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微電子專業(yè)集成電路版圖設計的教學研究論文
集成電路版圖設計涵蓋了微電子學、電路理論、計算機圖形學等諸多學科的基礎(chǔ)理論，這是微電子學專業(yè)的辦學重要特色和人才培養(yǎng)重點方向。以CMOS反相器和基本MOS差分放大器為例，介紹了集成電路版圖設計的教學內(nèi)容。學生通過集成電路版圖設計的教學環(huán)節(jié)，鞏固了專業(yè)課程的理論知識，提高了集成電路設計的實踐能力。
集成電路(Integrated Circuit)產(chǎn)業(yè)是典型的知識密集型、技術(shù)密集型、資本密集和人才密集型的高科技產(chǎn)業(yè)，是關(guān)系國民經(jīng)濟和社會發(fā)展全局的基礎(chǔ)性、先導性和戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心和關(guān)鍵，對其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有巨大的支撐作用。經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國集成電路產(chǎn)業(yè)已初步形成了設計、芯片制造和封測三業(yè)并舉的發(fā)展格局，產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。但與國際先進水平相比，我國集成電路產(chǎn)業(yè)還存在發(fā)展基礎(chǔ)較為薄弱、企業(yè)科技創(chuàng)新和自我發(fā)展能力不強、應用開發(fā)水平急待提高、產(chǎn)業(yè)鏈有待完善等問題。在集成電路產(chǎn)業(yè)中，集成電路設計是整個產(chǎn)業(yè)的龍頭和靈魂。而我國集成電路設計產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遠滯后于計算機與通信產(chǎn)業(yè)，集成電路設計人才嚴重匱乏，已成為制約行業(yè)發(fā)展的瓶頸。因此，培養(yǎng)大量高水平的集成電路設計人才，是當前集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個亟待解決的問題，也是高校微電子等相關(guān)專業(yè)改革和發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)。[1-4]
一、集成電路版圖設計軟件平臺
為了滿足新形勢下集成電路人才培養(yǎng)和科學研究的需要，合肥工業(yè)大學(以下簡稱“我�！�)從2005年起借助于大學計劃，和美國Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、華大電子等公司合作建立了EDA實驗室，配備了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni設計系統(tǒng)等EDA軟件。我校相繼開設了與集成電路設計密切相關(guān)的本科課程，如集成電路設計基礎(chǔ)、模擬集成電路設計、集成電路版圖設計與驗證、超大規(guī)模集成電路設計、ASIC設計方法、硬件描述語言等。同時對課程體系進行了修訂，注意相關(guān)課程之間相互銜接，關(guān)鍵內(nèi)容不遺漏，突出集成電路設計能力的培養(yǎng)，通過對課程內(nèi)容的精選、重組和充實，結(jié)合實驗教學環(huán)節(jié)的開展，構(gòu)成了系統(tǒng)的集成電路設計教學過程。[5，6]
集成電路設計從實現(xiàn)方法上可以分為三種：全定制(full custom)、半定制(Semi-custom)和基于FPGA/CPLD可編程器件設計。全定制集成電路設計，特別是其后端的版圖設計，涵蓋了微電子學、電路理論、計算機圖形學等諸多學科的基礎(chǔ)理論，這是微電子學專業(yè)的辦學重要特色和人才培養(yǎng)重點方向，目的是給本科專業(yè)學生打下堅實的設計理論基礎(chǔ)。
