1、第7章 版图设计,7.1 版图设计的基本概念 7.2 版图的设计方法 7.3 版图的检查与验证 7.4 制版 7.5 Micro Wind IC版图设计软件,7.1 版图设计的基本概念,简单地说，版图设计是根据电路功能和性能的要求及工艺条件的限制（如线宽、间距、制版设备所允许的基本图形等)，设计集成电路制造过程中必需的光刻掩膜版图。,随着器件特征尺寸的不断缩小，决定芯片速度的主要因素不再是器件本身的工作速度，而是互连线延迟，布线方案将直接影响芯片速度。因此，版图设计在集成电路设计中起着重要的作用。,版图设计-第页,然而一般在版图布局、布线设计中所涉及到的限制条件和评价函数十分复杂而且难以给出明
2、确定义，在利用CAD工具进行处理时，即使对部分问题做了分解，大部分仍然很难处理，求解这些问题所花费的时间按问题的规模指数增长。,7.1 版图设计的基本概念,版图设计-第页,7.2 版图的设计方法,一、版图的自动设计,自动版图设计就是通过相应的CAD软件，将电路的逻辑描述形式自动地转换成版图描述形式，其中逻辑描述可以是由软件指定的逻辑图输入方式，也可以是逻辑综合得到的逻辑网表。 自动版图设计主要包括逻辑划分、布图规划、布局、布线等过程，并允许人工调整，如下图所示。,版图设计-第页,7.2 版图的设计方法,1、逻辑划分,逻辑划分是指将逻辑电路划分成几个功能块，并可以将这些功能块进一步划分为各子功能
3、块，以便于处理，它要求在功能块的面积和端子数满足要求的情况下，使功能块的数目或总的外部连接数最小。 一般的划分算法是通过一定的规则(如布种算法)确定初始划分，然后利用表示迭代改善情况的迭代增益公式进行迭代改善，直到满足给定的条件。划分算法的划分质量很大程度上决定于迭代增益公式的精确度和迭代方法的灵活性。 划分问题是NP完全问题，难以获得最优解，一般只找近似解，但应该是以最小的代价获得尽可能优的解。,版图设计-第页,7.2 版图的设计方法,2、布图规划和自动布局,布图规划是根据电路网表、估计的芯片的大体面积和形状（如高宽比）、各功能块的大体形状面积、功能块的数目、输入/输出数目等，对设计的电路进
4、行物理划分和预布局，一般先进行初始规划(initialize floor plan)，产生输入/输出行，单元区行以及布线网格等，然后进行行调整、芯片面积调整、布线网格调整，并进行预布局，初步确定各功能块的形状面积及相对位置、I/O位置以及芯片形状尺寸，而且可以从总体上考虑电源、地线，数据通道分布(data path plan)。 布局就是根据电路的功能、性能以及几何要求（如布局前规定的版图结构对单元相对位置的要求和单元间布线通道的要求）等约束条件，将各部件放置在芯片的适当位置上，实现芯片面积最小的总体目标。,版图设计-第页,7.2 版图的设计方法,布局方案的优劣一般通过以下三个标准判断：布线总
5、长度最短；布通率达到100，布线密度均匀。 (1)初始布局 初始布局就是根据电路的约束条件，按照布局的总体目标和评价标准，将单元放置在芯片的特定位置。 单元选择 单元安置,版图设计-第页,7.2 版图的设计方法,(2)布局迭代改善 布局迭代改善的典型过程是选择一个单元或单元集，将其位置与有关的侯选位置进行交换，形成新的布局，通过计算对这一布局进行判断，如果得到改善，则以它代替原有布局，否则原有布局不变，直至找不到更好的布局方案为止。 迭代改善后的布局是针对迭代判断条件和终止条件的局部最优解。典型的算法包括成对交换法、邻近交换法、最小切割法、力矢量松弛法等。,版图设计-第页,7.2 版图的设计方
6、法,3、自动布线,布线是指在满足工艺规则和布线层数限制、线宽、线间距限制和各线网可靠绝缘等电性能约束的条件下，根据电路的连接关系将各单元和输入/输出单元用互连线连接起来，并在限定的区域内保证100%布通的情况下，使芯片面积最小。 布线质量的好坏一般由以下几方面来评价：在限定区域内达到100%布通率；布线面积最小；布线总长度最小，以减小芯片面积，还可以降低信号的延迟；通孔数少，通孔是用于连接不同连线层之间的互连的连接孔，限于工艺条件，通孔处容易引起接触不良或断路，为提高电路的可靠性，应尽量降低通孔数目；布线均匀，以保证电路的速度。,版图设计-第页,7.2 版图的设计方法,布线算法很多，主要包括面
