集成电路-17双极型版图设计

第四章双极型数字电路的版图设计设计完后要进行核算，检验初步设计的元件是否满足电路指标的要求。对双极型晶体管主要是核算：BVCBO、BVCEO、ICM、β、FT、rCS、rbb等。1、设计电路中各元件的初步图形和尺寸4-1从晶体管级到版图级的步骤2、划分隔离区(确定隔离岛的数目)

隔离要占去30％～40％的芯片面积，隔离岛越多，浪费的芯片面积就越大，所以要尽量减少隔离岛的数目。凡集电极电位相同的纵向NPN管都可放在一个N型岛内。集电极电压不同的则必须放在不同的隔离区。基极电位相同的横向PNP管可放在一起。二极管的处理与NPN管相同。对于基区扩散电阻，由于放电阻的N区接最高电位，故多个电阻可放在一起。另外，电阻两端电位低于NPN管集电极电位的，也可与NPN管放在一起。为提高成品率，压焊点各占一个隔离区。3、排版与布线：主要是确定芯片上元件的相互位置及引线孔的位置，使元件间实现无交叉互连。随着集成度的提高，互连线越来越复杂，往往需要多次反复才能完成。一般可利用电阻的扩散区、晶体管的接触孔、双基或双集晶体管解决交叉。实在无法避免交叉时，可利用“磷桥”过渡。但这会增加隔离岛。因此排版布线应尽量使交叉减到最少。4、由上述步骤可直接得到掩膜总图，然后分解出各次光刻的掩膜板，进行投片。

注意：对于电阻、电容、二极管这些无源元件，都是在制作晶体管的过程中一起作出的，因此它们的图形都包含在制作晶体管的各次光刻版中。例如：①硼扩散版图包含了各个NPN管的基区，还包含了硼扩电阻的图形②磷扩散版图包含了各个NPN管的发射区、欧姆接触的n＋区、磷桥、沟道电阻的n＋区等图形最小间距由于一般设计规则由厂家提供，大家重点要了解每个间距的含义。在这里我们只简单推导三个参数作为例子。1、DB-B孔2、DB-I3、DC-IDC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si无耗尽层P1、DB-B孔：是基极接触孔和基区扩散孔之间的最小间距。它决定了基极接触孔在基区的位置。对它的要求是保证在工作中基极金属不与集电结接触。由于是在已有了发射区、基区后才刻引线孔，因此是两个图形中间的套刻。故掩膜对准容差取△XMAT2＝5.5μm，比一次对准，如发射极引线孔中的△XMAT1要大1μm。

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

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si无耗尽层P2、DB-I：基区扩散孔与隔离扩散孔的间距，对它的要求是在工作中基区不与隔离区穿通

DB-I＝△XMAT＋Gmin＋0.8XjI＋0.8XjC＋WdI-epi＋Wdc-epiXjI为隔离结结深。为了使隔离结两侧的耗尽层不短接，隔离扩散的深度应超过实际外延层厚度的25％。（外延层厚度有增有减）。一般可用最大外延层厚度再加25％来估计。外延层6.5±0.5，那么XjI＝7×125％＝8.75讨论DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si无耗尽层P3、DC-I：集电极n＋引线孔到隔离槽的最小间距。要求集电极金属不与隔离区穿通

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讨论DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si无耗尽层P讨论：①图形最小间距是为了保证元件在规定的使用条件下安全可靠地工作而设定的。为了保证成品率而稍加放大②横向扩散取0.8Xj是对<111>衬底而言的。它有时对减小间距有利，可减去0.8Xj；而有时又不利，则应加上0.8Xj③Wd表示势垒在加反向偏压时的展宽，主要向浓度低的一侧展开。尽管管子有时不是两个结都反偏，但应以最坏情况考虑④上面的推导没有考虑Al互连线。实际制作中，要求Al条要完全覆盖住引线孔，并且Al条之间不能小于△XMAT＋Gmin。考虑了Al条后，上面推导的有些尺寸还要放大。这样就得到最小尺寸晶体管⑤侧壁采用PN结隔离非常占面积。如果侧壁采用绝缘介质隔离，底部仍用反偏PN结隔离，这可得到如图所示的NPN管结构。它的面积只有PN结隔离的1/4。结电容只有1/6。但要采用先进的等平面工艺和离子注入技术DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si无耗尽层P讨论DC-IDB-B

孔DB-IP+n+n+n+n－epiP+P－Si无耗尽层PBEEEBCCPn＋n＋nnn＋P-Si4-2IC中的元件设计在数字电路中,主要元件有晶体管、二级管和电阻、电容不常用，下面分别介绍。一、晶体管版图设计纵向NPN管在TTL电路是主要的有源器件。一般门电路中往往包含多个NPN管，它们在电路中起的作用不同。因此，对它们的设计也不同。

1、最小面积晶体管由图形最小尺寸和最小间距构成的晶体管发射极接触孔最小，一般用图形最小尺寸。然后在它周围考虑最小间距逐步套合。注意要考虑金属膜的影响。(如DE-B)

62100101610588555555811101616隔离槽的宽度Mmin6点划线与实线重合集电极n+接触孔,即扩散n+,又当接触孔,合二为一DC-I=16DC-B=10DE-B6DE-EDB-BDB-I=162、电流容量由于发射极电流的“电流集边”效应，晶体管最大工作电流：

