微電子專業(yè)集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)研究

摘要：集成電路版圖設(shè)計(jì)涵蓋了微電子學(xué)、電路理論、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等諸多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，這是微電子學(xué)專業(yè)的辦學(xué)重要特色和人才培養(yǎng)重點(diǎn)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(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)，鞏固了專業(yè)課程的理論知識(shí)，提高了集成電路設(shè)計(jì)的實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：集成電路設(shè)計(jì)；版圖；CMOS

作者簡(jiǎn)介：毛劍波（1970-），男，江蘇句容人，合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，副教授；汪濤（1981-），男，河南商城人，合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，講師。（安徽 合肥 230009）

基金項(xiàng)目：本文系安徽省高校教研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20100115）、省級(jí)特色專業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20100062）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2012）23-0052-02

集成電路（Integrated Circuit）產(chǎn)業(yè)是典型的知識(shí)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(jì)和社會(huì)發(fā)展全局的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)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(duì)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(shè)計(jì)、芯片制造和封測(cè)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(jìn)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(qiáng)、應(yīng)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(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)業(yè)的龍頭和靈魂。而我國集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)滯后于計(jì)算機(jī)與通信產(chǎn)業(yè)，集成電路設(shè)計(jì)人才嚴(yán)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(shè)計(jì)人才，是當(dāng)前集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個(gè)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(jī)遇和挑戰(zhàn)。[1-4]

一、集成電路版圖設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)

為了滿足新形勢(shì)下集成電路人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的需要，合肥工業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“我校”）從2005年起借助于大學(xué)計(jì)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(shí)驗(yàn)室，配備了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni設(shè)計(jì)系統(tǒng)等EDA軟件。我校相繼開設(shè)了與集成電路設(shè)計(jì)密切相關(guān)的本科課程，如集成電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、模擬集成電路設(shè)計(jì)、集成電路版圖設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、ASIC設(shè)計(jì)方法、硬件描述語言等。同時(shí)對(duì)課程體系進(jìn)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(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，通過對(duì)課程內(nèi)容的精選、重組和充實(shí)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的開展，構(gòu)成了系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)教學(xué)過程。[5，6]

集成電路設(shè)計(jì)從實(shí)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(shè)計(jì)。全定制集成電路設(shè)計(jì)，特別是其后端的版圖設(shè)計(jì)，涵蓋了微電子學(xué)、電路理論、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等諸多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，這是微電子學(xué)專業(yè)的辦學(xué)重要特色和人才培養(yǎng)重點(diǎn)方向，目的是給本科專業(yè)學(xué)生打下堅(jiān)實(shí)的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。

在集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)中，采用的是中電華大電子設(shè)計(jì)公司設(shè)計(jì)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(shí)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(jí)的集成電路設(shè)計(jì)規(guī)模，可進(jìn)行國際通用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，它的某些功能如版圖編輯、驗(yàn)證等已經(jīng)與國際產(chǎn)品相當(dāng)甚至更優(yōu)，已經(jīng)在商業(yè)化的集成電路設(shè)計(jì)公司以及東南大學(xué)等國內(nèi)二十多所高校中得到了應(yīng)用，特別是在模擬和高速集成電路的設(shè)計(jì)中發(fā)揮了強(qiáng)大的功能，并成功開發(fā)出了許多實(shí)用的集成電路芯片。

九天EDA軟件系統(tǒng)包括ZeniDM（Design Management）設(shè)計(jì)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(yàn)證工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）層次版圖設(shè)計(jì)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(hào)完整性分析工具等幾個(gè)主要模塊，實(shí)現(xiàn)了從集成電路電路原理圖到版圖的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

二、集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)結(jié)合九天EDA軟件的功能特點(diǎn)，在本科生三年級(jí)下半學(xué)期開設(shè)了為期一周的以九天EDA軟件為工具的集成電路版圖設(shè)計(jì)課程。

在集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)中，首先對(duì)集成電路設(shè)計(jì)的一些相關(guān)知識(shí)進(jìn)行回顧，介紹版圖設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，如集成電路設(shè)計(jì)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(shí)及物理結(jié)構(gòu)，版圖設(shè)計(jì)的基本流程，版圖的總體設(shè)計(jì)，布局規(guī)劃以及標(biāo)準(zhǔn)單元的版圖設(shè)計(jì)等。然后結(jié)合上機(jī)實(shí)驗(yàn)，講解Unix和Linux操作系統(tǒng)的常用命令，詳細(xì)闡述基于標(biāo)準(zhǔn)單元庫的版圖設(shè)計(jì)流程，指導(dǎo)學(xué)生使用ZeniSE繪制電路原理圖，使用ZeniPDT進(jìn)行NMOS/PMOS以及反相器的簡(jiǎn)單版圖設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生自主選擇一些較為復(fù)雜的單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(chǔ)單元等，使學(xué)生能深入理解集成電路版圖設(shè)計(jì)的概念原理和設(shè)計(jì)方法。最后介紹版圖驗(yàn)證的基本思想及實(shí)現(xiàn)，包括設(shè)計(jì)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(dǎo)學(xué)生使用ZeniVERI等工具進(jìn)行版圖驗(yàn)證、查錯(cuò)和修改。[7]

