集成电路版图设计实验指导书样本.doc

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集成电路版图设计实验指导书
实验一 绘制标准逻辑单元版图
实验目的:
了解集成电路版图设计基本原理; 熟悉版图设计软件cadence virtuoso的使用。

实验内容:
学习集成电路版图设计基础; 学习cadence virtuoso基本操作; 绘制完成标准逻辑单元版图。

实验原理:
集成电路版图设计是电路系统设计与集成电路工艺之间的中间环节。经过集成电路版图设计, 将立体的电路系统转变为二维平面图形。利用版图制作掩模板, 就能够由这些图形限定工艺加工过程, 最终还原为基于半导体材料的立体结构。
以最基本的MOS器件为例, 工艺生产出的器件应该包含源漏扩散区、 栅极以及金属线等结构层。按照电路设计的要求, 在版图中用不同图层分别表示这些结构层, 画好各个图层所需的图形, 图形的大小等于工艺生产得到的器件尺寸。正确摆放各图层图形之间的位置关系, 绘制完成的版图基本就是工艺生产出的器件俯视图。
器件参数如MOS管的沟道尺寸, 由电路设计决定, 等于有源区与栅极重叠部分的尺寸, 如图1。其它尺寸由生产工艺条件决定, 不能随意设定。
图1
在工艺生产中, 相同结构层相连即可导电, 而不同结构层之间是由氧化层隔绝的, 相互没有连接关系, 只有制作通孔才能在不同结构层之间导电。与工艺生产相对应的版图中默认不同图层之间的绝缘关系, 因此能够不必画氧化层, 却必须画各层之间的通孔。另外, 衬底在版图设计过程中默认存在, 不必画出。而各个N阱、 P阱均由工艺生产过程中杂质掺杂形成, 版图中必须画出相应图形。

实验步骤:
打开指定电路图, 浏览并简单分析电路结构;
为电路新建版图文件;
根据版图基本原理, 为电路绘制版图。
( 详细内容参考《Cadence virtuoso 使用简介》)

实验报告要求:
应包含对电路功能的简单分析, 以及绘制完成的版图图片。

思考题:
观察《Cadence virtuoso 使用简介》中给出的反相器版图, 思考为什么把两MOS管栅极放在一条直线上, 而不是并排放置。

实验二 简单数字逻辑模块版图设计
实验目的:
了解集成电路版图设计规则; 熟悉版图设计技巧; 掌握基于DIVA的版图验证方法。

实验内容:
学习版图设计规则、 设计方法及相关技巧; 学习集成电路版图验证方法; 完成指定逻辑电路的版图设计及验证。

实验原理:
( 1) 图形尺寸,
版图设计过程中所涉及到的所有图形尺寸, 一方面由电路设计决定, 比如MOS管的沟道尺寸等器件特性参数; 另一方面由工艺生产线提供的DRC ( 设计规则) 文件决定。DRC文件设定了包括最小图形尺寸、 最小图形间距、 图形重叠关系等参数。而不同工艺生产线的DRC文件参数不同。整个版图设计过程必须严格按照DRC文件的参数设定进行。

( 2) 源漏共用,
根据DRC文件, 版图设计中器件之间有最小间隔距离限制, 即使相同类型相同参数的器件之间也必须保持最小间距。而MOS管的结构决定它具有源漏两极可互换的特点。利用这一原理, 能够得出源漏共用的设计方法。
所谓源漏共用, 指当两个不同的MOS管A、 B属于同一类型( 如PMOS) 时, 如果有连接到相同节点的电极( 如源极) , 在版图上就能够将这两个源极画在一起, 即两个MOS管共用同一个源极。如图1。

图1 ( a) 源漏共用前 ( b) 源漏共用后
源漏共用能够有效缩小版图面积, 降低成本。
注意: 由于P型衬底上, PMOS管一般制作在N阱内, 而N阱之间最小间距极大, 因此普通PMOS管的N 阱也要实现共用。制作在P阱内的N管道理相同。

