版图设计中的设计规则

《集成电路设计基础》1设计规则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。这些规则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。因此不同的工艺，就有不同的设计规则。《集成电路设计基础》2厂家提供设计规则设计者只能根据厂家提供的设计规则进行版图设计。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。《集成电路设计基础》3版图几何设计规则版图几何设计规则可看作是对光刻掩模版制备要求。光刻掩模版是用来制造集成电路的。这些规则在生产阶段中为电路的设计师和工艺工程师提供了一种必要的信息联系。《集成电路设计基础》4设计规则与性能和成品率之间的关系一般来讲，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。《集成电路设计基础》5版图几何设计规则•从设计的观点出发，设计规则可以分为三部分：（1）决定几何特征和图形的几何规定。这些规定保证各个图形彼此之间具有正确的关系。《集成电路设计基础》6版图几何设计规则（2）确定掩模制备和芯片制造中都需要的一组基本图形部件的强制性要求。（3）定义设计人员设计时所用的电参数的范围。《集成电路设计基础》7版图几何设计规则•有几种方法可以用来描述设计规则。其中包括：＊以微米分辨率来规定的微米规则＊以特征尺寸为基准的λ规则《集成电路设计基础》9设计规则或规整格式设计规则70年代末，Meed和Conway倡导以无量纲的“”为单位表示所有的几何尺寸限制，把大多数尺寸（覆盖，出头等等）约定为的倍数。通常取栅长度L的一半，又称等比例设计规则。由于其规则简单，主要适合于芯片设计新手使用，或不要求芯片面积最小，电路特性最佳的应用场合。在这类规则中，把绝大多数尺寸规定为某一特征尺寸“”的某个倍数。与工艺线所具有的工艺分辨率有关，线宽偏离理想特征尺寸的上限以及掩膜版之间的最大套准偏差。优点：版图设计独立于工艺和实际尺寸。《集成电路设计基础》111.设计规则或规整格式设计规则70年代末，Meed和Conway倡导以无量纲的“”为单位表示所有的几何尺寸限制，把大多数尺寸（覆盖，出头等等）约定为的倍数。通常取栅长度L的一半，又称等比例设计规则。由于其规则简单，主要适合于芯片设计新手使用，或不要求芯片面积最小，电路特性最佳的应用场合。在这类规则中，把绝大多数尺寸规定为某一特征尺寸“”的某个倍数。与工艺线所具有的工艺分辨率有关，线宽偏离理想特征尺寸的上限以及掩膜版之间的最大套准偏差。优点：版图设计独立于工艺和实际尺寸。《集成电路设计基础》12版图几何设计规则层次人们把设计过程抽象成若干易于处理的概念性版图层次，这些层次代表线路转换成硅芯片时所必需的掩模图形。下面以某种N阱的硅栅工艺为例分别介绍层次的概念。《集成电路设计基础》13版图几何设计规则层次表示含义标示图NWELLN阱层LocosN+或P+有源区层Poly多晶硅层Contact接触孔层Metal金属层Pad焊盘钝化层•NWELL硅栅的层次标示《集成电路设计基础》14版图几何设计规则NWELL层相关的设计规则编号描述尺寸目的与作用1.1N阱最小宽度10.0保证光刻精度和器件尺寸1.2N阱最小间距10.0防止不同电位阱间干扰1.3N阱内N阱覆盖P+2.0保证N阱四周的场注N区环的尺寸1.4N阱外N阱到N+距离8.0减少闩锁效应《集成电路设计基础》15版图几何设计规则N阱设计规则示意图《集成电路设计基础》16版图几何设计规则P+、N+有源区相关的设计规则列表编号描述尺寸目的与作用2.1P+、N+有源区宽度3.5保证器件尺寸，减少窄沟道效应2.2P+、N+有源区间距3.5减少寄生效应《集成电路设计基础》17版图几何设计规则P+、N+有源区设计规则示意图《集成电路设计基础》18版图几何