7、向线网的串行算法和面向布线区的分级布线算法。 面向布线区的分级布线算法是一种并行算法，通过整体规划，尽量使线网在布线区中的分布或具体的布线达到总体最优或准优。这类算法的特点是总体性强，与面向线网的布线算法相比，处理效率高，有望保证布线质量，是目前普遍采用的一种算法，但该算法对通道形状有一定要求，在适应性方面有一定限制。 采用这种算法时，一般先进行总体布线，将布线区分成若干水平和垂直的布线通道，把线网合理地分配到各布线通道中，避免局部拥挤现象，然后再进行布线通道中的详细布线。 总体布线 通道布线,版图设计-第页,7.2 版图的设计方法,版图设计-第页,7.2 版图的设计方法,二、版图的半自动设计
8、,版图设计是一个由底向上的层级设计过程。对于底层单元，通常采用手工设计优化每个器件的器件参数，以获得最佳性能和最小芯片面积。支持自动版图设计的单元库中的单元就是通过这种方式完成的。但这种技术设计周期较长，因此为了提高设计效率，提出了用符号进行版图设计，既符号式版图设计，与此相对应的CAD软件称为版图的半自动设计软件。 简单地说，利用半自动版图设计软件，设计人员可以在计算机上用符号进行版图输入，以反映不同层版的版图信息，再通过自动转换程序将这些符号转换成版图，并在满足设计规则和保证芯片面积尽可能小的情况下进行版图压缩，这样产生的版图数据便可以送交制版工厂进行制版。,版图设计-第页,7.2 版图的
9、设计方法,三、版图的手工设计,除了上述自动和半自动版图设计方法以外，全人工版图设计在底层单元设计、单元库单元设计及模拟电路设计等方面仍发挥着重要作用。采用这种方法设计电路，对版图结构没有限制，通常可以获得优化设计结果。 版图图形都是由一些基本图形(如矩形、多边形、连线以及某些特殊图形等)组合而成的。设计系统提供强大的图形编辑功能，包括图形的放大、缩小、平移、旋转等几何操作功能和图形的生成、移动、增加、删除、拷贝等功能，来完成各层的版图设计。 值得指出的是，对于自动版图设计系统，有相应的工艺文件和与工艺直接相关的单元库支持；而在进行版图的人工设计时，设计人员必须在一定的设计规则限制下进行设计，考
10、虑线宽、间距，重叠、出头等特定的要求。,版图设计-第页,7.3 版图的检查与验证,通用集成电路目前基本都是以人工设计为主，而自动版图设计由于电学性能和工艺条件的约束往往不能一次得到满意的结果。常常需要人工修改及补充布线。人工的介入不可避免地会出现一些错误。 另一方面，完成版图设计的电路性能由于诸多物理因素的介入，与逻辑设计、电路设计的结果相比会有一定的变化。 因此必须应用CAD软件进行版图检查和验证，主要包括： 几何设计规则检查(DRC)、 电学规则检查(ERC)、 网表一致性检查(LVS)、 电路功能和性能验证(后仿真)。,版图设计-第页,7.3 版图的检查与验证,版图设计-第页,7.3 版
11、图的检查与验证,1、几何设计规则检查 几何设计规则检查是以给定的设计规则为标准，对最小线宽、最小图形间距，最小接触孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠等工艺限制进行检查。 常用的几何设计规则检查程序是DRC程序，它通过线和线之间的距离计算检查出违反设计规则的错误。 用户可以根据具体工艺条件对版图图形的几何限制，按指定的输入语言格式编写DRC检查文件，通过运行DRC程序完成设计规则的检查。,版图设计-第页,7.3 版图的检查与验证,2、电学规则检查 经过几何设计规则检查的电路不一定能正确地工作，还需要进行电路功能和电路性能等行为级分析。电学规则检查界于几何设计规则检查和行为级分析之间，其主要作用是在功能
