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Tema 6Tema 6

“Representación y diseño de “Representación y diseño de circuitos integrados”circuitos integrados”

Agustín Álvarez Agustín Álvarez MarquinaMarquina

26/11/2003 Facultad de Informática, UPM. 2

Diseño de circuitos integrados (I)Diseño de circuitos integrados (I)Diseño de circuitos integrados (I)

El diseño de un circuito integrado termina con la realización del layout (plano en planta) del circuito.

El layout contienen una descripción geométrica (tamaño y orientación) de todos los componentes y sus interconexiones.


Diseño de circuitos integrados (II)Diseño de circuitos integrados (II)Diseño de circuitos integrados (II)

El layout está expresado en un formato estandarizado CIF (Code Intermediate Format), que sigue las normas de tamaños y distancias entre elementos que impone el fabricante.

El proceso de diseño del circuito es independiente del proceso tecnológico.


Generación del layout y reglas de diseño

Generación del Generación del layoutlayout y reglas de y reglas de diseñodiseño

La preparación de un circuito para su integración en tecnología planar requiere de la especificación de los siguientes aspectos para la construcción de máscaras:

Número de capas.

Objeto de cada capa

Dimensiones de cada objeto.

Separación entre objetos de la misma capa.

Separación entre objetos de diferentes capas.

Envolvente entre capas.


Generación del layout (I)Generación del Generación del layoutlayout (I)(I)

El primer paso del diseño es pasar el diagrama del circuito con símbolos de transistores convencionales a un diagrama que ponga de manifiesto la información de las capas y la topologías de los elementos (layout).

Hay varios estilos de representación:

Diagrama de barras.

Patrones.

Colores.


Generación del layout (II)Generación del Generación del layoutlayout (II)(II)

Código de barras.

Formación de un transistor.

Área activa o difusión

Metal

Polisilicio

Contactos

Difusión (n+ o p+)

Puerta Policristalino


Generación del layout (III)Generación del Generación del layoutlayout (III)(III)

Objetos del mismo tipo conectados tienen continuidad eléctrica.

El cruce entre objetos distintos no supone contacto eléctrico


Generación del layout (IV)Generación del Generación del layoutlayout (IV)(IV)

Los contactos de corte han de especificarse.

Ejemplo: diagrama de barras de un inversor y de una puerta de transmisión CMOS.

P

P

Vdd

Vss

Vdd

Vss

e s e s

•Para indicar que la difusión es p+


Generación del layout (V)Generación del Generación del layoutlayout (V)(V)

Ejemplo: diagrama de barras de una puerta NAND.

P P

A B S

Vdd

Vss


Generación del layout (VI)Generación del Generación del layoutlayout (VI)(VI)

Representación del layout mediante patrones.

Proceso

Pozo p Pozo n Pozo gemelo

Pozo n Pozo p Pozo p

Difusión Difusión Difusión

Polisilicio Polisilicio Polisilicio

Implante p+ Implante p+ Implante p+

Metal 1 Metal 1 Metal 1

Metal 2 Metal 2 Metal 2

Contacto Contacto Contacto

Polisilicio2 Polisilicio2 Polisilicio2

Vía Vía Vía


Generación del layout (VII)Generación del Generación del layoutlayout (VII)(VII)

Representación del layout mediante patrones.Capas

Según el estándar ES2 (European Silicon Structures) para dos metales

CNWI (pozo n)

CNPI (implante n+)

CPPI (implante p+)

CTOX (difusión o área activa)

CPOL (policristalino)

CCON (corte)

CME1 (metal 1)

CME2 (metal 2)

CVIA (vía)


Generación del layout (VII)Generación del Generación del layoutlayout (VII)(VII)

Representación del layout mediante colores.

Metal 2

Policristalino

Difusión o área activa

Implante n+

Implante p+

Pozo n

Metal 1

Corte

Vía

Overglass

Guardas

Lista de 11 capas definidas por la herramienta TEDMOS


Reglas de diseño (I)Reglas de diseño (I)Reglas de diseño (I)

Pueden considerarse como las especificaciones para preparar las máscaras que se emplean durante la fabricación de los circuitos integrados.

Aseguran la intercomunicación entre el diseñador y el proceso tecnológico.

El objetivo principal asociado con las reglas de diseño es obtener un circuito con unas prestaciones óptimas, es decir, aprovechar las áreas lo más posible, sin comprometer la reusabilidad del diseño.


Reglas de diseño (II)Reglas de diseño (II)Reglas de diseño (II)

Las reglas de diseño especifican al diseñador ciertas restricciones geométricas.

