芯片提取基础知识

概述第一章：芯片基础知识第二章：基本模拟单元第三章：基本数字单元第一章芯片基础知识各种封装形式的芯片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：裸片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。通常，我们说芯片，实际上就是指裸片。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X光照片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芯片结构（1）芯片内部的METAL1层照片PAD（压焊点）内部电路芯片结构（2）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。芯片的照片可见光的照片是彩色的，SEM的照片是黑白的。注意下图的两张照片，拍摄的是同一个区域：VS.芯片的层芯片实际上是立体结构，分为多层，每一层都和上下层相连。不同的芯片，层数不一样。POLYM3M2M1第二章基本模拟器件数字和模拟元件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。数字单元比较密集，规整模拟单元比较稀疏，形状各异数字单元模拟器件模拟器件符号图常见的模拟器件RESCAPPMOSNMOSDIODEBJT常见模拟器件1电阻1.1POLY电阻1.2注入电阻1.3阱电阻1.4FUSE2电容2.1MOSCAP2.2POLYCAP2.3FCAP2.4METALCAP3MOS管3.1三端MOS管3.2四端MOS管4二极管5三极管VPNP三极管1.1POLY电阻利用多晶制作电阻：是一条细长的多晶条，很好分辨；两个端口PLUS，MINUS顺序可以颠倒；两个端口之间的距离为长度，多晶条宽度为宽度；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。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。POLY电阻识别（1）各个特点的图例见下页。在染色前会将多晶去掉，所以，RPOLY在染色层是没有痕迹的。在有些芯片中，POLY电阻的颜色和管子栅端的颜色不一样。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。观察电阻两头的孔，可以用来识别RPOLY。POLY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*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1.2注入电阻对衬底或者阱进行一细长条形的高掺杂注入P衬底N阱RPPLUSRNPLUS注入电阻识别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。多晶层染色层注入电阻原理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。所以，N阱里面的注入电阻为RPPLUS，P衬底上的注入电阻为RNPLUS。1.3阱电阻RNWELL，在P衬底上用一条细长的N阱作电阻P衬底RNWELLN阱阱电阻识别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。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。P阱工艺是RPWELL，N阱工艺是RNWELL多晶层染色层电阻尺寸量取（1）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*电阻尺寸量取（2）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。左图的电阻上，可以看到明显的分界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1.4FUSE严格来说，FUSE（熔丝）也是一种电阻，该电阻有两种值，0或无穷。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。符号图：PLUSMINUSPOLYFUSE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METALFUSE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。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*熔丝窗口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。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2电容符号图：PLUSMINUS常见电容种类：MOSCAPPOLYCAPDPMOSCAPFCAPMETALCAP电容的形成机制构成一个电容的条件：两块电极板，中间填充绝缘介质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决定电容大小的一个重要参数为两块极板的重叠面积；需要测量的参数为重叠面积的长和宽。2.1POLYCAPPOLYCAP：使用POLY1和POLY2作为两极，PLUS和MINUS可以互反；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：POLY1POLY2电镜下的POLYCAP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。2.2MOSCAP由于工艺原因，用MOS管做电容非常常见；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：MOSCAP的识别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。N管MOSCAP，PLUS在栅，MINUS在源漏。P管MOSCAP，MINUS在栅，PLUS在源漏。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。多晶层染色层增大MOSCAP的电容MOSCAP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。双多晶工艺正好可以做出这种电容双层POLY的MOSCAP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。最下极板（DIFF）和最上极板（POLY2）是通过金属（M1）连在一起的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多晶层染色层电镜下的DPMOSCAP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*MOSCAP（1）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+GDSB*MOSCAP（2）由上页可知，要能形成沟道，MOS管必须一直导通；MOSCAP可以制作很大的电容，但线性度很差，电容随|VGS|的变大而大。MOS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：金属电容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。金属电容分为两种。垂直板金属电容，常称为FCAP（插指电容）水平板金属电容，常称为METALCAPFCAPMETALCAP2.3FCAP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。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。FCAP的极板间距下图示出了随着工艺的发展，金属间距的变化：0.5u0.35u0.18u2.4METALCAP结构METALCAP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。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METALCAP照片注意图中白点即为孔：M3插入的电容板M3照片M4照片两极电镜下的METALCAP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。图中白点即为孔：插入的电容板M3照片M4照片METALCAP的特点METALCAP有两大好处：下方还可以做器件，充分利用芯片面积离地比较远，寄生电容小，精度高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。METALCAP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。3MOS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3.1三端MOS管PMOS符号图：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；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；MOS管的参数为w，l，m（倍数）。NMOS符号图：GSDGDS三端MOS管的衬底电位在模拟应用里面，MOS管的衬底电位至关重要；常用的几种赋值方式：bn＝Sbn＝VDD！（对于P管）bn＝GND！（对于N管）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。衬底电位的判断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。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。3.2四端MOS管PMOS4符号图：四端MOS管比三端MOS管多一个端口，B端口，由衬底引出；bn属性不用配置，其余属性和三端MOS管相同。NMOS4符号图：GSDBGSDB四端MOS管框取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。MOS管框取步骤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。首先要绘制电源地线，配置模拟器件，注意不要多配置。第一步，识别P还是N管，同时识别衬底电位第二步，点击模板框取，填好bn参数和m参数第三部，识别源漏，然后将三个端口调整到合适位置第四部，模拟器件全部框完后，统一量参数在框同一个管子时，一次性做完前3个步骤。判断MOS管源漏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：P管连电源的一端为S，N管连电源的一端为DN管连地的一端为S，P管连地的一端为DP管连衬底的一端通常为S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）P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*MOS管做保护电路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。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，VSG0，管子导通，工作机制和I20相