Introduction à la conception de systèmes embarqués

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1 Institut Supérieur d Informatique et de Gestion Introduction à la conception de systèmes embarqués Chapitre 2: Dessin de masques

2 Dessin de masque Définition: Le dessin de masque ou layout consiste à dessiner des couches de matériaux superposées afin de réaliser un circuit sur un substrat de silicium à partir d un schéma CMOS Les couches de matériaux superposées sont séparées les uns des autres par de l isolant Des contacts peuvent exister entre ces couches à travers des sortes de soudures appelées contacts Les couches qui composent un circuit CMOS sont les suivants: 1 ère couche: les zones de semi-conducteurs dopées N et P qui sont enfoui dans le substrat de silicium 2 ème couche: le polysilicium au dessus du substrat 3 ème couche plusieurs niveaux de métallisation superposées et isolées les unes des autres Page 2

3 Les règles d interconnexions Règle 1: dessin des transistors Règle 2: l alimentation et la masse Règle 3: Niveau d interconnexion du polysilicium Règle 4: niveau d interconnexion de la diffusion Règle 5: niveau d interconnexion du métal Polysilicium contact Diffusion N Diffusion P Métal 1 Métal 2 Page 3

4 Règle 1: dessin des transistors Chaque transistor est remplacé par son dessin Polysilicium Diffusion P Diffusion N Substrat Transistor P Transistor N Page 4

5 Règle 2: l alimentation et la masse Signaux communs à toutes les cellules et qui sont en métal Ils Traversent toutes la largeur de la cellule parallèlement pour être propagé automatiquement dans tout le circuit VDD masse Page 5

6 Règle 3: Niveau d interconnexion du polysilicium Il correspond à la connexion grille-grille de deux transistors La connexion se fait en prolongeant le silicium pour chevaucher les deux transistors Page 6

7 Règle 4: niveau d interconnexion de la diffusion Il correspond à la connexion drain-source de deux transistors de même type La connexion se fait en prolongeant la zone de diffusion pour relier les deux transistors Page 7

8 Règle 5: niveau d interconnexion du métal Il correspond à la connexion drain-source de deux transistors N et P On utilise le métal lorsqu il faut connecter deux matériaux semi-conducteur, l un de type N et l autre de type P Page 8

9 Exemple: l inverseur L obtention du dessin de masque à partir du schéma CMOS se fait en utilisant les règles d interconnexions successivement règle1 règle2 règle3 règle5 Page 9

10 Exemple: l inverseur Pour compléter ce dessin de masques il faut envelopper les transistors dans des zones appelées caissons Ces zones sont faiblement dopées par rapport aux zones de diffusion On utilise des contacts de polarisation qui relient l un des caissons à l alimentation et l autre à la masse Les caissons sont dopés avec des polarités opposées à celles des transistors qu elle contiennent Page 10

11 Exemple : l inverseur Contact de polarisation Caisson N Transistor P Transistor N Contact de polarisation Caisson P Page 11

12 Porte NAND A B A B Page 12

13 Porte NOR A B A B Page 13

14 Porte de transmission C E S C Page 14

15 Dessin de masque régulier Les principales règles de régularité sont Règle de collage: Quant un circuit comporte plusieurs portes, on place les dessins des portes ou cellules les uns à côté des autres pour former des bandes de cellules L alimentation et la masse sont en métal et elles sont parallèles et parcourt toute la largeur du circuit Lignes d alimentation Page 15 cellules

16 Dessin de masques régulier Règle des angles: Tous les angles sont droits Règle des entrées: Les entrées de données sont généralement en silicium, et sont perpendiculaires aux alimentations Règle de la bande de diffusion: Les bandes de diffusions sot parallèles aux alimentations Règle d interconnexion entre portes (routage): Le routage entre portes se fait à l extérieur des portes dans des zones appelées canaux de routage (câblage) Les liaisons entre portes se font en métal à l extérieur du dessin des cellules Page 16

17 Règle des entrées VDD masse Page 17 entrées

18 Règle d interconnexion entre portes (routage): Canal de routage bande cellule Page 18

19 Dessin de masques régulier Les entrées en polysilicium sont prolongées au-delà des pistes d alimentation tandis que les sorties sont elles aussi prolongées au-delà des alimentations en métal 2 perpendiculairement aux alimentations Les liaisons entre portes se font en métal à l extérieur du dessin des cellules Ces liaisons sont constitués de segments parallèle aux alimentations qui sont en métal 1, et de segments en métal 2 qui sont perpendiculaires aux alimentations ce qui garantit de pouvoir dans tous les cas connecté deux points quelconques du dessin Le métal1 et le métal2 sont sur des niveaux technologiques différents (isolés) Page 19

20 Exemple : l inverseur A partir du schéma CMOS classique, pour obtenir le dessin des masques, Il faut tout d abord aligner les transistors P et N qui ont la même entrée sur leurs grilles Ce qui permet de prolonger cette entrée sous forme d un rectangle en polysilicium Page 20

21 Exemple: l inverseur Page 21

22 Porte NAND VDD A B sortie A B VSS Page 22

23 Dessin régulier de la porte NAND Page 23

24 Dessin des portes complexes On définit un chemin comme étant un assemblage en série de transistors de même type Avant de commencer le dessin de masques, il s agit de trouver si possible un chemin qui passe par tous les transistors du réseau P ou du réseau N ce chemin est appelé Eurlien Si ce chemin n existe pas, il faut trouver un nombre minimal de chemins pour parcourir tous les transistors ce chemin détermine l ordre des entrées de la porte dans le dessin des masques Page 24

