朱平-实验--Tanner-L-Edit设计入门

集成电路版图设计入门,朱平电话：3923020中北大学,主要内容：,概念版图设计入门版图设计规则基本工艺层版图简单逻辑门(反相器)的版图设计,概念-版图设计,定义：版图设计是创建工程制图（网表）的精确的物理描述过程，而这一物理描述遵守有制造工艺、设计流程以及通过仿真显示为可行的性能要求所带来的一系列约束。,双极集成电路版图设计,MOS集成电路版图设计,电压比较器,运算放大器,版图设计流程,流程的定义：流程是一系列有效方法的集合，应用这些方法，可以实现和验证一个设计思想的有效描述，使最终的结果显示出预期功能的适当特性。全定制：起因于设计工程师对设计的所有方面有完全定制的自由。,模拟版图设计流程,电路输入,规范,电路验证,版图验证,版图参数提取,版图输入,实现,版图设计入门,版图设计的定义,版图（layout）：,版图是集成电路从设计走向制造的桥梁，它包含了集成电路尺寸、各层拓扑定义等器件相关的物理信息数据。集成电路制造厂家根据这些数据来制造掩膜。,版图设计：,版图设计是创建工程制图（网表）的精确的物理描述过程，即定义各工艺层图形的形状、尺寸以及不同工艺层的相对位置的过程。,版图设计入门,版图设计的内容,设计内容：,布局：安排各个晶体管、基本单元、复杂单元在芯片上的位置布线：设计走线，实现管间、门间、单元间的互连尺寸确定：确定晶体管尺寸（W、L）、互连尺寸（连线宽度）以及晶体管与互连之间的相对尺寸等,版图设计入门,版图设计的目标,设计目标：,满足电路功能、性能指标、质量要求尽可能节省面积，以提高集成度，降低成本尽可能缩短连线，以减少复杂度，缩短延时、改善可靠性,版图设计入门,EDA工具的作用,版图编辑（LayoutEditor）,规定各个工艺层上图形的形状、尺寸和位置,布局布线（Placeandroute）,给出版图的整体规划和各图形间的连接,版图检查（LayoutCheck）,设计规则检验（DRC,DesignRuleCheck）电气规则检查（ERC,ElectricalRuleCheck）版图与电路图一致性检验（LVS,LayoutVersusSchematic）,版图设计入门,EDA工具种类,目前很多集成电路的设计软件都包含有设计版图的功能，如：Cadence公司的VirtuosoLayoutSynopsys公司的ColumbiaMentorGraphics公司的ICStationSDLTanner公司的L-edit中国华大的熊猫系统,版图设计入门,TannerPro工具界面,版图设计入门,L-Edit工具界面,菜单栏工具栏定位区选择图形区域：选择所需要的图形，当你选择矩形时，那么移动鼠标时将会绘制出矩形的图形，可根据自己的需要选择适合的图形形状。图层区：包含所需要的图层，不同的颜色和形状，如红色代表多晶硅，当需要画栅极时就可以用鼠标选中红色方块，或者在上面的下拉栏内找到poly,鼠标就会选到代表poly的图层。鼠标栏绘图窗口状态栏,编辑绘图菜单的使用,DrawNibble淘空DrawMerge融合DrawSliceHorizontal水平切割DrawSliceVertical垂直切割EditObject(s)编辑对象EditDuplicate复制DrawNudge轻推,设计参数的设置SetupDesign,该对话框共有六页，分别是：Technology(工艺参数)、Grid(网格参数)、Selection(选择参数)、Drawing(绘图参数)、Curves(曲线参数)、Xreffiles(外部交叉引用参数)网格分为显示网格、鼠标网格（跳跃、平滑）、定位器网格,版图设计入门,版图设计流程（1）,一个完整电路的版图设计一般包含以下几步：1新建一个库（Library）并给该库指定一个相应的工艺文件（该工艺文件建立了版图与工艺的对应关系）。2.在新建的库中新建单元（Cell）。Layout工具支持版图的分层设计，设计者可以按功能划分整个电路，对每个功能块再进行模块划分，每一个模块对应一个单元，从最小模块开始，到完成整个电路的版图设计，设计者需要建立多个单元。,版图设计入门,版图设计流程（2）,3调用元件库中的基本元件在每个模块单元中进行版图编辑，有时要调用其它设计者的单元。然后在不同的层内进行元器件和子单元之间的连接。4执行DRC(DesignRuleCheck)程序，对每个单元版图进行设计规则检查，并修改出错处。