( 3) 棒状图设计,
为了方便地从电路中得到最有效的源漏共用版图, 能够使用”棒状图设计”, 在绘制版图之前先制作一个结构草图。以图2所示电路示意图为例, 利用棒状图设计制作结构草图, 如图3。
图2
图3
因为采用共用区域, 所有P管紧挨在一起, 所有N管也紧挨在一起。因此在图中能够用棒状图形代表有源扩散区( 按照惯例P管在上, N管在下) , 细短线代表栅极。显然, A、 B、 C三对MOS管的有源区相互断开, 没有实现源漏共用, 如果将某一管源漏翻转, 制作如图4的结构图, 即可实现一处源漏共用。
图4
在棒状图中, 也能够将器件按电路图连接, 建立好连接关系示意图, 方便绘制版图。

实验步骤:
浏览电路, 分析电路功能;
制作棒状结构图;
调用NMOS、 PMOS单元版图, 并调整器件尺寸, 为电路绘制版图( 注意衬底电位的连接) ;
利用DIVA工具验证版图。
( 详细内容参考《Cadence virtuoso 使用简介》)

实验报告要求:
应包含对电路功能的简单分析, 绘制完成的版图图片。

实验三 模拟电路版图设计
实验目的:
掌握模拟电路版图设计技巧; 了解集成电路版图基本布线规则。

实验内容:
学习大尺寸MOS管版图画法; 学习集成电路版图布局布线规则; 设计完成两级运放版图。

实验原理:
( 1) 大尺寸MOS管画法,
在集成电路设计中, 要实现大电流的主要方法就是之一就是增大MOS 管沟道宽度, 因此在电路图中常会看到宽长比为10以上甚至100以上的细长管子。以宽长比100的管子为例, 如果沟道长1微米, 则宽100微米, 对于如今的集成电路规模, 100微米是个很大的尺寸。而且由于器件本身的寄生效应, 过长的栅极会导致很大的寄生参数, 影响电路性能。
为了减小寄生参数, 唯一的办法就是缩短版图上的栅极长度。缩短栅极长度不是减小沟道宽度, 而是将一个细长的管子拆分成几段, 比如将100微米长的栅做成4个25微米长。这样, 与原设计的管子相比宽长比不变, 而每个小管子的栅长变为原来的1/4, 寄生参数也变为1/4。在版图上四个栅极并联, 并联后的寄生参数是原来的1/16。
注意: 大尺寸管应单独做好衬底接触, 并与周围器件隔离。

( 2) 叉指结构
这种细长的大尺寸管一般出现在放大电路的输入级, 每两个一组以对管的形式出现。两管被拆分之后将分布在一个矩形区域内。因为不能保证衬底材料在不同位置的性质完全相同, 同时又必须尽量使输入对管特性一致, 做到最大限度的匹配, 因此应设法使拆分后的对管较均匀的分布在这一区域内, 在材料性质上取平均值。
基本方法是使两管拆分后的小管子逐个相邻, 利用源漏共用, 交叉分布, 称为”叉指结构”。如图1。
图1
然而, 基本的叉指结构只能做到器件在区域内轴对称分布, 为了实现更好的匹配效果, 一般要做两组叉指, 使两管拆分后的小管子在矩形区域内形成中心对称的分布。如图2。
图2

( 2) 布局布线
布局: 集成电路版图基本布局规则是PMOS管在上、 NMOS管在下, 夹在一条电源线和一条地线之间, 构成一行。其中要尽量保证电源线平直, 各管子栅极与电源线垂直。并根据电路功能划分模块, 每一模块中除电源和地线外的左右两侧分别作为输入和输出信号线的布线位置。各行依次并列排开, 实现电源线与地线的共用。

