实验二-反相器版图绘制

1、实验二、版图基础一、实验内容1、熟悉cadence定制设计软件平台的基本界面与使用、设计文件组织方式。2、了解工艺文件、版图设计等的人致概念，熟悉cadence软件版图设计相关的功能。3、绘制反相器版图二、Cadence定制软件平台的基本界面与使用1、进入cadence软件按照实验一中的说明依次启动VMWARE、LmuxAS4虎拟机、然后打开一个终端窗II。在终端中输入以卜命令:icfb/岀现的主窗II如图1亠1所示:主菜单命令行伫息窗I1CIW图2-2-lCandence主窗II注意以下几个事项：（1）输入icfb/后，终端窗II的前台由丁在运行该cadence软件，不再接受新的命令。如果要

2、在终端窗II中运行其他命令，可以重新打开一个终端，或者使用命令bg将cadence软件转入后台运行，这时原來的终端窗I1就可以重新接受命令了。ctrl+z（同时按Ctrl键和字母z键）bgIs可以看到Is命令可以执行了。或者可以在启动icfb软件时用icfb&/代替icfb&/,则可以在启动时自动进入后台状态。可以尝试打开和关闭icfb几次，实验bg,&等的效果（2）主窗II分为信息窗IICIW、命令行以及主菜单。信息窗II会给出一些系统信息（如出错信息，程序运行情况等）。在命令行中可以输入某些命令。2、设计文件组织结构与主窗II菜单设计文件组织结构Cadence的设计文件组织分为设计库（li

3、brary）、类（category,【叮以不用）、单兀（cell）、视图（view）四级。并在库定义文件cds.lib中进行定义设计坏境中可见的设计库。cds.lib|libraiyl|celll|一viewl|-iew2III一|I-viewN|I-cell2|一viewl|-xiew2TOC o 1-5 h zIII-|-viewN|libraiy?|celll|一viewl|-xiew2III-|-viewN|I-cell2|一viewl|-xiew2III-|viewNlibrary（库）是一组设计单元的集合，存放一些单元（cell）。一个单元是由多种视图（view）组成的。单元可以是

4、一个简单的单元，像一个与非门，也可以是比较复杂的单元（由子单元组合而成）。View是某一个单元的不同表示形式，例如常用的schematic是单元的电路图，symbol是单元的符号,layout是单元的版图等等。操作：打开软件后，在主窗口中点选tooZlibraryManager,观察设计数据的组织结构；选中某个library中一个cell的一个view，打开査看，然后关闭LibraryManager:WorkArea:/rootAleEditViewDesignManagerndedhostlocicfb&hostlochostlochostlochostlochostlochost.lot?

5、ocurrenhostlocLibraryCellView0currenhostlococurrenkfExanpLesUS_8thsabcahdlLibanalogLibbasiccdsDefTechLibC3mc_tffunctionalreEWinrfExvwplerfLibtesttest2J：F_exampleschenatic卜ENDOFILoa.dinStales.劇加L、MessagesfileisM/root/LibManagerLog-.MouseShowCategoriesShowFiles査看主窗口的菜单点选各个菜单，看一下每个菜单下面大致有哪些子条目。例女II在Fil

6、e菜单卜，主要的菜单项有New、Open、import、export、re&esh、Exit等。例女IINew菜单项的子菜单卜有Library、Cellview两项。Library项打开NewLibraiy窗II,Cellview项打开CreateNewFile窗II:open菜单可以选择打开某一个设计，通过librarymanager也可以达到同样的目的；impoitexport用J：将设计数据导入/导出该cadence设计坏境；其他各个菜单项就不一一列举了，在随后的实验中用到时再做说明。三、版图设计Z前的准备工作1、设计坏境与工艺文件设置版图设计需耍准备的外部文件主要有两个，一个是&spl

7、ay文件(displaydrf),另一个是工艺文件(*tf)。其中，工艺文件用丁淀义版图设计中与工艺相关的一些信息，例如表示有源区、多晶硅、金属等的各个图层；&splay文件用丁定义各个图层的显示方式。需要首先将这两个文件放置到相应的位置。工艺文件将display.drf和csmc0p6um.tf拷贝到/root目录下。关闭cadence软件，然后重新启动(icfb)软件选项设置主窗口optionsuserpreference,在弹出的设置窗口中将undolimit设置为10。(3)建立工艺库(technologylibrary)：新建一个库(library),而且该库的类型为technolo

