SN7400芯片版图的逆向解析研究

　　摘要：本文逆向解析SN7400芯片。介绍了芯片分层拍照的方法，芯片的工艺，版图单元的结构分析。从芯片版图中提取电路图，采用电路模拟软件进行了仿真研究，证明电路逻辑关系正确性。说明了逆向解析研究对于集成电路设计的重要性。

　　1.引言

　　随着我国微电子产业的蓬勃发展，集成电路自主设计需求迅速增加。集成电路设计分为正向设计和逆向设计。正向设计是根据芯片的功能要求设计电路，仿真验证后进行版图设计，再进行设计规则检验、电路和版图比较检验，进行后仿真检验。逆向设计是首先对已有的芯片采用化学方法进行分层拍照和提取纵向参数。从版图照片上提取电路，仿真验证后，根据现有的工艺条件，借鉴解析版图进行版图设计，终达到指标要求。集成电路版图设计是科学性和艺术性的结合，需要长期的实践才能设计出产品，为了节约成本和学习先进经验，经常需要研究性能优良芯片的版图结构，相互借鉴，提高产品质量。

　　本文对SN7400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，对于双极型集成电路设计是十分有益的。

　　2.芯片分层拍照

　　本文解析的SN7400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双极工艺制造。

　　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。

　　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

　　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无铝版图照片如图1所示。其中1A和1B为输入端，1Y为输出端。

　　

　　该芯片是P衬底和N外延层，与非门主要由NPN晶体管、电阻和二极管构成。NPN晶体管结构如图2所示。

　　图2 （ a ）和（ b ）分别为纵向N P N晶体管版图和剖面图。纵向NPN晶体管由于性能比PNP晶体管好，因此是双极工艺的主要使用晶体管。隔离区为P+注入，采用结隔离技术，隔离区接低电平，保证隔离区反偏。图2（c）为二发射极NPN晶体管版图，作为与非门的输入端，这种设计既减少了面积又提高了输入晶体管匹配度。图2（d）为隔离岛合并器件版图，是由一个NPN晶体管、一个二极管和一个基区电阻构成，该设计减少了版图面积和寄生参数。

　　

　　图3为电阻和二极管版图。图3（a）为基区电阻的版图，集成电路电阻的阻值是通过方块电阻计算的，基区方块电阻典型值为100~200Ω/,电阻越长阻值越大，电阻越宽阻值越小。图3（b）为二极管版图，外延层隔离岛为N区，隔离区为P区。

　　

　　4.电路图和仿真

　　根据S N 7 4 0 0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3.5V,低电平为0.2V,仿真结果如图4（b）所示。结果表明该电路实现了与非门的逻辑功能，电路提取正确。

　　

　　5.结论

　　本文采用化学方法对SN7400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NPN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。该芯片采用典型的双极工艺，为了节省面积采用共用隔离区方法，为提高匹配度采用多发射极晶体管。电路为典型的TTL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。（作者：王健，陈旭峰，徐洪伟）