在版图的编辑过程中需要不时的进行设计规则检查来发现设计中的错误。运行DRC，程序就按照Diva规则检查文件运行，发现错误时，会在错误的地方做出标记（Mark）,并且做出解释（Explain）。设计者就可以按照提示来进行修改。,版图设计入门,版图设计流程（3）,5执行L-Edit程序，对版图进行包括电路网络拓扑结构、元件及其参数的提取。上面步骤4中的设计规则检查只检验几何图形是否符合设计规则，而在电路方面的可能错误。6执行LVS（Layout-vs.-Schematic）程序，将提取出的版图与电路图进行对照，并进行修改，直到版图和电路图完全一致。,版图设计入门,版图设计流程（4）,7连接各单元模块最终完成整个电路的版图设计并执行4、5、6所述的步骤。8要制作该电路的芯片还应该在版图的外围布上焊盘。一个设计好的集成电路应该有足够的焊盘来进行信号的输入/输出和连接电源电压及地线。此外集成电路必须是可测的。最后的测试都是将芯片上的输入/输出焊盘和测试探针或封装线连接起来。9生成tdb格式的文件。确认版图设计无误后将版图生成tdb文件。这种文件是国际通用的标准版图数据文件格式。芯片制造厂家根据tdb文件来制作掩膜，制造芯片。,版图设计入门,曼哈顿形状,EDA工具允许画各种形状的图形，但大多数版图设计成为直角三角形的组合，称之为“曼哈顿几何形状”,版图设计入门,双极工艺层,版图设计入门,CMOS工艺层,版图设计入门,典型MOSFET版图,注意同工艺过程相结合来理解版图设计,版图设计入门,CMOS掩膜版图,版图设计入门,0.25umCMOS掩膜版次,版图设计入门,一种CMOS反相器的版图,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（1）,一.画pmos的版图,1.画出有源区2.画栅,0.6um,0.6um(gatewidth),1.5um,3.6um,6um(gatewidth),版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（2）,3画整个pmos:为了表明我们画的是pmos管，我们必须在刚才图形的基础上添加一个pselect层，这一层将覆盖整个有源区0.6u。接着，我们还要在整个管子外围画上nwell，它覆盖有源区1.8u。,pselect,nwell,0.6um,1.8um,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（3）,4衬底连接:pmos的衬底（nwell）必须连接到vdd。首先，画一个1.2u乘1.2u的active矩形；然后在这个矩形的边上包围一层nselect层（覆盖active0.6u）。最后将nwell的矩形拉长这样一个pmos的版图就大致完成了。接着我们要给这个管子布线,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（4）,二.布线,pmos管必须连接到输入信号源和电源上，因此我们必须在原图基础上布金属线。1.首先我们要完成有源区（源区和漏区）的连接。在源区和漏区上用contact（dg）层分别画三个矩形，尺寸为0.60.6。注意：contact间距为1.5um。2.用metal1（dg）层画两个矩形，他们分别覆盖源区和漏区上的contact，覆盖长度为0.3um。3.为完成衬底连接，我们必须在衬底的有源区中间添加一个contact。这个contact每边都被active覆盖0.3um。4.画用于电源的金属连线，宽度为3um。将其放置在pmos版图的最上方。,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（5）,布线完成后的版图为:,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（6）,三.画nmos管,绘制nmos管的步骤同pmos管基本相同。无非是某些参数变化一下。下面给出nmos管的图形及一些参数，具体绘制步骤就不再赘述。,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（7）,四.完成整个非门的绘制及绘制输入、输出,1新建一个cell。将上面完成的两个版图拷贝到其中，并以多晶硅为基准将两图对齐。然后，我们可以将任意一个版图的多晶硅延长和另外一个的多晶硅相交。2.