8、gylibrary。主窗口中File直New盘Library(1),会出现NewLibraiy设置窗II确定Compileanewtechfile被选中(2),然后将路径设置为你希望该库存放的位置，例如这里我们设置为共享目剥mnt/hgfs/vlsi_database(3),也可以通过双击Directory栏来完成该操作。然后“Name”栏输入工艺库的名字，例如我们取名为csmc.tf(4),然后点0K(5)。Name(t)Directory(nonlibraryuncuiories)蠶簇肿护击该栏中/nnt/hgfs/vlldatabaaoDontneedatecnfiieNoDMDesig

9、nManagericfbLog:/root/CDS.IogIUlrary.I1Cellview.ZATIONn-sHome|rashNewLibrary0KCancelDefaultsApplyHelpLibrary(5)TechnoloqyAleIFile|ToolsOptions|New|jOpen.IImport1ExportRefresh.1MakeReadOnly.:QoseData.IDefragmentDataExit.Ifyouv/illbecreatingmasklayoutorotherphysicaldatainthislibrary,youwillneedatechno

10、logyfile.IfyouplantouseonlyschematicorIIDLdata,atechnotodYfileisnotrequired.2anewtechfileAttachtoanexistingtechfile在随后出现的对话框中ASCIITechnologyFile一项中输入csmc0p6um.tf，然口点“OK”会出现一个信息窗I丨，提示己经成功建立工艺库。2、基础知识讲解:、图层本部分，我们将练习绘制一个反相器的版图。首先，来了解一下需要用到的图层：本课程中使用CSMC双硅双金属混合信号工艺，主要的设计层包括TBtub,n阱,作为pmos器件衬底TOThinOxide

11、,有源区，作为mos的源漏区GTgate,多晶硅1,作为mos栅极SPP+注入区SNN+注入区W1接触孔，金属1到多晶硅和有源区的接触孔A1铝1,第一层金属W2通孔金属1和金属2的接触孔A2铝2,第二层金属CPbondpad,pad开孑LIM第二层多晶硅电阻阻挡层PCpolyCap,用作多晶硅电容上极板和多晶硅电阻的第二层多晶硅详细的工艺信息请参考设计规则(0.6umDPDMMixedSignalTechnologyTopologicalDesignRule,pdf)，本次实验将会用到的层为TB、TO、GT、SP、SN、WKAl、W2、A2这些图层，对于我们的设计工具来说，是通过工艺文件来进行

12、定义的。图层的显示方式,是通过&splay.dif文件來进行定义的。可以使用Vi或者文本编辑器打开这两个文件，查看一下人致的内容。具体的绘制过程中，以不同的颜色或者图案來表示不同的图层，把这些图层按照一定的关系和规则绘制在一起，最终形成表示半导体器件和互联关系的版图。完成的版图在经过设计验证后，可以用于制造掩模，最终在半导体制造厂完成生产制造。(2)、设计规则绘制版图的过程中，必须遵循一定的设计规则。这是因为最终版图是要用丁芯片制造的,所以绘制的必须是符合生产工艺要求的版图，而工艺耍求就是通过设计规则來进行定义的。在绘制过程中按照设计规则进行版图设计，然后再经过设计规则检查(DRC,desig

13、nrulecheck)來确保完成的版图没有违反设计规则。设计规则主要是定义每个图层的一些基本要求，以及不同的图层Z河的关系，例如金属的最小宽度，金属上放置接触孔时，必须有多少的覆盖等。查看实验二的参考文件夹中的0.6umDPDMMixedSignalTechnologyTopologicalDesignRule,pdf來建立对设计规则的人致概念。3、一些预先的工作(1)、建立一个设计库：我们打算绘制的反相器版图，实际上是建立反相器“单元”(Cell)的一个版图视图(layoutview)。我们前而讲到过，单元是放在设计库中的。所以，需要先建立一个设计库。主窗口中Fil曲New玄Library,