集成電路版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)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(yàn)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(shè)置，能識(shí)別基本單元的版圖，根據(jù)版圖信息初步提取出相應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)則文件的含義。版圖設(shè)計(jì)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(dá)到的電學(xué)性能，這些規(guī)則是電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)則的目的是使集成電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)版圖驗(yàn)證命令文件（command file）。版圖驗(yàn)證需要四個(gè)文件（DRC文件、ERC文件、NE文件和LVS文件）來支持，要求學(xué)生能夠利用ZeniVERI進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查DRC驗(yàn)證并修改版圖、電學(xué)規(guī)則檢查（ERC）、版圖網(wǎng)表提取（NE）、利用LDC工具進(jìn)行LVS驗(yàn)證，利用LDX工具進(jìn)行LVS的查錯(cuò)及修改等。

第四，了解版圖庫的概念。采用半定制標(biāo)準(zhǔn)單元方式設(shè)計(jì)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(xué)會(huì)版圖庫的建立也是版圖設(shè)計(jì)教學(xué)的一個(gè)重要內(nèi)容。

三、CMOS反相器的版圖設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)例介紹

下面以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS反相器來簡(jiǎn)單介紹一下集成電路版圖設(shè)計(jì)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(biāo)注輸入輸出端。

2.設(shè)計(jì)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(jìn)入pdt文件夾，鍵入pdt，進(jìn)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(duì)應(yīng)，熟悉版圖編輯器各個(gè)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(yīng)的連線，最后檢查修改整個(gè)版圖。

3.版圖驗(yàn)證

打開終端，進(jìn)入zse文件夾，鍵入zse，進(jìn)入ZeniSE原理圖編輯器，正確畫出CMOS反相器的原理圖并導(dǎo)出其網(wǎng)表文件；調(diào)出版圖設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)規(guī)則文件，閱讀和理解其基本語句的含義，對(duì)其作相應(yīng)的路徑和文件名的修改以滿足物理驗(yàn)證的要求；打開終端，進(jìn)入pdt文件夾，鍵入pdt，進(jìn)入ZeniPDT版圖編輯器，調(diào)出CMOS反相器的版圖，在線進(jìn)行DRC驗(yàn)證并修改版圖；對(duì)網(wǎng)表一致性檢查文件進(jìn)行路徑和文件名的修改，利用LDC工具進(jìn)行LVS驗(yàn)證；如果LVS驗(yàn)證有錯(cuò)，則需要調(diào)用LDX工具，對(duì)版圖上的錯(cuò)誤進(jìn)行修改。

4.設(shè)計(jì)提示

要很好的理解版圖設(shè)計(jì)的過程和意義，應(yīng)對(duì)MOS結(jié)構(gòu)有一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)；需要對(duì)器件做襯底接觸，版圖實(shí)現(xiàn)上襯底接觸直接做在電源線上；接觸孔的大小應(yīng)該是一致的，在不違反設(shè)計(jì)規(guī)則的前提下，接觸孔應(yīng)盡可能的多，金屬的寬度應(yīng)盡可能寬；繪制圖形時(shí)可以多使用“復(fù)制”操作，這樣可以大大縮小工作量，且設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)上，P管和N管大小之比是2：1；注意整個(gè)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(yīng)該保持一定的距離，層次本身的寬度的大小要適當(dāng)，以滿足設(shè)計(jì)規(guī)則的要求。

四、基本MOS差分放大器版圖設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)實(shí)例介紹

在基本MOS差分放大器的版圖設(shè)計(jì)中，要求學(xué)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(yīng)的電路原理圖，進(jìn)行ERC檢查，然后根據(jù)電路原理圖用PDT工具上繪制與之對(duì)應(yīng)的版圖。當(dāng)將基本的版圖繪制好之后，對(duì)版圖里的輸入、輸出端口以及電源線和地線進(jìn)行標(biāo)注，然后利用幾何設(shè)計(jì)規(guī)則文件進(jìn)行在線DRC驗(yàn)證，利用版圖與電路圖的網(wǎng)表文件進(jìn)行LVS檢查，修改其中的錯(cuò)誤并優(yōu)化版圖，最后全部通過檢查，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的教學(xué)環(huán)節(jié)使學(xué)生鞏固了集成電路設(shè)計(jì)方面的理論知識(shí)，提高了學(xué)生在集成電路設(shè)計(jì)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，在今后的教學(xué)改革工作中，除了要繼續(xù)提高教師的理論教學(xué)水平外，還必須高度重視以EDA工具和設(shè)計(jì)流程為核心的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，努力把課堂教學(xué)和實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用緊密結(jié)合在一起，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際設(shè)計(jì)能力，開闊學(xué)生的視野，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上進(jìn)行新的探索和實(shí)踐。

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（責(zé)任編輯：宋秀麗）