输入：为了与外部电路连接，我们需要用到metal2。但poly和metal2不能直接相连，因此我们必须得借助metal1完成连接。具体步骤是：a.在两mos管之间画一个0.60.6的contactb.在这个contact上覆盖poly，过覆盖0.3uc.在这个contact的左边画一个0.6乘0.6的via，然后在其上覆盖metal2（dg），过覆盖0.3ud.用metal1连接via和contact，过覆盖为0.3u,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（8）,3.输出：同输入类似,先将两版图右边的metal1连起来（任意延长一个的metal1，与另一个相交）。然后在其上放置一个via，接着在via上放置metal2。,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（9）,版图设计入门,CMOS反相器的版图绘制（10）,五.作标签,1.在LSW中选择层次text，点击create/label，在弹出窗口中的labelname中填入vdd！并将它放置在版图中相应的位置上。2.按同样的方法创制gnd！、A和Out的标签。,至此，我们已经完成了整个反相器的版图的绘制。下一步将进行DRC检查，以检查版图在绘制时是否有同设计规则不符的地方。,版图设计入门,两个nFET串联,两个串联的nFET(有1个n+区被共享),版图设计入门,3个nFET串联,三个串联的nFET(有2个n+区被共享),技巧：能共用的区域一定要共用，共用n+或p+区优先于共用栅区,版图设计入门,2个nFET并联,版图设计入门,非门：方案1,版图设计入门,非门：方案2,版图设计入门,非门：方案3,版图设计入门,非门相邻,两个独立非门相邻,共享电源、共享地,版图设计入门,非门串联,两个非门串联,共享电源、地、源、漏,版图设计入门,传输门,带反相驱动器的传输门,版图设计入门,NAND2,版图设计入门,NOR2,版图设计入门,NOR3/NAND3,注意AND与OR电路与版图的对称性,设计规则,什么是设计规则,设计规则（DesignRule）,因IC制造水平及物理极限效应对版图几何尺寸提出的限制要求是各集成电路制造厂家根据本身的工艺特点和技术水平而制定的。设计人员与工艺人员之间的接口与“协议”版图设计必须无条件的服从的准则,设计规则,设计规则与性能和成品率的关系,由于器件的物理特性和工艺的限制，芯片上物理层的尺寸进而版图的设计必须遵守特定的规则。严格遵守设计规则可以极大地避免由于短路、断路造成的电路失效和容差以及寄生效应引起的性能劣化。一般来讲，设计规则反映了性能和成品率之间可能的最好的折衷。规则越保守，能工作的电路就越多(即成品率越高)。规则越富有进取性，则电路性能改进的可能性也越大，这种改进可能是以牺牲成品率为代价的。,设计规则,设计规则分类,拓扑设计规则（绝对值）,最小宽度最小间距最短露头离周边最短距离,设计规则（相对值）,最小宽度w=m最小间距s=n最短露头t=l离周边最短距离d=h,由IC制造厂提供，与具体的工艺类型有关，m、n、l、h为比例因子，与图形类形有关,设计规则,宽度规则（widthrule）（1）,宽度指封闭几何图形的内边之间的距离,最小宽度最大宽度,设计规则,宽度规则（widthrule）（2）,TSMC0.35umCMOS工艺中各版图层的线条最小宽度,设计规则,间距规则（Separationrule）（1）,间距指各几何图形外边界之间的距离,同一工艺层的间距(spacing),不同工艺层的间距(separation),设计规则,间距规则（Separationrule）（2）,TSMC0.35umCMOS工艺版图各层图形之间的最小间距,设计规则,交叠规则（Overlaprule）（1）,交叠有两种形式：（1）一几何图形内边界到另一图形的内边界长度（intersect）（2）一几何图形外边界到另一图形的内边界长度（enclosure）,intersect,enclosure,A,B,设计规则,交叠规则（Overlaprule）（2）,TSMC0.35umCMOS工艺版图各层图形之间的最小交叠,设计规则,最小宽度与最小间距（1）,设计规则,最小宽度与最小间距（2）,设计规则,距离周边最小距离,设计规则,最短露头,设计规则,通孔与接触孔,设计规则,层间互连约束,Metal2不能直接接有源区、多晶硅,Metal1、Metal