14、会出现NewLibraiy设置窗II,与前面建立工艺库不同的是，这次要确定“Attachtoanexistingtechfile”选项被选中。库名“Name”可以自行设定，例如设定为testl,然后点“OK”。然后会弹出设置Technology库的窗口,选中csmcjf,然后“OK”这样，一个新的设计库“testl”就建好了。主窗口中ToolsetLibraryManager,会看到Library列表中增加了一个新的库“testl”。选中该库（鼠标左键在窗口中点击testl）,会看到cell和view两栏都是空白的，这是因为这个库中目前还没有任何设计单元存在。X(2)、建立反相器设计单TC(c

15、ell)的版图视图(layoutview)。在主窗丨I中File&NewJicellview,或者LibraryManager窗口中使用菜单FigNewCellView,弹出的窗口中确定LibraryName为前面新建的设计库(1),CellName可以自己决定，例如我们输入inv_l(2),ViewName输入“layoutw(3),此项也可以不填，通过下面的Tool下拉菜单选中Virtuoso,则会自动改变为layout最后点“0K”(4)。LibraryManager:WorkArea:/rootHelpFileEditViewDesignManagerShowCategoriesSho

16、wFilesLibrarytestlViewUS_8thsabcahdlLibanalogLibbasiccdsDefTechLibcsmctffunctionalrefWinrfExamplesrfLibtesttest2VCreateNewFileCancelDefaultsHelpToolLibrarypathfileComposer-SchematicComposer-Symbol:Graphics-Editor/ot/cdsl边.Hierarchy-EditorI”ModelV/HterSpectreHDL-EditorMessagesLogfileis/root/libManage

17、r.log”Text-EditorVIIDL-Editor和mm3VHDLAMS-EditorVerilogEditorJ.VerilogA-EditorAleToolsOptionsImiWrilogAMSE(JitorMrtuoso|、设置图层和图层显示上一步点OK后，自动打开了两个窗口:inv_l的layout编辑窗口,以及LSW窗口。Layout窗口X：5.5TonisDesignWindowOBaU?FeitV?hfyCnmiBctiviiyOptxmsRoutingggLSW旦EgSortbditHelpdrcsmc.tfShow(MljflCUtVASNSB|euEirEfqzc

18、TAA/当前选中的图层所有可用匪Jnd|do7nsIsIPDIdrvPS|dnd/11tuosoLayoutEditing:testlinv_llayoutY：5(F)SttlACt：0DRD：OFFdX：-1RhiZoottAbsoLuteScal(hiCLftoudeSmgleSeleotPtNleHiMousePcpUp0关丁-LSW和版图的很多选项和功能，在以后的实验中会慢慢熟悉，这里我们先来设置一下LSW中显示的图层，以及改变图层颜色和图案的方法。设置LSW中显示的图层：我们看到，LSW中显示的图层很多，但对于一个简单单元的layout,可能只需要用到其中的一小部分。为了方便起见，我

19、们可以修改LSW中显示的图层（这样并没有删除图层，随时都可以更改让其恢复显示）LSW窗口中选中EditiSetValidLayers,会出现一个“SetValidLayers”窗口缺省是全部选中的状态，即每个图层后面的选择框是黑色的。因为我们需要设置选中的图层较少，可以先点击左上角的按钮“NoneValid”，这时可以看到所仃的选择框都变成未被选中的状态。然后再逐个选中需要显示的图层即可需要选中显示的图层包括前面第四部分列出的设计图层:TB、TO、GT、SP、SN、町、Al、W2、A2,以及用丁标记的A1TEXT、A2TEXT、TEXT、boarder.prBoundry层。（注意：应被选择的

20、是后而标记为“餾”的层）选择完成后，点击“OK”o完成以上操作后，可以看到LSW窗II中变为只显示所设置的图层了。设置图层的颜色图案：LSW窗口中选中Edi谥DisplayResourceEditor,会出现一个DisplayResourceEditorII,在这里可以改变图层的颜色和图案。由于时间关系,本次实验中不进行该操作，有兴趣的同学可以在完成实验后自己进行操作。（4）、Layout窗II介绍：版图窗II由三部分组成：Iconmenu,menubanner,statusbanner.Iconmenu（图标菜单）缺省时位丁版图图框的左边，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

