来了。基于各种齐备参数的基础上我们就可以进行电路仿真了。与其它的集成电路CAD 工具相比, 版图电路提取还显得很不成熟。虽然许多版图电路提取方法和提取器被提出来, 但与现代的电路设计能力相比, 版图电路提取还是显得力不从心。因此, 随着集成电路的发展, 版图提取的重要性也将越来越明显地体现出来。 网表/电路图提取与逻辑功能分析在芯片反向工程中，网表/电路图提取是非常重要的工作。网表提取的质量和速度直接影响后面整理、仿真和LVS等方方面面的工作。世纪芯在长期的技术研究中已经成功总结了一套切实可行的规范和方法，可以高质量高速度的提取各种类型电路的网表。逻辑功能分析网表提取结束后，往往需要进行电路的整理工作，把一个打平（flatten）的电路进行层次化（hiberarchy）整理，形成一个电路的层次化结构，以便理解设计者的设计思路和技巧，同时还能达到查找网表错误的目的。世纪芯通过对电路的各个层次模块的整理和分析，不仅可以充分理解芯片设计者的设计思想和设计技巧，还可以在分析总结先进设计思路的基础上实现自身设计能力的提高。版图设计版图设计是电路逻辑的物理实现，是集成电路产品实现（ChipLogic Layeditor）。世纪芯在反向设计的基础上提供版图的提取、工艺库替换、目标工艺修改、DRC检查和LVS校验等各种设计服务。逻辑版图验证网表和版图设计结束后，往往需要对其正确性进行各种验证，为了保证设计流程的完整性，世纪芯主要提供芯片网表数据和版图数据的FPGA验证、逻辑仿真验证、LVS验证服务。课程设计目的及任务:此次课程设计的主要目的是学习并熟悉集成电路逆向设计的方法及流程，主要任务是提取74HC193的电路图，标出各管子的尺寸，提取设计规则，分析电路特点，分析版图上防止闸流效应的措施，分析布局布线的特点，在此基础上进行电路分析和仿真模拟。感受与心得 1。最好是从中间开始拼图，一定要保证中间部分的完好，对外部可以放松要求。 2。拼图最好两个人一组，这样效率高。 3。先找输入和输出，将地线和电源线用不同的颜色标出，这样对以后电路的提取有很大的帮助。 4。提电路最好的方法是以门级(gate)为单位，而不是以单个管子(transistor)，这点我们刚开始吃了点苦头。 5。合作有分工，最后两个人为一个单位，一个画图，另外一个进行分析。这样效率就很高了。 6。提图一定要有耐心，不要急。每天一部分，按部就班。 逆向设计传统上被称为“自底向上”的设计方法，也称为反向设计。“反向设计”的提法似乎让人很容易与侵犯别人知识产权产生联系，实际上逆向设计与正向设计一样，只是IC设计的一种技术手段，通过逆向设计获取别人先进的设计思想用于自己的芯片设计中，并不能说侵犯知识产权。特别是对于初学IC设计的人员，通过学习和研究比较成熟的电路版图，可以迅速增加相关电路设计经验，更快熟悉整个IC设计流程和完善IC设计知识体系。 目前中国的IC设计业还处在学习模仿国外的阶段，早在几年前中国的IC设计企业往往是完全复制国外的芯片。最近几年，随着人们对知识产权意识的提高，都能够采取正确的方式来对待逆向设计，即利用逆向设计来设计自己的芯片。逆向设计流程与正向设计正好相反，从流程上来讲，首先要去掉芯片的封装，然后对芯片进行层层剥离，对剥离出来的芯片进行拍照和分析。随着芯片复杂度的提高，简单的拍照已经不能对芯片进行有效的分析，芯愿景公司推出了Chiplogic软件，其它逆向设计公司也推出了自己的逆向软件，利用软件方来实现对芯片的分析，大大提高了分析的效率。 逆向设计非常适合模拟芯片设计，如ADC、DAC、锁相环等模拟电路，因为模拟电路的设计往往靠经验。此外，对于10万门以下的数字电路也适合，对于混合信号电路来讲，可以适合模拟部分的反向设计服务。在时间方面，普通的逆向设计往往需要3-5个月，而小于10万门的数字电路逆向设计一般需要2-3个月。 逆向设计最重要的是要与正向设计进行无缝的衔接，因此，在设计过程中，除了大部分采用逆向提取软件外，还要采用EDA厂商的软件进行布局、验证（例如Cadence）。目前在国内，除了芯愿景公司，上海的圣景公司、台湾宜硕也提供逆向设计服务；国际上著名的逆向设计企业主要有Chipworks和Semiconducto Insights(SI)公司。逆向设计公司都能提供完整的解剖和电路提取服务，最欠缺的是对电路的深入分析，这就需要设计者来完成相关工作。逆向设计流程 腐蚀 塑料封装外壳的腐蚀，可看到第一层金属层一般采用98%的硫酸加热蒸煮 ，根据不同塑封料可能会用到浓硝酸。金属铝层的腐蚀，可看到多晶和有源区采用热磷酸 有多层金属时，去除一层金属后需要用氢氟酸去二氧化硅 去多晶硅，染色看显现 P阱和N阱其它细节处理，纵向结构解剖（SEM扫描电镜/TEM透射电镜或掺杂浓度曲线测试，一般需要IC解剖不作，都是标准工艺，分立器件一般需要做） 照相拼图每腐蚀一层，分区域照相每一层金属拼合图，每一层多晶拼合图，有源区拼合图利用chiplogic软件或其它逆向公司提供的软件组件把拼合图处理成软件可识别的图像文件图片均是按比例处理，可用软件直接测试MOS长宽比及最小线宽等 处理后的图片组在软件中可同时看到多层图像，这是手工提图难以做到的 一般的带CCD显微镜是不能用来芯片照相拼图 ，需要专门显微镜设备 标注分块 标注各引脚功能 从芯片引脚出发，把芯片各功能区在全版图上大致区分出来一般最先标注电源和地线，能提高