布线: 由于不同结构层之间有氧化层隔绝, 两层材料重叠的位置必然形成寄生电容。为减小寄生效应, 相邻结构层中的布线应尽量避免重叠, 更不能平行排布。如定义布局之初MOS管的栅极方向为纵向, 则与之紧邻的第一层金属布线——一铝应采用横向排布。同理, 一铝之上紧邻的二铝应采用纵向排布, 以此类推。
另外, 一铝布线应该尽量在器件周边绕行, 避免跨越器件影响器件性能。

一铝跨越器件

金属线重叠

错误布线 正确布线
图3 图中方框代表器件, 黑线代表金属线

布线时应注意通孔数量。一般情况下, 衬底接触和有源区接触布线需要在整个衬底接触区域内, 保持一定间距, 连续制作一排通孔; 模拟电路部分多晶硅栅引线处, 制作两个通孔; 数字电路部分由于面积限制, 多晶硅栅引线处能够只制作一个通孔; 相邻金属层之间, 如果面积允许, 至少制作两个接触孔。

实验步骤:
浏览电路, 分析电路功能;
规划版图布局;
调用MOS管单元版图, 调整器件尺寸, 绘制大尺寸器件及版图;
完成版图布线;
用DIVA工具验证版图。
( 详细内容参考《Cadence virtuoso 使用简介》)

实验报告要求:
应包含对电路功能的简单分析, 绘制完成的版图图片。

Cadence virtuoso 使用简介
一、 启动软件并浏览电路图
Cadence virtuoso 原是基于linux操作系统的软件, 但为了教学使用方便, 本实验使用虚拟机实现linux以及对Cadence virtuoso的操作。首先启动虚拟机软件, 以及虚拟的linux系统, 系统账号: tang, 系统密码: ictang。
进入系统后, 双击名为”icfb.sh”的图标, 弹出如图1.1所示对话框, 点击”运行”, 启动Cadence软件。
图1.1
启动后, 出现如图1.2所示的窗口, 称为CIW 窗口。
图1.2
在CIW窗口中依次点击”Tools”—”library manager”打开库文件管理器, 并从中单击选择所需的library—cell—view, 双击”schematic”打开目标电路图。例如依次点击LTC3400—inv—schematic, 如图1.3。
图1.3
打开schematic editing 窗口如图1.4, 浏览电路图, 其中l 代表MOS 管沟道长度, w代表MOS管沟道宽度。也能够选择某一器件, 使用快捷键”q”查看属性。经过简要分析之后, 能够开始为电路绘制版图。
图1.4
schematic editing 窗口常见指令及快捷键
指令
快捷键
指令
快捷键
Wire( N…) ( 添加连线)
w
Wire( W…) ( 添加总线)
W
move( 移动)
m
Copy( 复制)
c
Stretch( 拉伸)
s
Property( 查看属性)
q
Zoom in( 放大)
Ctrl+z
Zoom out( 缩小)
Shift+z
Pin( 添加引脚)
p
添加文本
l

二、 绘制版图
2.1. 新建版图文件
在库文件管理器菜单中依次点击file—new—cell view, 出现如图2.1所示的新建文件窗口。注意, 版图文件的library name( 库名) 、 cell name( 单元名) 必须与电路文件相同。点击”tool”右侧的工具选择按钮, 选择”virtuoso”, 点击OK, 完成新文件创立。
图2.1
2.2. 界面介绍
Virtuoso操作界面由两部分组成, 分别是layout editing( 版图编辑窗口) 如图2.2和LSW( 图层选择窗口) 图2.3。
2.2.1. layout editing
对版图的编辑经过一系列指令完成。版图编辑窗口中, 顶端显示文件所对应的库名、 单元名、 文件类型信息。另外, 窗口由三部分组成, 分别是icon menu( 图标菜单) 、 menu banner( 菜单栏) 、 status banner( 状态栏) 。
icon menu( 图标菜单) 位于版图编辑窗口左侧, 列出了常见命令的图标, 只需将鼠标移动到某一图标上, 图标下方就会显示该图标对应的指令。