Es importante hacer notar que las reglas no marcan una frontera entre una fabricación correcta o incorrecta.

Representan la tolerancia que asegura una alta probabilidad de fabricación correcta y en consecuencia de funcionamiento.

Un diseño que viole algunas reglas puede funcionar correctamente y viceversa.


Reglas de diseño (III)Reglas de diseño (III)Reglas de diseño (III)

Las reglas de diseño apuntan hacia dos objetivos:

La reproducción geométrica para la obtención de las máscaras necesarias para el proceso de litografía.

La interacción entre las distintas capas.

Tipos de reglas:

No escalables o reglas de micras.

Escalables o reglas expresadas en λ (lambdas).


Reglas de diseño (IV)Reglas de diseño (IV)Reglas de diseño (IV)

Reglas no escalables o reglas de micras.

Básicamente consisten en una lista de mínimas dimensiones y separaciones entre las diferentes máscaras requeridas en el proceso.

Son las usadas normalmente por la industria.


Reglas de diseño (V)Reglas de diseño (V)Reglas de diseño (V)

Reglas escalables o reglas expresadas en λ(lambdas).

Fueron popularizadas por Mead y Conway.

Las reglas son adimensionales.

Permiten expresar todas las dimensiones en función de este parámetro de escala.

Si cambia la resolución que permite la tecnología no es necesario rediseñar el circuito.


Tipos de reglas de diseño (I)Tipos de reglas de diseño (I)Tipos de reglas de diseño (I)

Reglas de pozo

Pozo n Pozo nsustrato p

r101

r102

•Ejemplo para herramienta MICROWIND2 con tecnología de 1,2 µm (λ=0,6 mm)

r101 Ancho mínimo de pozo: 9 λr102 Distancia entre pozos: 12 λr110 Área mínima: (No especificada) λ2


Tipos de reglas de diseño (II)Tipos de reglas de diseño (II)Tipos de reglas de diseño (II)

r201

r202

P+ diff P+ diff

Pozo n

N+ paracontacto

r203

P+ paracontact

o

r206

N+ diffr204

r205

r201 Ancho mínimo de difusión N+ y P+: 4 λr202 Distancia entre difusiones P+ y N+: 3 λr203 Recubrimiento de pozo n sobre P+: 5 λr204 Distancia entre pozo n y difusión N+: 5 λ

Reglas de difusión (I)


Tipos de reglas de diseño (III)Tipos de reglas de diseño (III)Tipos de reglas de diseño (III)

r201

r202

P+ diff P+ diff

Pozo n

N+ paracontacto

r203

P+ paracontact

o

r206

N+ diffr204

r205

r205 Recubrimiento de pozo n sobre difusión N+ para contacto de polarización: (No especificada) λ

r206 Distancia entre pozo n y difusión P+ para contacto: (No especificada) λr210 Área mínima: (No especificada) λ2

Reglas de difusión (II)


Tipos de reglas de diseño (IV)Tipos de reglas de diseño (IV)Tipos de reglas de diseño (IV)

N+ diff

P+ diff

r305r307

r306

r304

r306

r301

r302

r307

r301 Ancho mínimo del polisilicio: 2 λr302 Polisilicio de puerta sobre difusión: 2 λr304 Distancia entre dos polisilicios: 3 λr305 Distancia entre polisilicio y difusión: 1 λ

Reglas de polisilicio (I)


Tipos de reglas de diseño (V)Tipos de reglas de diseño (V)Tipos de reglas de diseño (V)

Reglas de polisilicio (II)

N+ diff

P+ diff

r305r307

r306

r304

r306

r301

r302

r307

r306 Extensión de la difusión respecto al polisilicio de puerta: 3 λr307 Extensión del polisilicio de puerta respecto a la difusión: 2 λr310 Área mínima: (No especificada) λ2


Tipos de reglas de diseño (VI)Tipos de reglas de diseño (VI)Tipos de reglas de diseño (VI)

Reglas de contactosr404

r402

r401

r405

difusión

puerta

r403 r406

metal

polisilicio

r401 Ancho mínimo del contacto: 2 λr402 Distancia entre dos contactos: 3 λr403 Recubrimiento de la difusión sobre el contacto: 2 λr404 Recubrimiento del polisilicio sobre el contacto: 2 λr405 Recubrimiento del metal sobre el contacto: 2λr406 Distancia entre polisilicio de puerta y contacto: 3 λ


