CD4011B芯片版图研究

沈阳化工大学信息工程学院 王 健

沈阳航空职业技术学院 张大为

沈阳化工大学信息工程学院 徐洪伟

1.引言

集成电路产业是最能体现知识经济特征的高技术产业[1]。以集成电路为主要技术的微电子产业的高度发展促进了现代社会的电子化、信息化、自动化，并引起了人们社会生活的巨大变革。集成电路布图设计（以下简称版图设计）在集成电路设计中占有十分重要的作用。版图设计是指集成电路中至少有一个是有源元件的两个以上元件和部分或者全部互连线路的三维配置，或者为制造集成电路而准备的上述三维配置[2]。集成电路芯片流片成本高，必须保证较高的成品率，版图设计人员应具有扎实理论基础和丰富的实践经验。典型芯片是经过实践检验性能优越，所以，通过研究已有的典型芯片版图是提高设计能力的有效途径。

版图设计是在一定的工艺条件基础上根据芯片的功能要求而设计的。目前，集成电路的主要工艺有三种，分别是双极工艺、CMOS工艺和BICMOS工艺[3][4]。其中CMOS工艺芯片由于功耗低、集成度高等特点而应用最广泛，所以，研究CMOS工艺芯片版图具有更重要的意义。

本文对CD4011B芯片进行了逆向解析，通过研究掌握了该芯片的设计思想和单元器件结构，对于提高CMOS集成电路设计水平是十分有益的。

2.芯片分层拍照

本文解析的CD4011B芯片是双列直插式塑料封装，共14个管脚，包含四个二输入与非门。根据芯片编号规则判断为CMOS工艺制造。

首先将芯片放到浓硝酸中加热去掉封装，用去离子水冲洗、吹干后在显微镜下拍照铝层照片。再将芯片放到盐酸溶液中漂洗去掉铝层，用去离子水冲洗、吹干后放到氢氟酸溶液中去掉二氧化硅层，经去离子水冲洗、吹干后用染色剂染色，杂质浓度高部分颜色变深，冲洗、吹干后在显微镜下对去铝层（有源层）芯片拍照[5]。

采用图形编辑软件分别对两层照片进行拼接，获得版图照片。

3.单元结构

CD4011B的有铝层和去铝层照片表明芯片四个二输入与非门结构相同，只要分析一个与非门即可。该芯片一个二输入与非门去铝版图照片如图1所示。其中E和F为输入端，L为输出端。

该芯片是P衬底、N外延层和P阱工艺，与非门主要由NMOS和PMOS场效应晶体管构成，静电保护电路由二极管和电阻构成。NMOS和PMOS场效应晶体管如图2所示。

图2 CD4011B芯片场效应管版图

图2的(a)和(b)分别是NMOS场效应管去铝版图和剖面图，该芯片采用铝栅，厚场氧化层作为绝缘隔离。

图2的(c)和(d)分别为一种PMOS场效应管铝层和去铝层，该器件采用叉指结构，目的是既增加栅极的宽度，提高输出电流，又节省了版图面积。

图3(a)和(b)分别是芯片的二极管和电阻去铝版图。二极管采用P阱作为正极，二极管作用是输出和输入端口防静电保护[6]。电阻为基区电阻，基区电阻与N外延层构成同时构成两个二极管。

图3 CD4011B芯片二极管和电阻版图

4.电路图和仿真

根据CD4011B芯片的铝层和去铝层版图照片提取了一个二输入与非门电路如图4(a)所示。

采用Pspice软件对电路图进行瞬态仿真，其中电源电压为5V，输入信号高电平为5V，低电平为0V，仿真结果如图4(b)、(c)为输入端信号，(d)为输出端信号。结果表明该电路实现了与非门的逻辑功能，电路提取正确。

图4 CD4011芯片与非门电路图和仿真图

5.结论

本文采用化学方法对CD4011B芯片进行了分层拍照，提取了电路图，仿真验证正确。从芯片的版图分析，该芯片采用NMOS场效应晶体管、PMOS场效应晶体管、PN结二极管和基区电阻等器件单元，四个与非门版图一致且对称布局。该芯片采用典型的CMOS工艺，为了节省面积采用叉指场效应晶体管，输入和输出端采用防静电保护结构。电路为典型的CMOS与非门电路。该芯片的版图布局体现了设计的合理性和科学性。

[1]雷瑾亮,张剑,马晓辉.集成电路产业形态的演变和发展机遇[J].中国科技论坛,2013,7:34-39.

[2]汪娣娣,丁辉文.浅析我国集成电路布图设计的知识产权保护——我国集成电路企业应注意的相关问题[J].半导体技术,2003,28:14-17.

[3]朱正涌,张海洋,等.半导体集成电路[M].北京:清华大学出版社,2009.

[4]曾庆贵.集成电路版图设计[M].北京:机械工业出版社,2008.

[5]王健,樊立萍.CD4002B芯片解析在版图教学中的应用[J].中国电力教育,2012,31:50-51.

[6]Hastings,A.模拟电路版图的艺术[M].北京:电子工业出版社,2008.