“集成電路版圖設計”教學探索與實踐

阮穎

摘要：集成電路版圖設計起著承接電路設計和芯片實現的重要作用，是集成電路設計流程中必不可少的環節，同時也是應用型集成電路人才的培養方向。對集成電路版圖設計理論教學和實驗教學過程的實施進行了探索和實踐。以CMOS與非門為例，介紹了基于主流EDA工具的完整集成電路版圖設計流程的教學實例。

關鍵詞：集成電路設計；版圖；EDA

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0125-02

集成電路是當今信息技術產業高速發展的基礎和源動力，已經高度滲透與融合到國民經濟和社會發展的每個領域，其技術水平和發展規模已成為衡量一個國家產業競爭力和綜合國力的重要標志之一[1]，美國更將其視為未來20年從根本上改造制造業的四大技術領域之首。我國擁有全球最大、增長最快的集成電路市場，2013年規模達9166億元，占全球市場份額的50%左右。近年來，國家大力發展集成電路，在上海浦東等地建立了集成電路產業基地，對于集成電路設計、制造、封裝、測試等方面的專門技術人才需求巨大。為了適應產業需求，推進我國集成電路發展，許多高校開設了電子科學與技術專業，以培養集成電路方向的專業人才。集成電路版圖設計是電路設計與集成電路工藝之間必不可少的環節。據相關統計，在從事集成電路設計工作的電子科學與技術專業的應屆畢業生中，由于具有更多的電路知識儲備，研究生的從業比例比本科生高出很多。而以集成電路版圖為代表包括集成電路測試以及工藝等與集成電路設計相關的工作，相對而言對電路設計知識的要求低很多。因而集成電路版圖設計崗位對本科生而言更具競爭力。在版圖設計崗位工作若干年知識和經驗的積累也將有利于從事集成電路設計工作。因此，版圖設計工程師的培養也成為了上海電力學院電子科學與技術專業本科人才培養的重要方向和辦學特色。本文根據上海電力學院電子科學與技術專業建設的目標，結合本校人才培養和專業建設目標，就集成電路版圖設計理論和實驗教學環節進行了探索和實踐。

一、優化理論教學方法，豐富教學手段，突出課程特點

集成電路版圖作為一門電子科學與技術專業重要的專業課程，教學內容與電子技術（模擬電路和數字電路）、半導體器件、集成電路設計基礎等先修課程中的電路理論、器件基礎和工藝原理等理論知識緊密聯系，同時版圖設計具有很強的實踐特點。因此，必須從本專業學生的實際特點和整個專業課程布局出發，注重課程與其他課程承前啟后，有機融合，摸索出一套實用有效的教學方法。在理論授課過程中從集成電路的設計流程入手，在CMOS集成電路和雙極集成電路基本工藝進行概述的基礎上，從版圖基本單元到電路再到芯片循序漸進地講授集成電路版圖結構、設計原理和方法，做到與上游知識點的融會貫通。

集成電路的規模已發展到片上系統（SOC）階段，教科書的更新速度遠遠落后于集成電路技術的發展速度。集成電路工藝線寬達到了納米量級，對于集成電路版圖設計在當前工藝條件下出現的新問題和新規則，通過查閱最新的文獻資料，向學生介紹版圖設計前沿技術與發展趨勢，開拓學生視野，提升學習熱情。在課堂教學中盡量減少冗長的公式和繁復的理論推導，將理論講解和工程實踐相結合，通過工程案例使學生了解版圖設計是科學、技術和經驗的有機結合。比如，在有關天線效應的教學過程中針對一款采用中芯國際（SMIC）0.18um 1p6m工藝的雷達信號處理SOC 芯片，結合跳線法和反偏二極管的天線效應消除方法，詳細闡述版圖設計中完全修正天線規則違例的關鍵步驟，極大地激發了學生的學習興趣，收到了較好的教學效果。

集成電路版圖起著承接電路設計和芯片實現的重要作用。通過版圖設計，可以將立體的電路轉化為二維的平面幾何圖形，再通過工藝加工轉化為基于半導體硅材料的立體結構[2]。集成電路版圖設計是集成電路流程中的重要環節，與集成電路工藝密切相關。為了讓學生獲得直觀、準確和清楚的認識，制作了形象生動、圖文并茂的多媒體教學課件，將集成電路典型的設計流程、雙極和CMOS集成電路工藝流程、芯片內部結構、版圖的層次等內容以圖片、Flash動畫、視頻等形式進行展示。

版圖包含了集成電路尺寸、各層拓撲定義等器件相關的物理信息數據[3]。掩膜上的圖形決定著芯片上器件或連接物理層的尺寸。因此版圖上的幾何圖形尺寸與芯片上物理層的尺寸直接相關。而集成電路制造廠家根據版圖數據來制造掩膜，對于同種工藝各個foundry廠商所提供的版圖設計規則各不相同[4]。教學實踐中注意將先進的典型芯片版圖設計實例引入課堂，例如舉出臺灣積體電路制造公司（TSMC）的45nm CMOS工藝的數模轉換器的芯片版圖實例，讓學生從當今業界實際制造芯片的角度學習和掌握版圖設計的規則，同時切實感受到模擬版圖和數字版圖設計的藝術。

