CD4011B芯片版圖研究

沈陽化工大學信息工程學院 王 健

沈陽航空職業技術學院 張大為

沈陽化工大學信息工程學院 徐洪偉

1.引言

集成電路產業是最能體現知識經濟特征的高技術產業[1]。以集成電路為主要技術的微電子產業的高度發展促進了現代社會的電子化、信息化、自動化，并引起了人們社會生活的巨大變革。集成電路布圖設計（以下簡稱版圖設計）在集成電路設計中占有十分重要的作用。版圖設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，版圖設計人員應具有扎實理論基礎和豐富的實踐經驗。典型芯片是經過實踐檢驗性能優越，所以，通過研究已有的典型芯片版圖是提高設計能力的有效途徑。

版圖設計是在一定的工藝條件基礎上根據芯片的功能要求而設計的。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芯片進行了逆向解析，通過研究掌握了該芯片的設計思想和單元器件結構，對于提高CMOS集成電路設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。根據芯片編號規則判斷為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，經去離子水沖洗、吹干后用染色劑染色，雜質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行拼接，獲得版圖照片。

3.單元結構

CD4011B的有鋁層和去鋁層照片表明芯片四個二輸入與非門結構相同，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場效應晶體管構成，靜電保護電路由二極管和電阻構成。NMOS和PMOS場效應晶體管如圖2所示。

圖2 CD4011B芯片場效應管版圖

圖2的(a)和(b)分別是NMOS場效應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場效應管鋁層和去鋁層，該器件采用叉指結構，目的是既增加柵極的寬度，提高輸出電流，又節省了版圖面積。

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[6]。電阻為基區電阻，基區電阻與N外延層構成同時構成兩個二極管。

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軟件對電路圖進行瞬態仿真，其中電源電壓為5V，輸入信號高電平為5V，低電平為0V，仿真結果如圖4(b)、(c)為輸入端信號，(d)為輸出端信號。結果表明該電路實現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.結論

本文采用化學方法對CD4011B芯片進行了分層拍照，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場效應晶體管、PMOS場效應晶體管、PN結二極管和基區電阻等器件單元，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，為了節省面積采用叉指場效應晶體管，輸入和輸出端采用防靜電保護結構。電路為典型的CMOS與非門電路。該芯片的版圖布局體現了設計的合理性和科學性。

[1]雷瑾亮,張劍,馬曉輝.集成電路產業形態的演變和發展機遇[J].中國科技論壇,2013,7:34-39.

[2]汪娣娣,丁輝文.淺析我國集成電路布圖設計的知識產權保護——我國集成電路企業應注意的相關問題[J].半導體技術,2003,28:14-17.

[3]朱正涌,張海洋,等.半導體集成電路[M].北京:清華大學出版社,2009.

[4]曾慶貴.集成電路版圖設計[M].北京:機械工業出版社,2008.

[5]王健,樊立萍.CD4002B芯片解析在版圖教學中的應用[J].中國電力教育,2012,31:50-51.

[6]Hastings,A.模擬電路版圖的藝術[M].北京:電子工業出版社,2008.