menu banner( 菜单栏) 位于版图编辑窗口上方, 包含编辑版图所需要的所有指令, 并按相应的类别分组。常见指令及对应快捷键如下表。
指令
快捷键
指令
快捷键
Rectangle( 创立矩形)
r
Polygon( 创立多边形)
P
Chop( 切割图形)
Shift+c
Path( 创立连线)
p
move( 移动)
m
Copy( 复制)
c
Stretch( 拉伸)
s
Property( 查看属性)
q
Ruler( 标尺)
k
清除标尺
Shift+k
Zoom in( 放大)
Ctrl+z
Zoom out( 缩小)
Shift+z
添加文本
l

注意: 指令快捷键操作区分大小写。

status banner( 状态栏) 位于菜单栏上方, 显示鼠标所在位置的坐标、 当前编辑指令等编辑状态信息。
状态栏
菜单栏
图标菜单

图2.2

2.2.2. LSW
LSW, 即layer select window( 图层选择窗口) 。该窗口显示设计版图所用的工艺库文件的位置、 可供选择和当前选中的版图图层, 以及各图层的属性。如图2.3, 显示当前所用工艺库文件位于”MYLIB”目录下, 当前选择的图层为”active”。其中, 工艺库文件在工程创立之初已经确定, 不用再做操作。而可供选择的图层, 根据不同设计需求会有所不同, 并能够自己编辑设定。常见图层名称及其含义如下表。
版图图层名称
含义
Nwell
N阱
Active
有源扩散区( 做MOS的源极和漏极)
Pselect
P型注入掩膜
Nselect
N型注入掩膜
Poly
多晶硅( 做MOS管的栅极)
Cont
引线孔( 连接金属与多晶硅或有源区)
Metal1
第一层金属
Metal2
第二层金属
Via
通孔( 连接第一和第二层金属)
Text
文本标签

可供选择图层
工艺库文件位置
当前选中图层

图2.3

2.3. 绘制版图
以反相器为例, 分别介绍PMOS和NMOS 版图, 及版图设计基本操作。
2.3.1. 绘制PMOS版图
第一步: 绘制有源区。
在LSW 中, 点击active, 即可选中有源扩散区图层, 然后切换至layout editing窗口, 使用Rectangle指令, 根据图1.4中电路图提供的设计参数, 画出长4.2um、 宽3um 的矩形。绘制过程中, 应注意使用ruler指令, 精确量取所需尺寸。
第二步: 多晶硅栅极。
在LSW中, 选择poly层, 并在layout editing窗口中画出长5.4um、 宽0.6um的矩形。有源区与多晶硅栅的位置关系如图2.4。
图2.4
第三步: 表明器件类型。
为了表明所画的是PMOS管, 需要在已完成的图形基础上添加pselect层。绘制pselect层, 使其覆盖整个有源区, 并与有源区边缘相距0.6um, 即覆盖有源区0.6um。
第四步: 制作N阱。
因为芯片生产一般使用P型材料做衬底, 因此, PMOS管必须制作在N阱内, 因此需要在PMOS管版图中添加一层nwell, 使其覆盖有源区1.8um。完成如图2.5。
图2.5
第五步: 衬底连接。
PMOS管衬底必须连接到高电位。因此需要在衬底做通孔, 并用金属线将其连接到电源vdd。首先在nwell 中作边长1.2um 的正方形active, 并绘制nselect覆盖active层0.6u; 然后选取cc在active中心画正方形通孔( 标准尺寸边长0.3um, 不同工艺要求不同) ; 最后选取metal1, 画3um宽金属引线覆盖衬底通孔及nselect。
注意: 半导体衬底材料必须先制作active有源区, 才能经过通孔与金属引线连接。
第六步: 布线。
PMOS管的各个电极都需要连接到相应的输入输出信号和电源上, 就需要进行布线。布线需要在有源区内画出若干通孔。注意, 源区需要覆盖通孔最少0.2um, 且通孔之间间距1um。完成通孔后, 选取metal1, 画两个矩形, 覆盖有源区内的cc通孔0.3um, 并拉伸源极金属线, 使其覆盖衬底通孔。如图2.6
图2.6