25 Dessin squelettisé D une façon générale, il est recommandé de dessiner d abord le dessin squelettisé pour avoir une vue d ensemble du circuit et de faire le dessin de masque en 2 ème temps Dans l exemple On commence par exemple par le réseau N et on choisit le chemin DCAB Ensuite on vérifie que ce chemin est réalisable dans le réseau P (e qui est le cas) Puis, on commence à dessiner le dessin squelettisé en commençant par exemple par le réseau N : on commence par le transistor D et plus précisément par son extrémité qui est la masse on la relie à la piste en métal de l alimentation Page 25

26 Dessin des portes complexes C 2 1 D y 3 A z 4 B S S x 2 1 D C 3 A 4 B Dessin squelettisé Page 26

27 On chevauche ensuite le polysilicium qui correspondant à la grille du transistor D et on arrive au nœud noté x dans le schéma On chevauche aussi le transistor C pour aboutir au nœud de sortie qu on prolonge en métal jusqu à l extrémité droite du circuit Ensuite, on y descend vers la masse à travers A et on relie son extrémité à la piste de la masse Enfin, on remonte à travers le transistor B vers la sortie qu on relie avec du métal. Page 27

28 Règles Choisir un réseau P ou N, y trouver un chemin qui passe par tous les transistors Vérifier dans l autre réseau qu il existe un deuxième chemin qui passe par les transistors dans le même ordre que ceux du premier Dessiner les pistes de l alimentation et de la masse horizontalement, parallèle entre elles Dessiner les bandes de diffusions P et N toutes deux parallèles aux pistes alimentations Dessiner les entrés en polysilicium verticalement (perpendiculaire aux diffusions), en parallèle et dans l ordre trouvé en 1 Dessiner les interconnexions en métal sans oublier les contacts Page 28

29 Dimension minimale d un dessin Les règles de dessin sont exprimé en fonction d un paramètre λ dont sa valeur caractérise toute une technologie On parle d une technologie dite de «x nanomètre» où x représente la largeur minimale des grilles de transistors qui est le plus petit motif d une technologie λ= x/2 Il existe trois grandes règles de dessin règles de dimensions Règles d espacement Règles de recouvrement Page 29

30 Règles de dimension et d espacement Ces règles précisent les dimensions minimales que peut prendre une piste de chaque constituant d un dessin 2λ 4λ 4λ 4λ 4λ Ces règles spécifient les distances minimales entre les matériaux d un circuit 3λ 3λ 2λ 4λ Page 30

31 Règle de recouvrement Elles spécifient les distances minimales que doivent respecter les matériaux lors des superpositions des différentes couches 6λ 4λ 6λ caisson Page 31

32 Exemple: dessin d un inverseur Dessiner les rectangles horizontaux en partant d abord du haut vers le bas Pour chaque rectangle on choisit la dimension minimale, tout en assurant qu aucune règle n est violée avec les rectangles précédemment dessinés Dans un deuxième temps on dessine les rectangles verticaux en partant de la gauche vers a droite Dans les deux cas, après chaque étape on vérifie qu on n a violé aucune règle En procédant de cette manière on réduit au maximum le risque d avoir à la fin un dessin avec une erreur au milieu du circuit, dans ce cas on doit refaire entièrement le dessin Page 32

33 Dessin de circuits composés de plusieurs portes comparateur 1 bit Le comparateur est un circuit qui comporte deux bits S ils sont égaux la sortie est égale à 1 S ils sont différents la sortie est égales à 0 On déduit de la table de vérité que S = a. b+ab Le dessin de ce circuit est construit avec 4 blocs de dessin, deux blocs pour les deux inverseurs qui calculent a et b Un bloc qui réalisent la fonction y telle que y=(cd+ef) Et enfin, un bloc qui réalise le dernier inverseur pour complémenter la sortie finale On assemble ces 4 blocs en vérifiant les règles de dessins réguliers En d autres termes on place les 4 blocs l un à côté de l autre pour obtenir un dessin rectangulaire Ensuite, on extrait de chaque bloc la sortie en métal 2 parallèlement aux entrées qui sont en polysilicium Enfin, on interconnecte les sorties vers les entrées en métal1 (parallèlement aux alimentations conformément à la dernière règles de dessin régulière Page 33

34 Application a b S A B A Y S Table de vérité B Page 34

35 Dessin de circuits composés de plusieurs portes comparateur 1 bit Les interconnexions ont été faites en haut de dessin des masques du côté du transistor P pour des raisons de clartés Le dessin du circuit est représenté par une description appelé description squelettisé hiérarchique Cette représentation permet de concevoir des dessins complexes sans rentrés dans trop de détails au départ Le circuit est composé de sous circuits qui sont représentés par des boites vides les cous circuits sont eux-mêmes composés de sous circuits qui sont représenté à leur tour par des boites vides Ainsi il est plus facile et plus rapide de concevoir un circuit en différant la conception du dessin des sous circuits Page 35

36 Organisation du dessin pour un comparateur 1 bit Polysilicium Sortie Entrée B Entrée A VDD Page 36 Métal 2 Métal 1 Entrée inverseur Sortie inverseur Entrée inverseur Sortie inverseur Entrée A Entrée B Entrée A Entrée B Sortie Y Entrée inverseur Sortie inverseur

37 Dessin du comparateur S Page 37

38 Schémas logiques du comparateur x y 4 4 Comparateur S Page 38

39 Organisation du dessin du comparateur Dessin du comparateur 1 bit Dessin du comparateur 1 bit Dessin du comparateur 1 bit Dessin du comparateur 1 bit Dessin porte ET 4 entrées Page 39