二、利用業界主流EDA工具，構建基于完整版圖設計流程的實驗體系

集成電路版圖設計實驗采用了Cadence公司的EDA工具進行版圖設計。Cadence的EDA產品涵蓋了電子設計的整個流程，包括系統級設計、功能驗證、集成電路（IC）綜合及布局布線、物理驗證、PCB設計和硬件仿真建模模擬、混合信號及射頻IC設計、全定制IC設計等。全球知名半導體與電子系統公司如AMD、NEC、三星、飛利浦均將Cadence軟件作為其全球設計的標準。將業界主流的EDA設計軟件引入實驗教學環節，有利于學生畢業后很快適應崗位，盡快進入角色。

專業實驗室配備了多臺高性能Sun服務器、工作站以及60臺供學生實驗用的PC機。服務器中安裝的Cadence 工具主要包括：Verilog HDL的仿真工具Verilog-X、電路圖設計工具Composer、電路模擬工具Analog Artist、版圖設計工具Virtuoso Layout Editing、版圖驗證工具Dracula 和Diva、自動布局布線工具Preview和Silicon Ensemble。

Cadence軟件是按照庫（Library）、單元（Cell）、和視圖（View）的層次實現對文件的管理。庫、單元和視圖三者之間的關系為庫文件是一組單元的集合，包含著各個單元的不同視圖。庫文件包括技術庫和設計庫兩種，設計庫是針對用戶設立，不同的用戶可以有不同的設計庫。而技術庫是針對工藝設立，不同特征尺寸的工藝、不同的芯片制造商的技術庫不同。為了讓學生在掌握主流EDA工具使用的同時對版圖設計流程有準確、深入的理解，安排針對無錫上華公司0.6um兩層多晶硅兩層金屬（Double Poly Double Metal）混合信號CMOS工藝的一系列實驗讓學生掌握包括從電路圖的建立、版圖建立與編輯、電學規則檢查（ERC），設計規則檢查（DRC）、到電路圖-版圖一致性檢查（LVS）的完整的版圖設計流程[5]。通過完整的基于設計流程的版圖實驗使學生能較好地掌握電路設計工具Composer、版圖設計工具Virtuoso Layout Editor以及版圖驗證工具Dracula和Diva的使用，同時對版圖設計的關鍵步驟形成清晰的認識。

以下以CMOS與非門為例，介紹基于一個完整的數字版圖設計流程的教學實例。

在CMOS與非門的版圖設計中，首先要求學生建立設計庫和技術庫，在技術庫中加載CSMC 0.6um的工藝的技術文件，將設計庫與技術庫進行關聯。然后在設計庫中用Composer中建立相應的電路原理圖（schematic），進行ERC檢查。再根據電路原理圖用Virtuoso Layout Editor工具繪制對應的版圖（layout）。版圖繪制步驟依次為MOS晶體管的有源區、多晶硅柵極、MOS管源區和漏區的接觸孔、P+注入、N阱、N阱接觸、N+注入、襯底接觸、金屬連線、電源線、地線、輸入及輸出。基本的版圖繪制完成之后，將輸入、輸出端口以及電源線和地線的名稱標注于版圖的適當位置處，再在Dracula工具中利用幾何設計規則文件進行DRC驗證。然后利用GDS版圖數據與電路圖網表進行版圖與原理圖一致性檢查（LVS），修改其中的錯誤并按最小面積優化版圖，最后版圖全部通過檢查，設計完成。圖1和圖2分別給出了CMOS與非門的原理圖和版圖。

三、結束語

集成電路版圖設計教學是電子科學與技術專業和相關電類專業培養應用型集成電路人才的重要環節，使學生鞏固了集成電路電路原理、工藝和器件等理論知識，掌握了集成電路版圖設計流程、方法和主流的EDA版圖工具的使用，提高了學生的工程實踐能力，同時培養了學生分析問題、解決問題的能力。隨著集成電路飛速發展到納米工藝，版圖相關的新技術和設計規則不斷涌現。因此，在今后的教學改革工作中，與時俱進，圍繞先進的實際設計案例將課堂教學和設計應用緊密結合，構建集成電路版圖設計的教學和實踐體系，具有重要的意義。

參考文獻：

[1]毛劍波，汪濤，張天暢.微電子專業集成電路版圖設計的教學研究[J].中國電力教育，2012，（23）：52-53.

[2]陸學斌.集成電路版圖設計[M].北京：北京大學出版社，2012.

[3]Dan Clein.CMOS集成電路版圖——概念、方法與工具[M].北京：電子工業出版社，2006.

[4]R.J Baker.CMOS集成電路設計手冊（第3版·基礎篇）[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[5]何常德，張國軍，劉俊.“集成電路分析與設計”課程的實驗教學方法改革[J].電氣電子教學學報，2011，33（2）：74-77.

（責任編輯：劉麗娜）