IEmax＝αLE-eff。与发射区面积几乎无关

LE-eff为有效发射极周长。α为单位有效周长的最大工作电流n+n+P+P+P+P-Sin+n-epiCBEPN结正向偏压逐渐减小IE-eff＝L＋2Seff（有效条宽）≈L

在逻辑电路中α＝0.16-0.40mA/µm如电流较大，IE-eff↑。途径：①L↑②双基极(LE-eff×2)

③双发射极(LE-eff×2)3、晶体管常用图形⑴单基极管：适用于电流较小，fT较高的场合⑵双基极管：LE-eff↑

fT↓⑶双基极双集电极：集电极串联电阻rCS↓

，Vces↓

，Imax↑⑷双射极双集电极：rCS↓⑵⑶⑷LE-eff相同⑸多射极管：“长脖子基区”作用：减小输入漏电流I1H●VccI1HrbbR1●●●D1D2D3T1Rbb表示长脖基区的体电阻，D1、D2······表示长脖基区各段与集电极构成的PN结。原理：T1未饱和时，bc结反偏，D1、D2······截止，Rbb相当于加在R1上当T1饱和时，bc结正偏，D1正向偏压最大，有电流从D1流走，很少直接进入发射极对应的基区，使βR↓I1H＝IPN＋ICL＋ICVICV与βR有关∴I1H↓在基区中开引线孔敷铝条是为了让各发射区对应的rbb一致VccBCPN-epiN+N+Icv4、集电极串联电阻rcs估算方法：以双基双集为例（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＝0.5Ωcm、R□－BL＝20Ω/□可得：rcs≌15.3Ω

如考虑工艺上的横向扩散、埋层反扩散、外延层因氧化而减薄等因素，rcs还要小一些二、集成二极管二极管除单独bc结外，通常由晶体管的不同连接方式构成，并不增加工序nn+P+P+P+n+CB●●●●●VBC=0VCE=0VBE=0IC=0IE=0常用EECCBB三、集成电阻器

IC中的电阻大多数是利用n型或者P型半导体材料的体电阻获得的。由于硼扩散可作出50～50KΩ，相对误差<20％电阻，因而用得较多。在采用沟道结构时则可作出阻值更大、面积更小的电阻。设计的任务：根据电阻的阻值，确定电阻的条宽、条长，并根据电阻在版图中的位置决定电阻的走向。1、基区（硼）扩散的电阻阻值的经验公式：

Weff是有效条宽，即设计条宽＋横向扩散引起的展宽

Weff＝W＋mXjcm一般取0.5，故Weff＝W＋0.5XjcK1是端头修正因子，一般取0.35-0.65n是拐角个数，K2是拐角修正因子（一般取0.5）LWWeffWP

应用折迭形是因为L是在W确定之后由电阻阻值决定的。当阻值较大时，为了适应版图上给定的位置，电阻条往往要拐弯。这要占用较大的芯片面积。2、发射区扩散电阻－磷桥主要用作互连，避免铝线交叉n＋nP＋P＋3、基区沟道电阻通过反偏PN结，减小电阻的截面积，使电阻变大n－epin+P+PP+n+BLP-sin+ABVCC4-3版图设计举例－－中速TTL八输入端与非门一、隔离区的划分

T1、T2、T5、T6各一个；T3、T4集电极电位相同，共用一个；电阻合用一个；Rb、Rc可以和T6共用一个，也可以和别的电阻放在一起，共6个隔离区另外，一个压焊点一个隔离岛，防止压焊点下氧化层针孔造成的短路P＋P＋P＋P＋n-epin-epin＋n＋（如二处有针孔会短路）一个输入箝位二极管一个隔离岛包地线：外围大面积P+隔离扩散①接地更好②输入箝位二级管串联电阻③便于布线n-epin-epin-epiP+P+P+P+P+不是做成环状n-epin-epin-epiP+P+P+P+P+P+P+二、确定各元件图形及尺寸

①T1：八射极NPN管采用长脖子基区结构，并设置两个等位条，使各个VBE一致。双集电极一方面使rCS减小，另一方面解决互连的交叉问题②T5的设计：输出管，电流容量要大，保证NoL合格。同时，rcs要小，以保证VoL合格。因为：VoL＝Vceso＋Ic×rcs

采用双集电极或者双发射极结构③T2的设计：电流不大，采用最小尺寸晶体管以提高速度④T3和T4：T3工作电流较小，采用最小面积晶体管。

T4是高电平输出管，因为I1H较小，对它的电流容量要求不高，一般采用双基极结构。Leff取T5的一半左右。⑤T6网络：为了使互连简化，通常将Rb、Rc与T6做在一起，利用基区体电阻构成Rb、RcnP+PP+n+P-sin+n+RcRb

●RbRc●T5T6T5基极书上错⑥输入箝位二极管n－epiP+P+n+P-sin+三线重合埋层扩散n+磷扩散引线孔减小串联电阻RD的方法①扩大n＋扩散孔的面积②采用包地线，并加等位铝条③尽量靠近所保护的输入端的压焊点⑦电阻：电阻条的宽度由以下最小条宽中最大的决定设计规则中的最小电阻条宽最大工作电流要求精度要求

长度可以推导出来三、画出布局草图

1、按照规定的管脚顺序，排