微电子概论标准单元技术

微电子概论标准单元技术第一页，共二十九页，2022年，8月28日第四章标准单元技术standardcelltechniques开发标准单元库的原因标准网格定向型工艺层技术

网格式布线系统要求的库设计规则标准输入输出单元

2第二页，共二十九页，2022年，8月28日全定制：按规定的功能、性能要求，对电路的结构布局、布线均进行专门的最优化设计，以达到芯片的最佳利用。半定制：由厂家提供一定规格的功能块，如门阵列、标准单元、可编程逻辑器件等，按用户要求利用专门设计的软件进行必要的连接，称为半定制电路。开发标准单元库的原因：对于全定制设计来说，独立模块的规模过于庞大和复杂，因此就存在着加快电路和版图设计过程的需要。缺乏具有手工实现复杂全定制模块设计能力的专业人员，而自动化工具缓解了这个问题。典型加工工艺的进步，包括布线金属层从1层金属增加到2层金属或3层金属。对最佳结果的实现，这进一步增加了全定制版图设计过程的复杂性。甚至在全定制设计流程中，当构建模块以预定义的标准来实现时，规模在20个单元以上的布局布线会更加容易。而单元接口的标准化在库中就可以实现了。开发标准单元库的原因3第三页，共二十九页，2022年，8月28日一个典型的标准单元库有几百个单元，而高级的库则有1000个以上的单元。有些单元库会针对低功耗、高速和高空隙率而进行专门设计、开发。

空隙率：可全部用于布线的面积与整个单元面积的比率。经典的布线器是基于网格的。网格布线器遵循的约束条件：导线只能有几种固定的宽度；导线只能放在预先确定了坐标的网格上。标准网格-网格式布线器grid-basedrouter4第四页，共二十九页，2022年，8月28日“layerrules”和“physicalrules”都在库文件“techfile”中。一般“techfile”中包含以下内容：

CONTROLS：“maskGrid0.01”LAYERDEFINITIONLAYERRULESPHYSICALRULESDEVICES标准网格-网格式布线器grid-basedrouter5第五页，共二十九页，2022年，8月28日techfile-LAYERRULES

标准网格-网格式布线器grid-basedrouter“POLY2”isconnectedto“MET1”with“CNT”;“MET1”isconnectedto“MET2”with“VIA1”;……

CNT碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍6第六页，共二十九页，2022年，8月28日techfile-PHYSICALRULES

标准网格-网格式布线器grid-basedrouterpleaserememberthesedefinitions:width、space、area、overlap、extension、enclosure(外边界与内边界间的最小距离)7第七页，共二十九页，2022年，8月28日techfile-PHYSICALRULES最小宽度minWidth:封闭几何图形的内边之间的距离。

标准网格-网格式布线器grid-basedrouter

在利用DRC（设计规则检查）对版图进行几何规则检查时，对于宽度低于规则中指定的最小宽度的几何图形，工具将会给出错误的提示。8第八页，共二十九页，2022年，8月28日techfile-PHYSICALRULES最小间距minSpacing：各几何图形外边界之间的距离。

标准网格-网格式布线器grid-basedrouter9第九页，共二十九页，2022年，8月28日techfile-PHYSICALRULES最小交叠minOverlap:

交叠有两种形式：

a.一几何图形内边界到另一图形的内边界长度（overlap）

b.一几何图形外边界到另一图形的内边界长度（extension）

标准网格-网格式布线器grid-basedrouter10第十页，共二十九页，2022年，8月28日techfile-PHYSICALRULES

标准网格-网格式布线器grid-basedrouterpleasekeeptheserulesinyourmindanddon’tviolatethemwhenyoulayout.11第十一页，共二十九页，2022年，8月28日techfile-PHYSICALRULES

标准网格-网格式布线器grid-basedrouterThewidthof“NWELL”mustbegreaterthanorequaltothe“minWidth=1.2microns”;andthespaceoftwo“NWELLs”mustbegreaterthanorequaltotheminSpacing=0.6microns”.NWELLNWELL≧minSpacing≧minWidth12第十二页，共二十九页，2022年，8月28日coarsegridexample:

标准网格-网格式布线器grid-basedrouterMinimumwireis1micron,minimumspacingis1micron,therefore,ourtwowiresuse3microns,andwehaveestablishedcenter-to-centergridspacingof2micronsforthisprocess.2microns1microns1microns1microns最小金属线越宽，或金属线间必须相隔得越远，网格也就越大

13第十三页，共二十九页，2022年，8月28日标准网格-网格式布线器grid-basedrouterdeterminingourminimumwirewidthsandminimumspacingbetweenwiresdictatehowcoarseorfineourgridwillbe.最小金属线越宽，或金属线间必须相隔得越远，网格也就越大;