12、和性能检查前对提取出的电路网表检测出有没有电路意义的连接错误。 电学规则检查不需涉及电路行为，在完成元器件和电路连接关系识别后，针对以下错误进行检查：短路，开路、只有一个引出端的布线、孤立布线、孤立接触孔、非法器件(如接地的负载晶体管、CMOS电路中源接地的PMOS管或源接电源的NMOS管)等。 电学规则检查有相应的程序完成，常用的是ERC程序。,版图设计-第页,7.3 版图的检查与验证,3、网表一致性检查 网表一致性检查是指通过网表提取工具对版图作电路连接复原，然后将提取出的电路网表与从原理图得到的网表进行比较，检查两者是否一致。 网表一致性检查主要用于保证进行电路功能和性能验证之前避免物理
13、设计错误。通常需要先进行网表一致性检查，再进行寄生参数提取。它的功能比ERC强大，可以检查出ERC无法检查出的设计错误，也可以实现错误定位。 网表一致性检查通过LVS工具完成。它是一个同构比较问题，主要需要解决逻辑等价而拓扑不等价问题，并保证网表错误不扩散，当发现不匹配节点时并不影响网表其他部分的比较。,版图设计-第页,7.3 版图的检查与验证,4、后仿真 版图验证的另一个环节是电路功能和性能的验证，必须考虑设计出的版图引入的寄生量的影响，以保证设计出的电路版图能满足电路功能和性能的要求。一般通过后仿真实现，通过参数提取程序提取出实际版图参数和寄生电阻、寄生电容等寄生参数，进一步生成带寄生参数
14、的器件级网表，对此进行模拟分析，即后仿真。 对于数字电路，后仿真可以通过对提取出的带有寄生参数的器件级网表进行开关级模拟或SPICE模拟实现； 对于模拟电路，后仿真一般对提取出的带寄生量的器件级网表采用SPICE模拟实现。,版图设计-第页,7.4 制版,一、制版技术 早期的掩膜版制备技术是先画出比实际掩膜版大几百倍的总图，然后把总图覆盖到红膜上，经过扎孔、刻图、揭膜、初缩照相和分步精缩等工序得到实际掩膜版。 对于大规模电路则难以采用这种方法，必须进行计算机辅助制版。专用制版设备包括光学图形发生器、电子束制版机等。 光学图形发生器是将光通过一个位置和尺寸可变的光阑(能够透光的窗口，在窗口以外的区
15、域，光线则不能通过)，作用在涂有感光胶的铬版上，从而在铬版上获得所需的版图图形。 电子束制版机则是通过计算机控制电子束的扫描进行曝光、制版。电子束制版具分辨率高、精度高等特点，适合于小尺寸集成电路的要求，现在已经成为主流的制版技术之一。,版图设计-第页,7.4 制版,二、版图数据交换的格式 为了便于与制版设备以及其它CAD系统进行数据交换，出现了一些较通用的版图数据交换格式，主要包括GDS-II格式、CIF格式和EDIF格式等。 GDS-II格式进入商用阶段较早，它可以表示版图的几何图形、拓扑关系和结构、层次以及其它属性。作为一种二进制流格式，GDS-II格式占用的空间较少，但可读性较差。 C
16、IF格式是用一组文本命令来表示掩膜分层和版图圆形，可读性强，具有无二义性的语法。通过对矩形、多边形、圆、线段等基本图形的描述，图样定义描述，附加图样调用功能等，可以实现版图图形的层次性描述。由于采用字符格式，CIF格式可以独立于具体机器，可移植性强。,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,Micro wind是CMOS集成电路物理层版图(Layout)设计和性能仿真软件，它包含数字和模拟元件图库、版图编辑器、参数提取分析器及版图仿真器。 使用这个软件可以十分方便地进行IC版图设计教学，对于不具备大型IC设计软件的学生是十分有用的。 Micro wind具有丰富的教学信
17、息，例如，显示PMOS和NMOS管的特性曲线、 器件尺寸、工艺参数；电路中连接线的寄生参数；设计者可以方便地调节所制定的模型参数，在屏幕上直接观察模型对元件特性的影响，并交互显示辅助指导内容。,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,一、进入Micro wind,与Windows下的其他程序一样，软件安装以后，创建Micro wind目录，然后双击“Micro wind”图标就可以运行软件。如图所示，主窗口由版图显示窗口、快捷图标菜单、分层调色板等几部分组成。,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,1、绘制基本版图 以CMOS反相器为例，通过绘