21、，只需要将鼠标滑动到想要查看的图标上，图标卜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。statusbanner（状态显示栏），位于menubanner的上方，显示的是坐标、当前编辑指令等状态信息。请熟悉一下版图编辑窗口中各个部分的状态，功能，以及菜单和图标对应的内容。随后的反相器版图设计工作将主要在该窗I中进行。layout选项设置:layout窗口中选中Optionsdisplay,会出现一个display选项设置窗II。将其中的Xsnapspacing和Ysnapspacing设置为0.1,然后点OK关掉该设置窗口。在开始正

22、式的版图设计Z前，最好可以先熟悉一下layoutII中各个菜单和图标，尤其是各个编辑功能的使用方法。随便绘制一些图形。常用的编辑功能都在“create”、“Edit”两个菜单中。其中一部分也可以通过窗I咗侧的图标栏來选中。试用的时候请注意尽最记住菜单中每个编辑选项后而标明的快捷键，使用熟练后可以明显提高绘图效率。儿个常用的指令及相应的快捷键列举如2ZoomIn放大Zoomoutby2缩小2倍(Z)Save保存编辑(Delete删除编辑(Del)Undo取消编辑(U)Redo-恢复编辑(U)Move移动(m)Stretch一一一伸缩(S)Rectangle一编辑矩形图形(r)Polygon编辑多

23、边形图形(P)Path编辑布线路径(P)Copy-复制编辑(C)到此为止，我们已经完成了必要的设置，町以正式开始反相器版图的设计了。四、反相器版图设计先來看一个已经完成的反相器版图:VirtuosoLayoutEditing:test2abclayoutXX：1.9Y：0.8(F)Select:0DRD:OFFdX:-10.4Dist：12.76Ond:ToolsDesignWindowCreateEditVerifyOmnectivltyOptionsRoutingHelp:.：.(.：7尸=-.*-I-.3.1I：*工:/.*/*I*J*IJ1.!4*4*(A1（第一层金属）bedSP(P

24、+注入区)V1S源M.leHiNousePopUp()nou3eL.MouseSingleSelectPtR.hiUndo()该图所用的图层已经做了相应的标注，人家可以观察一下。版图中上半部分为一个PMOS晶体管，卜半部分为一个NMOS晶体管，最上和最卜方分别是接通电源（VDD）和地（GND）的金属连线。可以看到，多晶硅（GT）与有源区（TO）相交，就形成了一个晶体管，其中GT是栅极，TO层被GT层相隔形成的两个方形区域分别是源极和漏极。这个晶体管是NMOS还是PMOS是通过覆盖苗源区的离子注入层是SP（P+注入区，则为PMOS）,还是SN（N+注入区，则为NMOS）来进行区别的。而PMOS晶

25、体管或者NNIOS晶体管的三个极必须何与电源、地Z间的连接以及其他连接，才能形成一个逻辑门，这是通过在有源区（TO）、多晶硅（GT）上放置接触孔（W1）,连接到金属层（A1）,进而实现连接的。卜面我们來绘制一个类似的反相器版图。注意：在绘制版图的过程中，注意多进行几次保存,（快捷键F2,或者菜单中DesigiiaSave）,以免因误操作或者其他意外使完成的设计丢失。X1、画pmos部分（IX画出有源区在LSW中，点击选中TO（dg）,注意这时LSW顶部显示TO字样，说明TO层为当前所选中的绘图层。然后回到Layout窗II中。点击iconmenu（窗II左侧）中的（或者使用快捷键r,或者使用顶

26、部菜单中的creatarectangle）,在窗II中画一个宽为3.8u,长为2.8u的矩形。画一个指定尺寸的rectangle有很多种方法，这里列举其中的三种：A、点-5J后在绘图区点鼠标左键确定方形的第一个顶点，然后斜向上划出一个矩形,注意观察窗II顶部显示的dxdy值，当改变为dx3.8dy2.8时松开鼠标。B|B3IEKEBVirtuosoLayoutEditing:testIinv_llayoutX:6.9Y:8.7(F)Select:0DRD:OFFdX:3.8dY:2.8Dist:8ToolsDesignWindowCreateEditVerifyConnectivityOpti