2.3.2. 绘制NMOS版图
NMOS版图的绘制与PMOS基本相同。同样从有源区开始, 最后完成衬底连接与布线。不同的是, 因为是P型衬底, 画NMOS管不需要再做P阱。完成的NMOS版图如图2.7。其中有源区长2.1um、 宽3.6um; 栅长0.6um、 宽3.3um; nselect覆盖有源区0.6um。
图2.7

2.3.3. 完成器件连接关系并添加端口
对于反相器, PMOS与NMOS管栅极相连作为输入、 漏极相连作为输出, 因此能够在版图中直接使用poly 和metal1将两管对应电极相连, 完成器件的连接关系。而端口则必须有金属布线。因此, 两管漏极的metal1可直接作为输出端口, 输入端口就需要在两管相连的栅极上做通孔, 使poly覆盖通孔0.3um, 并用metal1进行金属布线。
完成版图绘制后, 如图2.8从LSW 中选择metal1( pin) 。
图2.8
在版图编辑窗口中的菜单栏, 选择create——pin。出现如图2.9的窗口, 开始为版图添加端口。注意, 电源端口与输入输出端口有所不同。
输入输出端口应在”mode”选项后选择rectangle模式, 在create shape pin 窗口编辑。在terminal names ( 端口名) 一栏, 填写与电路图中端口相同的名字; 在I/O type( 输入输出类型) 选项中, 选取与电路图中端口相同的类型。并选择”display pin name”。然后在版图编辑窗口中需要添加端口的位置画一小矩形, 之后再单击一次, 即完成一个端口。这里的端口图层仅表示连线关系, 不生成掩模板, 无所谓规则, 只要与实际版图上的铝线连接即可。
图2.9
添加电源端口需要选择sym pin 模式, 打开create symbolic pin 窗口, 如图2.10。以添加vdd端口为例, 端口名应为”vdd!”, I/O type 选为”jumper”, pin type 选择”metal1”。gnd 端口的设置方法与vdd相同。
另外, 能够在create symbolic pin窗口中选择”shape pin”切换至create shape pin窗口。
图2.10
完整的CMOS反相器版图如图2.11。

图2.11

三、 版图验证与检查
版图的验证有两种模式 DIVA 和 DRACULA, 前者操作相对简单, 后者工作效率较高。两者操作不同, 所使用的规则文件也不同, 应根据实际的工艺库以及模型库提供的规则文件选择相应模式。
本实验采用基于DIVA 的方式。
3.1. DRC
Design rule checking ( 设计规则检查) 。版图的设计必须根据DRC 规则文件进行, 不同工艺的DRC 规则文件不同。比如通孔的大小等尺寸问题以及图形间距, 都由DRC规则文件决定。DRC 是版图设计过程中的必要步骤, 建议完成一部分设计之后就做一次, 分阶段进行。避免完成全图后再做DRC, 错误之间相互牵连不便修改。
DIVA 下的DRC 规则文件名为divaDRC.rul。一般与工艺库文件存放在相同目录。
在版图编辑窗口, 单击菜单verify ——DRC, 弹出DRC 规则检查对话框, 如图3.1。
图3.1
Checking method 指要检查的版图类型, 包括三个可选项:
Flat, 检查版图中所有图形, 不检查子版图模块;
Hierarchical, 利用层次之间的结构关系和模式识别优化, 检查电路中每个单元块内部是否正确;
hier w/o optimization利用层次之间的结构关系而不用模式识别优化, 来检查电路中每个单元块。

