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65纳米输入输出单元库研究和开发

作　者: 翁文君
导　师: 洪志良；朱澄宇
学　校: 复旦大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 输入输出单元库 65纳米静电放电防护
分类号: TN402
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

单元库在集成电路设计中是一个重要的组成部分,因为单元库包含了组成集成电路的基本单元,且由于单元库的广泛适用性,良好兼容性和可重复利用性,使得集成电路的设计周期得到了可观的缩短,所以单元库在集成电路设计中已被广泛使用。其中,输入输出单元(I/O)作为连接集成电路主体芯片与外界的桥梁,不仅提供了输出驱动和接收信号功能,而且还能为内部集成电路提供有效的静电防护,是唯一每一芯片都必须用的单元。随着集成电路制造工艺的发展,集成电路的尺寸不断缩小,对输入输出单元库的性能和面积要求越来越高,以适应不同集成电路的功能要求。而且,由于工艺的演进,栅氧的变薄,对输入输出单元库的静电放电防护结构设计提出了新的挑战。如何在输入输出单元有限的面积上,既实现高性能的输入输出功能,又提供强壮可靠的静电放电(ESD)防护成为了一个有意义的研究课题。本沧文采用65纳米互补式金属氧化物半导体工艺,设计并验证一套输入输出单元库,此单元库包含输入输出单元,电源单元,电源分割单元及填充单元等。其中,输入输出单元有多种功能类型可供选择,包括输入单元,输出单元和输入输出双向单元,以达到最优化的版图设计及灵活的芯片布局。其输出单元中可以选择六种输出驱动电流强度,包括2、4、8、12、16、24毫安；输入单元可选择可控或者不可控的上拉或者下拉电阻,以及是否具有施密特触发功能,以提升对输入信号的抗干扰能力。在静电放电防护结构设计上,本单元库采用了新型电阻电容钳位式(RC Clamp)静电防护结构,以达到此深亚微米工艺下快速及有效的静电放电防护。本单元库的版图面积极具竞争力,每个单元尺寸仅为宽30微米,高188微米。本论文在中芯国际65纳米逻辑工艺下设计并制造此单元库,从电路设计,仿真,测试电路设计到流片后测试,实验晶片的测试结果表明此单元库已验证所有预期功能,包括I00MHz下信号输出,信号接收,逻辑控制,以及全晶片静电放电防护,达到HBM>8.0KV, MM>375V的高ESD防护性能。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
第一章绪论  7-12
  1.1 研究动机与目的  7-10
    1.1.1 输入输出接口遇到的挑战  7-8
    1.1.2 ESD遇到的挑战  8-10
  1.2 输入输出库介绍  10-11
  1.3 论文架构  11-12
第二章 I/O设计及ESD防护的研究  12-20
  2.1 JEDEC标准  12-13
    2.1.1 JEDEC逻辑器件标准  12
    2.1.2 EDEC数字电路接口标准  12-13
  2.2 ESD测试模式  13-16
    2.2.1 人体放电模式(HBM)  13-14
    2.2.2 机器放电模式(MM)  14-15
    2.2.3 元件充电模式(CDM)  15-16
    2.2.4 电场感应模式(FIM)  16
  2.3 常用ESD防护元件和电路的研究  16-20
第三章输入输出单元的设计及仿真结果  20-43
  3.1 输入输出单元介绍  20-22
  3.2 直流和交流特性  22-26
    3.2.1 直流特性  22-24
    3.2.2 交流特性  24-26
  3.3 输出级  26-28
  3.4 电平转换器  28-31
  3.5 输入级  31-40
  3.6 上下拉电阻  40
  3.7 前置驱动器  40-42
  3.8 单元版图布局  42-43
第四章 ESD防护电路设计和版图  43-55
  4.1 简介  43-44
  4.2 电源和地单元  44-51
  4.3 电源分割单元  51-55
第五章性能及ESD实验结果  55-66
  5.1 测试芯片的设计  55-56
    5.1.1 性能测试芯片的设计  55
    5.1.2 ESD测试芯片的设计  55-56
  5.2 测试环境  56-57
  5.3 性能测试结果及分析  57-64
    5.3.1 IV特性测试结果  57-60
    5.3.2 AC特性测试结果  60-64
    5.3.3 AC特性测试结果分析及设计改善  64
  5.4 ESD测试结果及分析  64-66
第六章结论与展望  66-68
  6.1 结论  66
  6.2 展望  66-68
参考文献  68-70
致谢  70-71

65纳米输入输出单元库研究和开发

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