2、poly不能直接对准,设计规则,工艺误差,工艺误差,显影：光衍射导致边缘模糊化刻蚀：横向刻蚀，使边缘加粗注入：横向注入导致n+/p+区沿水平方向有不期望的扩大,刻蚀限制最小宽度,设计规则,物理极限,物理极限,串扰：导线过细及间距过短，会使相邻导线发生电耦合电迁移：铝条过细及间距过短，电迁移作用更明显,横向注入限制了有源区间距,设计规则,常见工艺误差,设计规则,违背设计规则带来的误差（1）,若两层掩膜未对准会产生问题，如金属塞图形与n+区未对准会导致n+有源区与p型衬底之间发生短路,设计规则,违背设计规则带来的误差（2）,符合设计规则,符合设计规则,不符合设计规则源、漏短路,不符合设计规则源、漏变窄,设计规则,违背设计规则带来的误差（3）,符合设计规则,不符合设计规则有源区接触不良,设计规则,违背设计规则带来的误差（4）,接触孔下不得有多晶或有源区边缘,设计规则,设计规则实例,HG工艺是一种晶体管耐压为4.5V（指Bvceo的最小值）、提供了两种多晶硅、采用了沟槽隔离技术的纯双极工艺。该工艺中提供的晶体管具有很高的开关速度。适合于900MHz到2.4GHz射频电路的加工制造，例如低噪声放大器、合成器、手机射频电路、无线局域网和高速逻辑电路等。这种工艺有下面一些主要特性：集成电感截止频率Ft为350MHz的横向pnp管变容二级管三种多晶硅电阻：LoP:155+20LoN:110+20HiP:1.4+0.2K双金属电容截止频率Ft为22GHz的npn管等,Tanner版图流程举例（反相器）,集成电路设计近年来发展相当迅速，许多设计需要借助计算机辅助设计软件。作为将来从事集成电路设计的工作人员，至少需要对版图有所了解，但是许多软件（如cadence）实在工作站上执行的，不利于初学者。L-Edit软件是基于PC上的设计工具，简单易学，操作方便，通过学习，掌握版图的设计流程。,TannerPro简介：TannerPro是一套集成电路设计软件，包括S-EDIT，T-SPICE，W-EDIT，L-EDIT，与LVS，他们的主要功能分别如下：1、S-Edit:编辑电路图2、T-Spice:电路分析与模拟3、W-Edit:显示T-Spice模拟结果4、L-Edit：编辑布局图、自动配置与绕线、设计规则检查、截面观察、电路转化5、LVS：电路图与布局结果对比,设计参数的设置SetupDesign,该对话框共有六页，分别是：Technology(工艺参数)、Grid(网格参数)、Selection(选择参数)、Drawing(绘图参数)、Curves(曲线参数)、Xreffiles(外部交叉引用参数)网格分为显示网格、鼠标网格（跳跃、平滑）、定位器网格,设计规则的作用,设计规则规定了生产中可以接受的几何尺寸的要求和达到的电学性能。对设计和制造双方来说，设计规则既是工艺加工应该达到的规范，也是设计必循遵循的原则设计规则表示了成品率和性能的最佳折衷,设计规则的设置,(一)、设计的类型MinimumWidthExactWidthNotExistSpacingSurroundOverlapExtensionDensity,（1）MinimumWidth,该层上所有object在任意方向上的宽度,(2)Exactwidth,该层上所有object在特定方向上的准确宽度,（3）NotExist,在指定的层上，所有object都不能存在.这是唯一不含距离的规则,（4）Spacing,在指定的层上或者在指定的两层之间的object的最小间距,（5）Surround,一个层上的物体，在每个方向上，被另一层上的物体至少要环绕x各单位,（6）Overlap,一个层上的物体必须与另一个层上的物体交叠的最小尺寸。Objectswhichoverlapmorethanthespecifieddistanceorwhoseedgescoincidearenotconsideredinviolationofoverlaprules.重叠大于规定距离或边缘重合都不算违规,（7）Extension,一个层上的物体必须超过另一个层上的物体的边界的最小尺寸。当：距离超过指定数字、只有一边刚好重合，其他都在物体之外、被完全surround的时候，不算是违背规则.,（8）Density,ThedensityrulefindsandflagsobjectsonthederiveddensitylayerspecifiedinLayer1.ThelayerspecifiedmustbeaDensitytypederivedlayer.Violationstotheruleincludeanypolygonsoutputtoadensitylayer.