27、onsRoutingHelp3.8u可以先画岀一个宽度为0.6u的矩形，然后从有源区的一条边量出1.6u的距离，然后选中GT矩形，使用move命令(快捷键氓或edit菜单)，将其移动到想耍放置的位置。画注入区和N阱一个完整的PMOS晶体管在有源区Z外，还应该有P+离子注入区和N阱。分别対应SP和TB层。所以需要在刚才图形的基础上添加一个SP层的矩形，这一矩形需耍从TO的矩形向外延伸至少0.6m接着，我们还耍再使用TB层画一个矩形，它至少需要从SP矩形向外延伸1.8u。如下图所示：这样，一个pmos的版图就人致完成了。接着我们要给这个管子布线。布线pmos管必须连接到输入信号源和电源上，因此我们

28、必须在原图基础上布金属线。a、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W1(dg)层画contact接触孔，尺寸为0.6u乘0.6u的矩形。b、我们需要使用多个通孔，但没有必要每个都画一遍，可以使用copy命令（选中通孔后按快捷键c,或者使用edit菜单），将一个通孔拷贝为多个。c、将两个contact上下对齐摆放，间距为0.8u,然后用金属层Al画一个宽为1.2u的矩形，覆盖在contact上，注意两边延伸出去的金属都为0.3uo然后将该金属和contace的组合复制一份，分别放在源区和漏区，注意contact到GT的最小距离为0.6u。202304060布线完毕后的版图如

29、卜图所示:熟悉makecell和flatteno按ESC键回到选择状态，然后按住鼠标左键圈选画好的全部版图，然后使用EditaHierarchyamakecell,在岀现的对话框中cell栏输入pmos,这样，就建立了一个新的cell,cell名称为pmoso可以使用libraiymanager查看testl库中的变化。注意：这个时候inv_l版图窗II中前面所绘制的版图，变成了对cellpmos的一个调用，如果不想保持这种调用关系，可以选中这个uistaiice,然后用EditBHierarchyaflatten來去除与pmoscellZ间的调用关系。2、画NMOS部分。我们注意到，其实NM

30、OS对以从PMOS的版图中修改得到，这样就没有必耍再从零开始來画NMOS了。(1)、在inv_l的layout窗【I中按快捷键i(或使用createainstance),在窗口中输入Libraiy:testlCell:pmosMew:layout或者点browse”,然后在出现的窗口中依次选中testl,pmos,layout，然后点close可以达到跟上面直接输入同样的效果。然后点“hide”，会看到一个黄色的图形出现，在layout窗II中合适的位置上点击鼠标左键,就添加了-个pmos的instance,然后按ESC键,结束添加instance命令，回到选择状态。然后选中这个instanc

31、e,用EditQHierarchyflatten來进行flatteno这时，该部分图形中的每个层又可以单独进行编辑了。（2）、选中该部分中的NWELL层，删除（del键），然后选中SP层，按快捷键q（或使用EditaProperties）,在出现的窗II中将layer栏由SP改为SN。这时，一个NMOS晶体管己经完成了，但我们为了将PMOS、NMOS的宽度比改为2：1,再进行一下修改，将NMOS晶体管的宽度改为1.4u。可以通过删除和stretch命令，來达到修改的目的。将横向并排的两个contact删除掉，然后按快捷键s（或者使用EditQStretch）,进入stretch命令状态。在nmos图形的左侧开始，按鼠标左键，框选住卜半部分，即划出一个如卜图所示的黄框：松开鼠标左键，把鼠标移回到mnosF方，然后再点一次鼠标左键，松开后上下移动鼠标，会发现卜半部的图形随Z移动。这时如果原先设定了一个标尺，可以将其精确的移动到想要移动的位置：或者在没有标尺可以参照的情况卜，也可以计算一下想耍移动的距离，例如这里是需要向上移动1