专用集成电路设计实践(西电版)第5章 版图设计.ppt
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1、第5章 版图设计,5.1 版图设计软件使用简介 5.2 版图设计 5.3 版图验证 5.4 版图寄生参数的提取与后仿真,5.1 版图设计软件使用简介 5.1.1 LEdit版图设计软件 LEdit是Tanner公司出品的一款针对版图设计的应用软件,它允许生成和修改集成电路掩膜版上的几何图形。鼠标接口允许用户执行一般图形操作,既可使用鼠标访问下拉菜单,也可以使用键盘来调用LEdit命令。,1.简单介绍 1)鼠标的使用LEdit推荐使用三键鼠标,如果使用两键鼠标,则中键的功能由按下Alt键的同时按下左键来实现。 2)屏幕显示 空格键用于屏幕刷新,而其他键和鼠标任一键可中断屏幕刷新;、用于显示窗口的
2、上、下、左、右移动;“”用于放大屏幕中的内容,而“”用于缩小屏幕中的内容。 3)调整网格点 可通过SetupDesignGrid来调节网格宽度,通常设一个网格为1m。,2.基本命令 1)文件操作命令(File) (1)New:打开一个新的设计文件,单键命令为Ctrl+N。 (2)Open:打开一个已存在的磁盘文件,此文件的格式必须为TDB、CIF或GDS,单键命令为Ctrl+O。 (3)Save:将当前设计保存,单键命令为Ctrl+S。 (4)Close:关闭当前打开着的LEdit设计,单键命令为Ctrl+W。 (5)Quit:退出LEdit,单键命令为Ctrl+Q。,2)编辑命令(Edit)
3、 (1)Undo:取消以前的编辑命令,单键命令为Ctrl+Z。 (2)Cut:将当前选中的目标剪切下来,放入缓冲区paste中,单键命令为Ctrl+X。 (3)Copy:将当前选中的目标复制到缓冲区paste中,单键命令为Ctrl+C。 (4)Paste:将缓冲区paste中的内容恢复到屏幕中,单键命令为Ctrl+V。 (5)Clear:删除当前所选中的目标,与Cut的区别是目标并不拷入缓冲区paste中,单键命令为Ctrl+B。 (6)Duplicate:为当前的所选目标产生一个副本,单键命令为Ctrl+D。 (7)SelectAll:在有效空间中选中所有目标,单键命令为Ctrl+A。,3.
4、设计规则检查DRC 1)DRC的设置 设计规则检查可用Tools的下拉菜单中的DRCSetup命令项进行设置(或点击界面左上方第三个小图标。可以根据不同的设计规则进行调节。 2)运行DRC 完成布线后,应对版图作设计规则检查,其方法是点击Tools的下拉菜单中的运行DRC.命令项(或点击界面左上方第一个小图标,这时就会出现一个确定是否要将错误信息存入一个文件的对话框,点确定按钮后即可得到相关信息。,4.举例 1)模拟电路 如图51所示为一基本差动对电路,输入为UINA和UINB,单端输出为UOUT,Ub1为PMOS管提供电流偏置信号,从而为差动对提供电流源负载。Ub2为最下方的NMOS管提供电
5、流偏置信号,从而为差动对提供恒定的尾电流源。,图51 以PMOS电流源为负载的差动对,如果采用CMOS工艺,则版图层次依次为:N阱确定有源区多晶(MOS管的栅)P+扩散N+扩散引线孔刻蚀金属连线。 其详细步骤如下(工艺设计选择规则): (1)在File下拉菜单中点击New,出现如图52所示的对话框,在File中选择Layout,在CopyTDBsetupfrom中选择已存在的版图文件,点击OK按钮后就会出现一个与选择的版图文件对应的设计界面。,图52 版图文件的选择,(2)在屏幕左侧的版图层次框中选择Nwell,点击BOX快捷键,在界面的相应位置画出一个矩形代表N阱。 (3)在屏幕左侧的版图层
6、次框中选择Active,在N阱中画两个矩形有源区,准备作PMOS管,在N阱外大于5处画三个有源区,准备作NMOS管,有源区的最小距离为3。 (4)在屏幕左侧的版图层次框中选择Poly,在所有有源区中间画一个细的长方形,准备作MOS管的栅,最小宽度为2,栅在有源区的最小伸展为2。 (5)在屏幕左侧的版图层次框中选择PSelect,在N阱中覆盖两个有源区,与有源区的最小间距为2,在阱外也画一块P扩散区,作NMOS管的衬底。,(6)在屏幕左侧的版图层次框中选择NSelect,在阱外覆盖所有NMOS的有源区,并且在阱外相应位置画一块N扩散区,作PMOS管的衬底。 (7)在屏幕左侧的版图层次框中选择Po