设计规则Poly相关的设计规则列表编号描述尺寸目的与作用3.1多晶硅最小宽度3.0保证多晶硅线的必要电导3.2多晶硅间距2.0防止多晶硅联条3.3与有源区最小外间距1.0保证沟道区尺寸3.4多晶硅伸出有源区1.5保证栅长及源、漏区的截断3.5与有源区最小内间距3.0保证电流在整个栅宽范围内均匀流动《集成电路设计基础》19版图几何设计规则Poly相关设计规则示意图《集成电路设计基础》20版图几何设计规则Contact相关的设计规则列表编号描述尺寸目的与作用4.1接触孔大小2.0x2.0保证与铝布线的良好接触4.2接触孔间距2.0保证良好接触4.3多晶硅覆盖孔1.0防止漏电和短路4.4有源区覆盖孔1.5防止PN结漏电和短路4.5有源区孔到栅距离1.5防止源、漏区与栅短路4.6多晶硅孔到有源区距离1.5防止源、漏区与栅短路4.7金属覆盖孔1.0保证接触，防止断条《集成电路设计基础》21版图几何设计规则contact设计规则示意图《集成电路设计基础》22版图几何设计规则Metal相关的设计规则列表编号描述尺寸目的与作用5.1金属宽度2.5保证铝线的良好电导5.2金属间距2.0防止铝条联条《集成电路设计基础》23版图几何设计规则Metal设计规则示意图《集成电路设计基础》24版图几何设计规则Pad相关的设计规则列表编号描述尺寸目的与作用6.1最小焊盘大小90封装、邦定需要6.2最小焊盘边间距80防止信号之间串绕6.3最小金属覆盖焊盘6.0保证良好接触6.4焊盘外到有源区最小距离25.0提高可靠性需要《集成电路设计基础》25版图几何设计规则Pad设计规则示意图《集成电路设计基础》26版图几何设计规则当给定电路原理图设计其版图时，必须根据所用的工艺设计规则，时刻注意版图同一层上以及不同层间的图形大小及相对位置关系。《集成电路设计基础》27反相器实例参照上述的硅栅工艺设计规则，下图以反相器（不针对具体的器件尺寸）为例给出了对应版图设计中应该考虑的部分设计规则示意图。对于版图设计初学者来说，第一次设计就能全面考虑各种设计规则是不可能的。为此，需要借助版图设计工具的在线DRC检查功能来及时发现存在的问题，具体步骤参见本书第十四章。《集成电路设计基础》28反相器实例5.11.31.34.44.23.44.54.73.14.44.23.44.54.73.1VDDGND1.42.12.21.15.24.7INOUT2.1《集成电路设计基础》29电学设计规则•电学设计规则给出的是将具体的工艺参数及其结果抽象出的电学参数，是电路与系统设计、模拟的依据。《集成电路设计基础》30电学设计规则描述《集成电路设计基础》31电学设计规则描述《集成电路设计基础》32电学设计规则与上述的几何设计规则一样，对于不同的工艺线和工艺流程，数据的多少将有所不同，对于不同的要求，数据的多少也会有所差别。《集成电路设计基础》33电学设计规则•如果用手工设计集成电路或单元（如标准单元库设计），几何设计规则是图形编辑的依据，电学设计规则是分析计算的依据。《集成电路设计基础》34布线规则版图布局布线布局就是将组成集成电路的各部分合理地布置在芯片上。布线就是按电路图给出的连接关系，在版图上布置元器件之间、各部分之间的连接。由于这些连线也要有一定的芯片面积，所以在布局时就要留下必要的布线通道。《集成电路设计基础》35布线规则（1）电源线和地线应尽可能地避免用扩散区和多晶硅走线，特别是通过较大电流的那部分电源线和地线。（2）禁止在一条铝走线的长信号线下平行走过另一条用多晶硅或扩散区走线的长信号线。《集成电路设计基础》36布线规则（3）压点离开芯片内部图形的距离不应少于20μm，以避免芯片键合时，因应力而造成电路损坏。（4）布线层选择。《集成电路设计基础》37布线规则《集成电路设计基础》38版图设计及版图验证版图设计一般包括：基本元器件版图设计布局和布线版图分析与检验《集成电路设计基础》39版图设计及版图验证版图的构成版图由多种基本的几何图形所构成。