在集成電路版圖設計的教學中，采用的是中電華大電子設計公司設計開發(fā)的九天EDA軟件系統(tǒng)(Zeni EDA System)，這是中國唯一的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的EDA工具軟件。該軟件與國際上流行的EDA系統(tǒng)兼容，支持百萬門級的集成電路設計規(guī)模，可進行國際通用的標準數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，它的某些功能如版圖編輯、驗證等已經(jīng)與國際產(chǎn)品相當甚至更優(yōu)，已經(jīng)在商業(yè)化的集成電路設計公司以及東南大學等國內(nèi)二十多所高校中得到了應用，特別是在模擬和高速集成電路的設計中發(fā)揮了強大的功能，并成功開發(fā)出了許多實用的集成電路芯片。
九天EDA軟件系統(tǒng)包括ZeniDM(Design Management)設計管理器，ZeniSE(Schematic Editor)原理圖編輯器，ZeniPDT(physical design tool)版圖編輯工具，ZeniVERI(Physical Design Verification Tools)版圖驗證工具，ZeniHDRC(Hierarchical Design Rules Check)層次版圖設計規(guī)則檢查工具，ZeniPE(Parasitic Parameter Extraction)寄生參數(shù)提取工具，ZeniSI(Signal Integrity)信號完整性分析工具等幾個主要模塊，實現(xiàn)了從集成電路電路原理圖到版圖的整個設計流程。
二、集成電路版圖設計的教學目標
根據(jù)培養(yǎng)目標結(jié)合九天EDA軟件的功能特點，在本科生三年級下半學期開設了為期一周的以九天EDA軟件為工具的集成電路版圖設計課程。
在集成電路版圖設計的教學中，首先對集成電路設計的一些相關(guān)知識進行回顧，介紹版圖設計的基礎(chǔ)知識，如集成電路設計流程，CMOS基本工藝過程，版圖的基本概念，版圖的相關(guān)物理知識及物理結(jié)構(gòu)，版圖設計的基本流程，版圖的總體設計，布局規(guī)劃以及標準單元的版圖設計等。然后結(jié)合上機實驗，講解Unix和Linux操作系統(tǒng)的常用命令，詳細闡述基于標準單元庫的版圖設計流程，指導學生使用ZeniSE繪制電路原理圖，使用ZeniPDT進行NMOS/PMOS以及反相器的簡單版圖設計。在此基礎(chǔ)上，讓學生自主選擇一些較為復雜的單元電路進行設計，如數(shù)據(jù)選擇器、MOS 差分放大器電路、二四譯碼器、基本RS觸發(fā)器、六管MOS 靜態(tài)存儲單元等，使學生能深入理解集成電路版圖設計的概念原理和設計方法。最后介紹版圖驗證的基本思想及實現(xiàn)，包括設計規(guī)則的檢查(DRC)，電路參數(shù)的檢查(ERC)，網(wǎng)表一致性檢查(LVS)，指導學生使用ZeniVERI等工具進行版圖驗證、查錯和修改。[7]
集成電路版圖設計的教學目標是： 第一，熟練掌握華大EDA軟件的原理圖編輯器ZeniSE、版圖編輯模塊ZeniPDT以及版圖驗證模塊ZeniVERI等工具的使用;了解工藝庫的概念以及工藝庫文件_technology的設置，能識別基本單元的版圖，根據(jù)版圖信息初步提取出相應的邏輯圖并修改，利用EDA工具ZSE畫出電路圖并說明其功能，能夠根據(jù)版圖提取單元電路的原理圖。
第二，能夠基本讀懂和理解版圖設計規(guī)則文件的含義。版圖設計規(guī)則規(guī)定了集成電路生產(chǎn)中可以接受的幾何尺寸要求和可以達到的電學性能，這些規(guī)則是電路設計師和工藝工程師之間的一種互相制約的聯(lián)系手段，版圖設計規(guī)則的目的是使集成電路設計規(guī)范化，并在取得最佳成品率和確保電路可靠性的前提下利用這些規(guī)則使版圖面積盡可能做到最小。
第三，能夠編寫設計版圖驗證命令文件(command file)。版圖驗證需要四個文件(DRC文件、ERC文件、NE文件和LVS文件)來支持，要求學生能夠利用ZeniVERI進行設計規(guī)則檢查DRC驗證并修改版圖、電學規(guī)則檢查(ERC)、版圖網(wǎng)表提取(NE)、利用LDC工具進行LVS驗證，利用LDX工具進行LVS的查錯及修改等。