7、lyContact,在栅上打接触孔,孔的边长为2;在屏幕左侧的版图层次框中选择ActiveContact,在有源区上打接触孔,孔的边长也为2,孔间距为2;在屏幕左侧的版图层次框中选择OriginLayer,在衬底上打接触孔,孔的边长都是2; (8)在屏幕左侧的版图层次框中选择Metal1,把相应的接触孔连接起来,点击Port快捷键写出输入/输出信号线名。,图53 基于CMOS的差动对版图,2)数字电路 (1)图54所示为一个非门电路。其版图工艺及详细步骤同模拟电路的设计。 完成后的非门版图如图55所示。,图54 非门电路,图55 非门的版图,(2)一位半加器的输入、输出信号的逻辑关系如下:,S
8、UMAB,CARRY=AB,图56 一位半加器的逻辑电路图,图57 一位半加器的版图,设计完成后的版图如图57所示。注意: 画版图时,一定要注意版图层次和工艺几何设计规则。例如:有源区在画多晶层前画出;引线接触孔边长要小,但要大于工艺所要求的最小边长(在规则中为2)。 移动元件用Alt+鼠标左键来实现。 各层的默认习惯颜色分别为: 多晶红色 有源区草绿色 接触孔黑色 N阱土黄色(带网格) P扩散(PSelect)棕红色(带网格) N扩散(NSelect)墨绿色(带网格) 金属连线蓝色,常用版图设计规则有微米规则与规则:前者是以微米为尺度表示版图最小允许值的大小,后者是以为基本单位的几何设计规则
9、,它将版图规定尺寸均取为的整数倍。,表51 规则工艺设计参数,在使用LEdit软件的过程中存在几个突出的概念性误区,下面分三个方面来说明: 版图和工艺之间的关系。有部分初学者认为版图设计就是用几个颜色画一些简单图形,其实在绘制平面版图时,要联系版图在工艺流程中的物理实现过程。图58(a)所示为同一个NPN晶体管版图和工艺剖面图。直观上看这两种表现形式相差甚远,其实它们是同一个器件的两种不同表现形式,存在一一对应的关系。半导体器件是根据版图的设计要求和规则,通过工艺流程分多道工序来达到物理实现的。所以在学习过程中,读者首先要弄明白平面版图和工艺剖面图之间各物理位置上的对应关系。在LEdit软件中
10、各图层的颜色没有实际的物理意义,主要用于方便区分半导体材料的版图层次。建立起这样的基本概念后,才能在集成电路的制造过程中对版图和工艺之间的关系有一个大体的了解。,图58 一个NPN晶体管的版图和工艺剖面图 (a)NPN晶体管版图;(b)NPN工艺剖面图,电路图和版图与生产线之间的关系。在解决了版图和工艺之间的关系后,还有一个重要的概念需要建立,那就是电路图和版图之间的一一对应关系。要学习版图的设计规则,在版图设计规则允许的范围内,要将版图与电路单元一一对应。同时,绘制的版图还要符合工艺生产线的要求,例如0.25m和0.18m工艺线对版图技术的要求是完全不同的概念,用0.18m工艺线设计的版图,
11、在0.25m的工艺线上根本不能使用。这就是要求读者建立的另一个概念,版图是将电路图这一工程语言“翻译”成可以具体指导工艺生产线上生产操作的电路图,完成半导体器件生产的版图工程语言。图59所示为NMOS简单非门版图与其等效电路图。,图59 NMOS简单非门版图与其等效电路图 (a)NMOS简单非门版图;(b)NMOS等效电路图,布局、布线。这阶段经常会遇到管脚线无法引出的问题,即使完成布局,走线也极不合理,这就是所谓的版图设计问题。版图设计不但涵盖电路知识、工艺知识,还涉及丰富的器件性能知识,所以要实现合理的布局、布线就需要反复练习,多看多实践,扎扎实实地掌握版图上的每一个层次和剖面图的对应关系
12、,并理解版图中各层次先后顺序的意义。如果合理布线,可以节省大量的芯片面积。,在学习过程中,读者要按照工艺顺序来进行版图绘制,每画一层都要明白图层的物理含义,这样就可避免漏层、掉层的现象。虽然平面版图的绘制并无先后顺序的要求,但是在工艺实现过程中层次的先后顺序是有物理意义的。例如通过版图制作了7张光刻版,那么这7张版在工艺线上使用的先后顺序是绝对不能错的,必须按照隔离、掺杂(多次)、金属、钝化、封装这样一个工艺流程来进行生产,否则生产出来的肯定是废品。掌握了工艺流程和工艺要求后,读者应先绘制一些简单的单元图,来加深理解电路图版图工艺流程剖面图。只有掌握了这样一个设计过程和相互的对应关系,才能对集
