CD4011B芯片版圖研究

沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院 王 健

沈陽航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張大為

沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院 徐洪偉

1.引言

集成電路產(chǎn)業(yè)是最能體現(xiàn)知識經(jīng)濟(jì)特征的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)[1]。以集成電路為主要技術(shù)的微電子產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展促進(jìn)了現(xiàn)代社會的電子化、信息化、自動化，并引起了人們社會生活的巨大變革。集成電路布圖設(shè)計（以下簡稱版圖設(shè)計）在集成電路設(shè)計中占有十分重要的作用。版圖設(shè)計是指集成電路中至少有一個是有源元件的兩個以上元件和部分或者全部互連線路的三維配置，或者為制造集成電路而準(zhǔn)備的上述三維配置[2]。集成電路芯片流片成本高，必須保證較高的成品率，版圖設(shè)計人員應(yīng)具有扎實理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗。典型芯片是經(jīng)過實踐檢驗性能優(yōu)越，所以，通過研究已有的典型芯片版圖是提高設(shè)計能力的有效途徑。

版圖設(shè)計是在一定的工藝條件基礎(chǔ)上根據(jù)芯片的功能要求而設(shè)計的。目前，集成電路的主要工藝有三種，分別是雙極工藝、CMOS工藝和BICMOS工藝[3][4]。其中CMOS工藝芯片由于功耗低、集成度高等特點而應(yīng)用最廣泛，所以，研究CMOS工藝芯片版圖具有更重要的意義。

本文對CD4011B芯片進(jìn)行了逆向解析，通過研究掌握了該芯片的設(shè)計思想和單元器件結(jié)構(gòu)，對于提高CMOS集成電路設(shè)計水平是十分有益的。

2.芯片分層拍照

本文解析的CD4011B芯片是雙列直插式塑料封裝，共14個管腳，包含四個二輸入與非門。根據(jù)芯片編號規(guī)則判斷為CMOS工藝制造。

首先將芯片放到濃硝酸中加熱去掉封裝，用去離子水沖洗、吹干后在顯微鏡下拍照鋁層照片。再將芯片放到鹽酸溶液中漂洗去掉鋁層，用去離子水沖洗、吹干后放到氫氟酸溶液中去掉二氧化硅層，經(jīng)去離子水沖洗、吹干后用染色劑染色，雜質(zhì)濃度高部分顏色變深，沖洗、吹干后在顯微鏡下對去鋁層（有源層）芯片拍照[5]。

采用圖形編輯軟件分別對兩層照片進(jìn)行拼接，獲得版圖照片。

3.單元結(jié)構(gòu)

CD4011B的有鋁層和去鋁層照片表明芯片四個二輸入與非門結(jié)構(gòu)相同，只要分析一個與非門即可。該芯片一個二輸入與非門去鋁版圖照片如圖1所示。其中E和F為輸入端，L為輸出端。

該芯片是P襯底、N外延層和P阱工藝，與非門主要由NMOS和PMOS場效應(yīng)晶體管構(gòu)成，靜電保護(hù)電路由二極管和電阻構(gòu)成。NMOS和PMOS場效應(yīng)晶體管如圖2所示。

圖2 CD4011B芯片場效應(yīng)管版圖

圖2的(a)和(b)分別是NMOS場效應(yīng)管去鋁版圖和剖面圖，該芯片采用鋁柵，厚場氧化層作為絕緣隔離。

圖2的(c)和(d)分別為一種PMOS場效應(yīng)管鋁層和去鋁層，該器件采用叉指結(jié)構(gòu)，目的是既增加?xùn)艠O的寬度，提高輸出電流，又節(jié)省了版圖面積。

圖3(a)和(b)分別是芯片的二極管和電阻去鋁版圖。二極管采用P阱作為正極，二極管作用是輸出和輸入端口防靜電保護(hù)[6]。電阻為基區(qū)電阻，基區(qū)電阻與N外延層構(gòu)成同時構(gòu)成兩個二極管。

圖3 CD4011B芯片二極管和電阻版圖

4.電路圖和仿真

根據(jù)CD4011B芯片的鋁層和去鋁層版圖照片提取了一個二輸入與非門電路如圖4(a)所示。

采用Pspice軟件對電路圖進(jìn)行瞬態(tài)仿真，其中電源電壓為5V，輸入信號高電平為5V，低電平為0V，仿真結(jié)果如圖4(b)、(c)為輸入端信號，(d)為輸出端信號。結(jié)果表明該電路實現(xiàn)了與非門的邏輯功能，電路提取正確。

圖4 CD4011芯片與非門電路圖和仿真圖

5.結(jié)論

本文采用化學(xué)方法對CD4011B芯片進(jìn)行了分層拍照，提取了電路圖，仿真驗證正確。從芯片的版圖分析，該芯片采用NMOS場效應(yīng)晶體管、PMOS場效應(yīng)晶體管、PN結(jié)二極管和基區(qū)電阻等器件單元，四個與非門版圖一致且對稱布局。該芯片采用典型的CMOS工藝，為了節(jié)省面積采用叉指場效應(yīng)晶體管，輸入和輸出端采用防靜電保護(hù)結(jié)構(gòu)。電路為典型的CMOS與非門電路。該芯片的版圖布局體現(xiàn)了設(shè)計的合理性和科學(xué)性。

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