按照规则，查找layer1下拉选框中制定的密度推导层中的对象，并对其加以标志。Layer1下拉选框中制定的图层必须是密度类型的推导层。如有多变性输出到密度层，就构成违规。,（二）例外情况的忽略（ignore）,采用此来设置一些可以忽略的情况，对于特定的规则设置才有用。,Coincidences边界一致的可以被忽略.SurroundIntersections物体之间交叉的.Surround、Iflayer2completelyencloseslayer1Spacing45degreeacuteangles物体部分包括45(或更小）MinimumwidthSpacingSurround,L-Edit画版图的详细步骤1、将屏幕改为256色，打开L-Edit程序，系统自动将工作文件命名为Layout1.sdb；2、选择saveas命令，将文件另存为新文件名；3、取代设定：选择Replacesetup命令，进行设计规则取代(如果用其他设计规则，可以输入设计规则)；4、编辑组件，进行环境设定：选择setupdesign命令对单位格点等进行设定；5、选取图层;6、选择绘图形状;,7、设计规则检查;8、检查错误：选择fileopen命令打开错误记录文件cell0.drc进行查看错误,利用toolsclearerrorlayer命令可清除错误符号;9、移动对象：利用alt加鼠标拖曳的方式修改对象的大小;,1、将屏幕改为256色，打开L-Edit程序，系统自动将工作文件命名为Layout1.tdb并显示在窗口的标题栏上。,2、选择saveas命令，将文件另存为新文件名；,3、取代设定：选择Replacesetup命令，进行设计规则取代；,4、编辑组件，进行环境设定：选择setupdesign命令对单位格点等进行设定；,5、选取图层：,6、选择绘图形状：,7、设计规则检查：设计规则检查,8、检查错误：选择fileopen命令打开错误记录文件cell0.drc进行查看错误,利用toolsclearerrorlayer命令可清除错误符号;,9、移动对象：利用alt加鼠标拖曳的方式修改对象的大小;,PMOS版图举例,简单PMOS的版图,画PMOS版图的详细步骤：,1、将屏幕改为256色，打开L-Edit程序，系统自动将工作文件命名为Layout1.sdb；2、选择saveas命令，将文件另存为新文件名；3、取代设定：选择Replacesetup命令，进行设计规则取代；4、编辑组件，进行环境设定：选择setupdesign命令对单位格点等进行设定；5、选取图层：在左边有个图层面板，可以选择要药绘制的图层；6、绘制NWell：L-Edit编辑环境假设是P衬底，所以可以直接绘制NWell区域；,7、绘制Active图层，即工作区；8、截面观察：选择命令toolscross-section命令，可以模拟在基板上根据版图制作出来的结果；9、设计规则检查：版图必须配合设计规则进行绘制，利用DRC可以确保流程效率。10、绘制PSelect图层：定义P型掺杂的范围，PSelect图层和Active交集处定义为pdiff；11、绘制poly图层;13、绘制Metal1图层;进行DRC检查后保存结果.12、绘制ActiveContact图层：用来作源/漏信号外接连线;,6、绘制NWell：L-Edit编辑环境假设是P衬底,所以可以直接绘制NWell区域；,7、绘制Active图层，即工作区；8、截面观察：选择命令toolscross-section命令，可以模拟在基板上根据版图制作出来的结果；,9、设计规则检查：版图必须配合设计规则进行绘制，利用DRC可以确保流程效率。,10、绘制PSelect图层：定义P型掺杂的范围，PSelect图层和Active交集处定义为pdiff，设计里有源区后，需要加上Nselect或Pselect与Active图层重叠；,11、绘制poly图层;,12、绘制ActiveContact图层：用来作源/漏信号外接连线;,13、绘制Metal1图层;进行DRC检查后保存结果.,如何画版图-用反相器为例说明,电路图,第一步：画P扩散和N扩散,NoticeSpacerequestbetweendiffs.AboutABboxan