“designrulesdeterminegridsize.”thegrid-basedroutercanonlyplacewiresalongourgridlines,fromintersectiontointersection.14第十四页，共二十九页，2022年，8月28日标准网格-规则式布线器rule-basedrouter不同工艺层上的金属线宽及其间距都有不同的最小宽度，如果我们要使所有的网格都采用同样的尺寸，那么我们只能统一地采用芯片上尺寸要求最大的那个工艺层上的尺寸。“rule-basedrouter:usestherealdesignrulesforeachlayer,insteadofusingafixedgrid.”大多数人采用grid-basedrouter，因为它简单；如果采用rule-basedrouter，紧凑，节省版图空间。15第十五页，共二十九页，2022年，8月28日标准网格-规则式布线器rule-basedrouter对每一层采用不同的网格尺寸，但这会使我们很难把所有的接触孔和通孔都对齐并落在每一层垂直和水平网格线的交点上。16第十六页，共二十九页，2022年，8月28日thedifferencebetween“via”and“contact”:contact：一般是说把poly或者p+n+扩散区连接到最低层金属，connecttheterminaltometalvia:connectthemetalsofdifferentlayers

generallyspeaking,thedefaultpreferredroutingdirection:metal1-horizontalmetal2-verticalmetal3-horizontalmetal4-vertical定向型工艺层技术routingsimplybenefitreducecross-talk17第十七页，共二十九页，2022年，8月28日“小的转向不必改换金属层”

（注：此处的“小”指只有一两个网格的转向）原因：

1.如果用metal2来安排这些小而短的转向，就再也不能在他们之间提供另外的布线机会了；

2.可能会造成很高的电阻；

3.via不易刻蚀。定向型工艺层技术unnecessary,othermetal2scantroutehere18第十八页，共二十九页，2022年，8月28日对齐输入输出：输入A和输出Z不能随意放置。它们必须像所有的连线一样位于同样的网格上。保证标准单元的所有输入输出不仅在x网格上，还要在y网格上。要保证自动布线软件在水平方向和垂直方向都能找到它们。保证所有的库单元以及库单元内部的器件符合网格规则。网格式布线系统要求的库设计规则AZPNVDDVSS19第十九页，共二十九页，2022年，8月28日高度固定，宽度可变：为了保持结构的统一，所有的门都必须服从固定高度设置。如果需要有较大驱动能力的晶体管，只要使单元变宽并分割晶体管使之能放在轨线之内就可以了。最小单元高度由通过模拟得到的晶体管尺寸以及为库所选择的网格决定。一般选择的高度要略大于这个最小高度，来作为电源线和地线的布线沟道。采用高度固定的库的优点：如将所有的门挨个摆放，电源线、地线就很容易布线。数字库:高度固定，宽度可变。(fixedheight,variablewidth.)

大多数库都是这样的。对于数字版图，特别是标准单元版图，是唯一可行的方式。在模拟版图设计中也非常有用，甚至是全定制的AIC。网格式布线系统要求的库设计规则20第二十页，共二十九页，2022年，8月28日公用N阱：典型的CMOS工艺通常都有一个关于N阱间距的规则，这个间距要求很大，而晶体管的间距要求，要比N阱的间距小得多。可以设计一个大的单个的N阱来节省空间。

N阱间距限制晶体管间距限制网格式布线系统要求的库设计规则nwellspacingdevicespacing21第二十一页，共二十九页，2022年，8月28日网格式布线系统要求的库设计规则现在限制设计的规则就是晶体管与晶体管的间距，这要比N阱的间距小得多.22第二十二页，共二十九页，2022年，8月28日如果轨线延伸到单元边缘，那么把这些单元对接，就形成了一条很长的电源轨线带。网格式布线系统要求的库设计规则powerground23第二十三页，共二十九页，2022年，8月28日半网格单元尺寸：half-gridcellsizing所有单元内部的导线都处于网格上，而相互对接单元的边缘落在两条网格线的中间，即处于半个网格的位置上。由于单元可以在各个方向对接，所以一个单元的每一边（上、下、左、右）都应当落在半个网格的位置上。buttingedges对接边沿

网格式布线系统要求的库设计规则powerrailbuttingedgeson-gridwiregridpoint24第二十四页，共二十九页，2022年，8月28日半尺寸设计规则：half-designrule为了使两个对接单元间的晶体管也有最小间距，每一个晶体管就应当距离单元边沿至少有一半的最小间距。网格决定了库单元的设计。每一样东西都必须放在网格上，所有的单元都必须服从半网格的规则。网格式布线系统要求的库设计规则powerrailbuttingedgesgridpoin