18、制版图学习各种命令的使用。CMOS反相器包括一个NMOS及一个PMOS晶体管。,版图设计-第页,绘制硅栅矩形，先用鼠标点住选定的左上角，然后拖动至右下角。 释放鼠标器，即得到一定尺寸的硅栅矩形图，应使得矩形宽度最小为2，如下图左所示。 按下图右所示的比例继续绘制硅栅层。,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,选择调色板中N+扩散层(绿色)，按图(下)绘制NMOS部分。 选择调色板中P+扩散层(绿色，斜线)，按图(上)绘制PMOS部分。,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,7.5
19、 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,选择调色板中N-阱层，在上图所示的P扩散层周围添置N阱，如下图所示。,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,2、接触窗孔及金属连接线 版图中各层之间是通过SiO2薄层相互绝缘的，它们通过接触孔(Via)进行连接。Via中灌注了金属和扩散层材料，其尺寸由设计规程确定。 Micro wind提供各种预定义Via图，如图所示。,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,例如选择N+/金属接触，出现随光标移动的正方轮廓，将它固定在N+区。同样地，选择
20、P+/金属接触将它固定在P+区。在调色板选择金属层1(蓝色)，即可引出NMOS和PMOS的电极，如图所示。 注意：图中右上角所示连接VDD的接触点，使N区与高电平等电位。,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,3、版图是否符合设计规程 点击设计规程校验器(DRC：Design Rule Checker)图标，扫描设计图，发现错误即用高亮条显示错误性质。只有符合设计规程的版图才能进一步转为制造文件。,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,7.5 Micro Wind
21、 IC版图设计软件,4、性能模拟 仍以上述反相器为例，首先将电源上部PMOS的一个P扩散层接VDD，下部 NMOS的一个N扩散区接VSS，然后定义输入信号端及输出端。,版图设计-第页,点击图时钟，再点击反相器公共栅区，则出现时钟设置对话框，按要求设置脉冲宽度、周期、上升沿、下降沿等参数，以便了解预期的器件特性，如下图所示。,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第页,选择上图最右的图标，定义观察点。应注意，仅当附属的字体为斜体时，方表示该功能被激活。,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,版图设计-第
22、页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,运行仿真,版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,二、Micro wind的一些重要功能,Micro wind具有Windows环境中一般的图形编辑功能，例如：剪切、拷贝、粘贴、放大/缩小、旋转等。重要的是它增加了一些专门用途的条目分别用于编辑器、模拟器和分析器中。 (1)工艺基础(Foundry),版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,(2)自动生成(Generate),版图设计-第页,7.5 Micro Wind IC版图设计软件,(3)2维和3维的剖面图,版图设计-第页,学习重点和作业,1、了解版图设计的基本概念2、掌握版图设计的方法3、掌握版图设计软件的使用,版图设计-第页,作业：画出CMOS反相器的剖面图和版图，并指出剖面图各部分和版图的对应关系。,