Checking Limit能够选择检查哪一部分的版图
Full, 检查整个版图;
Incremental检查自从上一次DRC检查以来, 改变的版图;
by area, 在指定区域进行DRC检查。一般版图较大时, 能够分块检查。
如果选择这种方式后, Coordinate这个输入框就变为可输入。能够在这个框内输入坐标, 用矩形的左下角和右上角的坐标来表示。格式为: 12599:98991 115682:194485。或者先单击Sel by Cursor,然后用鼠标在版图上选中一个矩形, 这个输入框也会出现相应的坐标。如果不出现能够多选几次。

Switch Names
在DRC文件中, 我们设置的switch在这里都会出现。这个选项能够方便我们对版图文件进行分类检查。这在大规模的电路检查中非常重要。本实验中暂不使用。

Run-Specific Command File与Inclusion Limit, 这两项不是必须的, 能够根据默认设定。

Echo Commands选上时在执行DRC的同时在CIW窗口中显示DRC文件。
Rules File指明DRC规则文件的名称, 默认为divaDRC.rul。
Rules Library这里选定规则文件在哪个库里。

Machine指明在哪台机器上运行DRC命令。
local表示在本机上运行。对于我们来说, 是在本机运行的, 选local。
remote表示在远程机器上( 如服务器) 运行。并在Machine文本框中输入远程机器的名字。

填好各个选项及相关信息, 能够开始DRC, 点击OK, 能够在CIW 窗口看到运行信息。如果有错, CIW窗口会提示错误数量及错误类型, 并在版图编辑窗口出现闪烁标记。错误在版图文件中能够看到, 另外也能够选择Verify-Markers-Find菜单来帮助找错。单击菜单后会弹出一个窗口, 在这个窗口中单击apply就能够显示第一个错误。同样, 能够在菜单中选择Verify-Markers-Explain来看错误的原因提示。选中该菜单后, 用鼠标在版图上出错了的地方单击就能够了。也能够选择Verify-Markers-Delete把这些错误提示删除。

3.2. Extractor
Extractor 版图提取, 用来提取版图网表信息。在版图编辑窗口菜单中选择verify-extract 即可打开如图3.2的对话框。
图3.2
Extractor的设置与DRC 基本相同, 可参照图3.2进行设置, 需要注意的是根据实际情况选择switch names。设置完成后, 点OK 开始提取版图网表。提取成功后, 在版图文件的存放目录下, 增加一个文件类型叫extracted的文件, 能够用打开版图文件同样的方式打开它。打开能够看到提取出来的器件和端口, 要看连接关系的, 选择Verify-probe菜单, 在弹出窗口中选择查看连接关系。能够不必查看, 直接进行LVS。

3.3. LVS
Layout vs. schematic comparison( 版图与电路对比) , 检查设计完成的版图是否与原电路相符。在版图编辑窗口菜单中选择verify-LVS 即可打开如图3.3的对话框。
图3.3
注意: 如果之前运行过LVS, 此时会出现一个警告窗口, 如图3.4。在窗口中选择form contents , 然后点OK。

在LVS对话框中create netlist 一栏分为两部分, schematic 和extracted, 分别对应要对比的电路网表和版图网表。单击browse 库文件管理器, 从中点击选择所需的library、 cell、 view, LVS对话框中的相应内容会自动填写。参照图3.3完成设置, 单击”run”按钮, 即可开始LVS验证过程。
数分钟后, 验证完成, 会弹出如图3.5的信息窗口, 显示验证是否成功。
图3.5
如果验证失败, 检查各项设置, 重新开始验证。如果验证成功, 返回LVS窗口, 单击”output”按钮, 查看验证报告。在如图3.6的验证结果窗口中, 首先分别显示电路和版图的网表信息。将窗口右侧的滚动条向下拉, 就能够看到验证结果信息, 包括错误列表以及错误原因。针对各个错误, 检查电路和版图, 修改之后重复整个版图检查验证过程, 直到验证结果中不再有提示错误。
图3.6