Tipos de reglas de diseño (VII)Tipos de reglas de diseño (VII)Tipos de reglas de diseño (VII)

Reglas de metal

r501 Ancho mínimo del metal: 4 λr502 Distancia entre dos metales: 3 λr510 Área mínima: (No especificada) λ2

r501

r502

metal metal


Tipos de reglas de diseño (VIII)Tipos de reglas de diseño (VIII)Tipos de reglas de diseño (VIII)

Reglas de metal y vía

r601 Ancho mínimo de vía: 3 λr602 Distancia entre dos vías: 4 λr603 Distancia entre vía y contacto: 4 λr604 Recubrimiento del metal sobre vía: 2 λr605 Recubrimiento del metal 2 sobre vía: 3λ

metal/metal 2

vía vía

contactor601

r602 r603

r604/r605


Tipos de reglas de diseño (IX)Tipos de reglas de diseño (IX)Tipos de reglas de diseño (IX)

Reglas de metal 2

r701 Ancho mínimo del metal: 5 λr702 Distancia entre dos metales: 3 λr710 Área mínima: (No especificada) λ2

r701

r702

metal 2 metal 2


Reglas de diseño de Microwind2 (fichero: CMOS12.RUL) (I)

Reglas de diseño de Microwind2 Reglas de diseño de Microwind2 (fichero: CMOS12.RUL) (I)(fichero: CMOS12.RUL) (I)

NAME CMOS 1.2µm CMOS*lambda = 0.60ldd = 0 (no ldd)** Design rules associated to each layer*r101 = 9 { well }r102 = 12*r201 = 4 { diffusion }r202 = 3r203 = 5r204 = 5*


Reglas de diseño de Microwind2 (fichero: CMOS12.RUL) (II)

Reglas de diseño de Microwind2 Reglas de diseño de Microwind2 (fichero: CMOS12.RUL) (II)(fichero: CMOS12.RUL) (II)

r301 = 2 { poly }r302 = 2r304 = 3r305 = 1r306 = 3r307 = 2*r401 = 2 { contact }r402 = 3r403 = 2r404 = 2r405 = 2r406 = 3 { contact to gate }*r501 = 4 { metal }r502 = 3*


Reglas de diseño de Microwind2 (fichero: CMOS12.RUL) (III)

Reglas de diseño de Microwind2 Reglas de diseño de Microwind2 (fichero: CMOS12.RUL) (III)(fichero: CMOS12.RUL) (III)

r601 = 3 { via }r602 = 4r603 = 4r604 = 2r605 = 3 { via to poly }*r701 = 5 { metal 2 }r702 = 3*


Ejemplos de diseño (I)Ejemplos de diseño (I)Ejemplos de diseño (I)

Inversor CMOS

p+ p+ p+ n+ n+ n+

Pozo n

Sustrato p

Vdd Vss s

e

Metal 1

Policristalino

Óxido SiO2

Implante n+

Implante p+

Pozo n


Ejemplos de diseño (II)Ejemplos de diseño (II)Ejemplos de diseño (II)

Inversor CMOS

Transistor pMOS.

Relación de aspecto W/L= 8/2

Transistor nMOS.

Relación de aspecto W/L= 4/2

•Sobre el esquema anterior el metal de salida se conecta con policristalino


Ejemplos de diseño (III)Ejemplos de diseño (III)Ejemplos de diseño (III)

Inversor CMOS

Nodos:

Vdd, Vss, e, s

e: entrada

s: salida


Ejemplos de diseño (IV)Ejemplos de diseño (IV)Ejemplos de diseño (IV)

Inversor CMOS

Pozo n

Difusión n+

Difusión p+

Difusión n+

Difusión p+


Ejemplos de diseño (V)Ejemplos de diseño (V)Ejemplos de diseño (V)

Inversor CMOS

Metal 1

Policristalino

Contacto metal 1 y policristalino

Contacto metal 1 y difusión n+

Difusión n+ y metal 1

Difusión n+ y policristalino

Metal 1+ Policristalino


Ejemplos de diseño (VI)Ejemplos de diseño (VI)Ejemplos de diseño (VI)

Puerta NOR


Recomendaciones para abordar un diseño

Recomendaciones para abordar un Recomendaciones para abordar un diseñodiseño

Realizar una representación en código de barras (preferible patrones).

Colocar dimensiones de acuerdo con las reglas de la tecnología elegida.

El orden de diseño de las capas es indiferente, lo lógico es empezar por las reglas de tamaño mínimo, distancias y por ultimo recubrimiento.

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