13、成电路设计有更深的了解。,5.1.2 Virtuoso版图设计软件 VirtuosoLayoutEditor是Cadence公司出品的一款针对版图设计的应用软件,本节介绍利用VirtuosoLayoutEditor(以下简称Le)创建全定制版图的过程,以及VirtuosoLe的一些使用说明。这里将以反相器的版图设计为例来说明如何绘制全定制版图,该版图设计过程采用chartered(csm25rf)库标准CMOS工艺库。,具体内容包括: (1)如何打开VirtuosoLe及它的一些设置。 (2)使用LSW窗口。 (3)使用Le创建一个版图。,登录以后,首先创建自己的工作目录,比如Work、cdW
14、ork。从csm25rf库所在文件夹下拷贝display.drf文件到自己的工作目录下,否则在LSW窗口无法显示绘制版图需要的各个图层。从/CDS_ROOT/tools/dfII/cdsuser目录下拷贝.cdsinit文件到自己的目录下,该文件是Cadence自带的软件相关设置的文件,里面有字体的设置、Bindkey设置等。当然也可以单靠鼠标来进行操作,但VirtuosoLe窗口有常用命令的工具栏,熟练运用快捷键比鼠标要快很多。,1.开始设计过程 假如现在有如图510所示的逻辑电路图,技术库为csm25rf,P管和N管采用相同的尺寸,L=600nm,W=3m。 1)运行VirtuosoLe
15、要打开VirtuosoLe,首先要打开CIW窗口。在Shell命令行下输入icfb&后进入CIW窗口,字符&使得Cadence在后台工作(即可以在Shell命令行下执行其他命令)。也可以在Shell提示符下输入其他的命令来打开CIW窗口,如图511所示(在这里也可以输入layout&或者layoutPlus&)。,图510 反相器逻辑图,图511 CIW窗口,图512 LibraryManager窗口,确保csm25rf、basic和analogLib这三个库都已经存在,如果不存在,需要手动添加它们。 小技巧:如果在LibraryManager中发现Library的字体颜色是红色的,就要把该L
16、ibrary删掉,否则会出现一些奇怪的问题。,2)建立自己的工作库 打开VirtuosoLe后,在CIW窗口中选择FileNewNewLibrary建立自己的工作库。在弹出的对话框的LibraryName栏中输入库的名字,比如xd008;在TechnologyFile选项框选择Attachtoanexistingtechfile,点击OK按钮,弹出AttachDesignLibrarytoTechnologyFile对话框,如图513所示。,图513 AttachDesignLibrarytoTechnologyFile对话框,在TechnologyLibrary选项卡中选择csm25rf,按
17、下OK按钮,两个对话框消失。至此,已经建立了自己的工作库xd008,并且它与技术库csm25rf相关联。 在NewLibrary窗口的TechnologyFile选项框中,如果没有现成的技术库,只有相应的技术文件(techfile),那么可以先选择Compileanewtechfile来创建自己的技术库。如果该选项被选上,点击OK按钮后会弹出一个输入ASCII码文件(techfile)的对话框。在该对话框中输入技术文件的完整路径,点击OK按钮,如果没有错误,一个自己的技术库就生成了。,3)创建版图文件 在CIW窗口中选择FileNewNewCellview,打开创建新Cellview的对话框,
18、如图514所示。在LibraryName栏选择xd008,在Tool栏选择Virtuoso,在CellName栏输入inv,然后点击OK按钮。这时会弹出三个窗口,其中一个是Le的窗口,一个是Le的说明窗口,另一个是LSW窗口。,图514 创建新Cellview的对话框,2.相关说明和设置 1)Le及LSW窗口相关说明 版图视窗(VirtuosoLe)打开后,掩膜版图(Le)窗口显现。该窗口由三部分组成:IconMenu、MenuBanner及StatusBanner。 IconMenu(图标菜单)缺省时位于版图图框的左边,列出了一些最常用的命令的图标。要查看图标所代表的指令,只需要将鼠标滑动到