常见的几何图形有：矩形（rectangle）多边形（polygon）等宽线(path和wire)圆（circle）弧（arc）等。《集成电路设计基础》40版图设计及版图验证•版图布局布线布局就是将组成集成电路的各部分合理地布置在芯片上。布线就是按电路图给出的连接关系，在版图上布置元器件之间、各部分之间的连接。《集成电路设计基础》41单元和单元库的建立在版图设计阶段，无论是全定制还是半定制版图设计一定都会用到单元或单元库。《集成电路设计基础》42全定制设计方法所谓全定制设计方法就是利用人机交互图形系统，由版图设计人员从每个半导体器件的图形、尺寸开始设计，直至整个版图的布局布线。《集成电路设计基础》43半定制设计方法而在标准单元设计方法中，基本的电路单元(如非门、与非门、或非门、全加器、D触发器)的版图是预先设计好的，放在CAD工具的版图库中。这部分版图不必由设计者自行设计，所以叫半定制。所以在半定制设计中常用到标准单元法。《集成电路设计基础》44标准单元库单元库实际包括四种符号：符号（symbolview）抽象图（abstractview）线路图（schematicview）版图（layoutview）《集成电路设计基础》45半定制标准单元示意图《集成电路设计基础》46单元库与工艺数据每一单元库都应与一定的工艺数据相联系，这些数据放在所谓“工艺文件（TechnologyFile)”中。无论建立标准单元库还是布局布线阶段，都要用到TechnologyFile。可以存在系统中的隐含文件或任一指定文件中。根据需要此文件也可重新命名或进行编辑。《集成电路设计基础》47TechnologyFileTechnologyFile包含定义设计所需的全部物理信息，包括：各层颜色、线型、显示或绘图设备；单层和双层性质；视图（VIEW）及其性质；物理设计规则；所有器件。包括晶体管、接触、引脚；器件可以通用，也可自定义（详细内容及操作方法详见相关软件使用说明）。《集成电路设计基础》48版图验证设计规则的验证（DRC）设计规则的验证（DRC）由下述命令格式书写成检查文件：＜出错条件＞＜出错输出＞在运行过程中，如果所画版图出现符合＜出错条件＞的情形，则执行＜出错输出＞。则此出错条件是由设计人员按照设计规则编写的。在DRC执行过程中，计算机会自动对照查验图形和出错条件。关于＜出错输出＞语句，可以在其中列出出错单元的名称(CellName)及层次(layName)，并写成：＜OUTPUTCellNamelayName＞。《集成电路设计基础》49版图验证例:（1）EXT[T]POLYCONDIFFLT0.7OUTPUTE10544这一句意味着当多晶硅与扩散区包含时，在沿宽度方向的边缘内外间距小于0.7μm时出错，其中[T]更强调了在间距等于0时也出错。“出错输出”在指定44层上给出单元E105一个错误标志。（2）WIDTHCONLT0.6OUTPUTE53A44这一句意味着接触孔宽度0.6μm小于出错，“出错输出”在指定44层上给出单元E53A一个错误标志。《集成电路设计基础》50版图验证版图的电学验证（ERC）除违反设计规则而造成的图形尺寸错误外，常还会发生电学错误，如电源、地、某些输入或输出端的连接错误。这就需要用ERC检验步骤来加以防范。为了进行ERC的验证，首先应在版图中将各有关电学节点做出定义。如将电源、接地点、输入端、输出端分别给出“节点名”。《集成电路设计基础》51版图验证ERC检查的主要错误有如下几种：(1)节点开路。(2)短路。(3)接触孔浮孔。(4)特定区域未接触。(5)不合理的元器件节点数（或扇出数）《集成电路设计基础》52版图验证版图参数提取（LPE）对已设计的版图提取各种器件、它们的连接关系以及各种寄生电容和电阻，这实质上是自动地建立一种模型。提取各参数后，可以进行如下工作：(1)作为电特性检验的基础，利用这些参数将版图还原成电路图，并与原始电路图比较，以便更严格地查找错误。《集成电路设计