第四，了解版圖庫的概念。采用半定制標準單元方式設計版圖，需要有統(tǒng)一高度的基本電路單元版圖的版圖庫來支持，這些基本單元可以是不同類型的各種門電路，也可以是觸發(fā)器、全加器、寄存器等功能電路，因此，理解并學會版圖庫的建立也是版圖設計教學的一個重要內(nèi)容。
三、CMOS反相器的版圖設計的教學實例介紹
下面以一個標準CMOS反相器來簡單介紹一下集成電路版圖設計的一般流程。
1.內(nèi)容和要求
根據(jù)CMOS反相器的原理圖和剖面圖，初步確定其版圖;使用EDA工具PDT打開版圖編輯器;在版圖編輯器上依次畫出P管和N管的有源區(qū)、多晶硅及接觸孔等;完成必要的連線并標注輸入輸出端。
2.設計步驟
根據(jù)CMOS反相器的原理圖和剖面圖，在草稿紙上初步確定其版圖結(jié)構(gòu)及構(gòu)成;打開終端，進入pdt文件夾，鍵入pdt，進入ZeniPDT版圖編輯器;讀懂版圖的層次定義的文件，確定不同層次顏色的對應，熟悉版圖編輯器各個命令及其快捷鍵的使用;在版圖編輯器上初步畫出反相器的P管和N管;檢查畫出的P管和N管的正確性，并作必要的修改，然后按照原理圖上的連接關(guān)系作相應的連線，最后檢查修改整個版圖。
3.版圖驗證
打開終端，進入zse文件夾，鍵入zse，進入ZeniSE原理圖編輯器，正確畫出CMOS反相器的原理圖并導出其網(wǎng)表文件;調(diào)出版圖設計的設計規(guī)則文件，閱讀和理解其基本語句的含義，對其作相應的路徑和文件名的修改以滿足物理驗證的要求;打開終端，進入pdt文件夾，鍵入pdt，進入ZeniPDT版圖編輯器，調(diào)出CMOS反相器的版圖，在線進行DRC驗證并修改版圖;對網(wǎng)表一致性檢查文件進行路徑和文件名的修改，利用LDC工具進行LVS驗證;如果LVS驗證有錯，則需要調(diào)用LDX工具，對版圖上的錯誤進行修改。
4.設計提示
要很好的理解版圖設計的過程和意義，應對MOS結(jié)構(gòu)有一個深刻的認識;需要對器件做襯底接觸，版圖實現(xiàn)上襯底接觸直接做在電源線上;接觸孔的大小應該是一致的，在不違反設計規(guī)則的前提下，接觸孔應盡可能的多，金屬的寬度應盡可能寬;繪制圖形時可以多使用“復制”操作，這樣可以大大縮小工作量，且設計的圖形滿足要求并且精確;注意P管和N管有源區(qū)的大小，一般在版圖設計上，P管和N管大小之比是2：1;注意整個版圖的整體尺寸的合理分配，不要太大也不要太小;注意不同的層次之間應該保持一定的距離，層次本身的寬度的大小要適當，以滿足設計規(guī)則的要求。
四、基本MOS差分放大器版圖設計的設計實例介紹
在基本MOS差分放大器的版圖設計中，要求學生理解構(gòu)成差分式輸入結(jié)構(gòu)的原理和組成結(jié)構(gòu)，畫出相應的電路原理圖，進行ERC檢查，然后根據(jù)電路原理圖用PDT工具上繪制與之對應的版圖。當將基本的版圖繪制好之后，對版圖里的輸入、輸出端口以及電源線和地線進行標注，然后利用幾何設計規(guī)則文件進行在線DRC驗證，利用版圖與電路圖的網(wǎng)表文件進行LVS檢查，修改其中的錯誤并優(yōu)化版圖，最后全部通過檢查，設計完成。MOS差分放大器的原理圖和版圖分別如圖1和圖2所示，版圖與電路圖的網(wǎng)表一致性檢查(LVS)如圖3所示。
五、結(jié)束語
集成電路版圖設計的教學環(huán)節(jié)使學生鞏固了集成電路設計方面的理論知識，提高了學生在集成電路設計過程中分析問題和解決問題的能力，為今后的職業(yè)生涯和研究工作打下堅實的基礎(chǔ)。因此，在今后的教學改革工作中，除了要繼續(xù)提高教師的理論教學水平外，還必須高度重視以EDA工具和設計流程為核心的實踐教學環(huán)節(jié)，努力把課堂教學和實際設計應用緊密結(jié)合在一起，培養(yǎng)學生的實際設計能力，開闊學生的視野，在實驗項目和實驗內(nèi)容上進行新的探索和實踐。
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