19、想要查看的图标上,图标下方即会显示出相应的指令。 MenuBanner(菜单栏)包含了编辑版图所需要的各项指令,并按相应的类别分组。几个常用的MenuBanner指令及相应的快捷键如表52所示。,表52 MenuBanner常用指令,2)LSW视图的功能 (1)可选择所编辑图形所在的层。 (2)可选择哪些层可供编辑。 (3)可选择哪些层可以看到。 只要在刚才运行icfb的目录中有正确的display.drf文件的拷贝,在LSW窗口就会显示出设计中需要的所有图层。为了简单起见,表53仅列出绘制这个版图所需的最少版图层次。,表53 版图层次说明,3)使用LSW窗口 在LSW窗口的图层栏点击一个图层
20、,比如Metal1,则Metal1为当前图层,在Le窗口就可以画出该层的图形来。 如果只需要显示Metal1层,则先选择Metal1,然后在图层资源的上方选择NV,再用鼠标点击Le窗口,在键盘上按F键,则Le视图窗口就隐藏了其他的图层,这样可以只编辑该图层,而不受其他图层的影响。如果想再多显示另外一层,比如Contact,则用鼠标在LSW窗口点击Contact,然后用鼠标点击Le窗口,按下F键,则Contact层也显示出来了。利用同样的方法,可以显示更多的图层或者任意的一层或几层。当编辑完之后,要回到全部显示时,在LSW窗口选择AV,切换到Le窗口,按下F键,将显示全部图层。,在建立相应的版图
21、的图形后,如果需要编辑新建的图形,可能会遇到这样一个问题:由于设计的版图比较复杂,多个图形叠加到一起,在选择Metal1的一个图形时,不小心选上了P管,而这时如果执行的命令是移动或者拉伸,就有可能造成先前管子的布局和位置的改变,如果是删除则可能会把管子删除掉,这会给设计带来很大的不便。在这种情况下可以通过LSW窗口来控制器件的可选性。在LSW窗口中比较靠上方处点击Show Objects,将其切换为ShowLayers,其中有两个选项inst和pin,如图515所示,默认都被选上,如果不想让器件为可选,则取消inst右边Sel选上标志,同样也可以取消pin的可选性。另外也可以控制哪些图层可以被
22、编辑,方法类似于如何控制图层的显示,其中的选项为NS和AS,通过设置可以选择任意的图层来编辑。,图515 inst与pin选项,4)一些相关的设置 (1)在画版图的过程中出现错误是无法避免的。如果还没保存时发现有错误,却撤销不了,可能是因为没有修改UndoLevel值(默认为1,只能撤销一步操作),并且已经进行了很多步的操作。可以通过在VirtuosoLe窗口中运行DesignDisguardChange来返回到上次保存的状态,不过这个方法有时会浪费较长的工作时间。在CIW窗口中选择OptionsUserPreferences,在弹出的对话框中把UndoLevel改为最大10。在绘制版图的过程
23、中,如果有错误操作,则在还没保存的情况下可以通过撤销命令(Undo)来撤销10步以内的操作。UserPreferences的设置窗口如图516所示。在CommandControls中把OptionsDisplayedWhenCommandsStart设置为on,则每执行一个命令,其相应的对话框就会出现。在这种情况下,就可以对命令的一些参数进行设置,也有利于更好地了解一些常用的命令。,图516 UserPreferences的设置窗口,(2)在Le菜单栏中,选择OptionDisplay(快捷键E)打开DisplayOptions对话框,如图517所示。 在DisplayLevels中把From
24、0To0改为From0To23(或者其他的大于零的数)。该选项设置用来显示器件的深度,如果不改,将无法看到调用的器件的内部结构。在MinorSpacing中填入0.1,在MajorSpacing中填入0.5,在XSnapSpacing中填入0.01,在YSnapSpacing中填入0.01。这些设置有利于编辑时的图形对准,其值在需要的时候可以设置得更小。其他选项保持默认状态。,图517 DisplayOptions对话框,(3)选择OptionLayoutEditor(快捷键Shift+E),在LayoutEditorOptions对话框中取消其中的GravityOn选项,点击OK按钮。请务必
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