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模擬集成電路設計流程——版圖設計基礎（一）

發布時間：2022-03-18作者來源：薩科微瀏覽：7164

模擬集成電路設計中，除了電路的設計以及仿真之外，版圖設計也是很重要的內容，版圖設計的質量直接跟芯片的性能相關，接下來的幾次內容會跟大家一起學習版圖設計的內容。

版圖前的準備      

軟件上設計的電路是如何在代工廠加工成有一定功能的芯片呢？電路設計和芯片之間是通過版圖聯系的，電路設計只是一個形式，而版圖是電路的具體表現。通俗來講，代工廠就是按照設計者提供的版圖制造掩膜版，再通過掩膜版的形狀結合工藝流程實現芯片制造。

上圖展示的是CMOS工藝實現的反相器截面圖，圖中                    和                    區域的分布決定著NMOS和PMOS的區域，版圖設計就是確定這些區域如何分布，以及NMOS和PMOS之間的連線是如何實現的。  
  了解完版圖是做什么的之后，再回到之前遺留的一個問題：PDK如何包含工藝信息？  
  這個問題深入來說不太好講，大家剛開始接觸也無法深入理解，以后會隨著對工藝流程的深入學習漸漸熟悉，這里稍作解釋，當做科普來看吧，內容不一定嚴謹，還請各位勿深究。
 
  首先工廠對PDK使用的工藝有一個定義，這個文件叫做techfile.tf, 大家可以去自己使用的PDK中查找，應該都會找到這個文件，在這個文件中對工藝中使用的各個層的名字、顯示顏色等都有定義，除此之外每一層都會對應一個數字編號，可以這么打比方：  
  工藝中的一個加工層就好比一個人，層的名字對應人的名字，層的顯示顏色對應人的穿衣，層的編號對應人的身份證號碼。人與人之間的日常交流只需要知道這個人的姓名和穿了什么樣的衣服即可，而不會在意他的身份證號碼，只有在核實一個人的身份時才需要提供身份證號碼。  
  版圖設計中設計者看到的也是每一層的名字和顏色，不會糾結對應層的編號，因為那個編號是給工藝廠用來確定這一層具體對應哪一個加工步驟的，與設計的人關系并不密切。  
  當然，實際PDK會對techfile.tf文件進行編譯，讓它變成不可隨意編輯的內容然后提供給使用者，否則萬一用戶不小于改變了techfile.tf的內容，那么PDK中的工藝信息豈不是會改變，工廠在加工時就無法確認工藝！  
  PDK會在提供工藝信息的同時提供給用戶一個顯示文件，文件名為：display.drf，這個文件中定義的是不同工藝層的“衣服”。正如一個人的身份證號碼不能更改，但是穿什么樣的衣服卻沒人干預一樣。工藝廠不會讓用戶改動每一層對應的編號，但是每一層該如何顯示全看用戶習慣，用戶可以修改display.drf文件中的內容，改變層的顯示顏色和顯示方法，這個文件在PDK中也可以找到，大家可以打開閱讀一下內容。  
  在開始版圖前，需要向軟件聲明本次設計采用的是哪個工藝。還記得在新建設計庫的時候我們跳過了一個跟工藝有關的步驟嗎？這里到了不得不確定設計工藝的時候了。  
  在CIW窗口，選擇：Tools->Technology File Manager->Attach, 然后在彈出框內選擇把自己的設計庫關聯到PDK提供的工藝庫上，如下圖所示，這個步驟也可以在新建庫的時候實現。     如此在打開版圖文件的時候軟件就會根據PDK中層的定義顯示層的名稱，同時在給版圖層編號的時候就會與選擇的PDK中層編號一致。  
  另外，為了保證版圖顯示文件與PDK的techfile.tf文件保持一致，在開始版圖前需要把PDK中display.drf文件拷貝到Cadence軟件的啟動目錄。  
  有些工藝中display.drf文件還會跟原理圖的顯示有關，如果在原理圖中發現連線等顯示不正確的問題，可以先拷貝工藝庫中display.drf文件到工作目錄，再考慮其他原因。       熟悉版圖設計環境      

首先了解一下版圖設計工具，同時通過打開PDK中提供的器件版圖了解一下版圖設計。在軟件Library Manager窗口中找到PDK提供的庫，選擇提供layout View的器件，并打開對應的layout.


小目同學使用的庫是smic18mmrf，選擇器件n33, 并打開對應的版圖，如下圖中所示。

查看PDK中提供的器件版圖      圖片    NMOS版圖及軟件工作界面介紹       上下滑動可以查看更多內容哦！       在版圖界面左側有一個顯示工藝層的窗口(LSW)，這是畫版圖過程中使用率[敏感詞]的窗口，在其中可以設置選擇某一層、顯示哪些層以及哪些層可以被選中等，也可以更換層的顯示形狀及顏色。  
  版圖界面的上方是工具欄，與原理圖界面功能相似，包括新建內容、調用器件等內容。除此之外是版圖工作區域，用戶調用、繪畫的版圖都在其中顯示。    

結合上面的版圖示例和本文最初給出的CMOS反相器截面圖來初步認識一下版圖，同時熟悉一下版圖中對某些層的一些常用叫法。

版圖中常用層的叫法和意義

習慣叫法

實現功能

顯示名稱(smic18mmrf)

poly

定義MOS管的柵極或者電阻區域等

GT

metal

所有金屬互連

M1、M2、M3...

active area

定義離子注入區域

AA

n plus(p plus)

定義離子注入類型

SN(SP)

contact

active area(poly)與M1的過孔

CT

via

金屬之間的過孔

V1、V2、V3...

上下、左右滑動可以查看更多內容哦！

版圖工具使用過程中也有很多快捷鍵來提高工作效率，下面介紹常用的快捷鍵，用戶可以自己嘗試每個快捷鍵的功能。

版圖設計中常用快捷鍵

快捷鍵

實現功能

快捷鍵

實現功能

p

創建連線

shift+p

創建多邊形

r

創建矩形

shift+r

改變已有形狀

o

[敏感詞]過孔

shift+o

旋轉工具

i

[敏感詞]實例

q

編輯屬性

c

復制圖形

shift+c

裁剪工具

m

移動工具

shift+m

合并圖形

l

創建線名

s

拉伸工具

k

創建標尺

shift+k

清除標尺

f

顯示全部

n

45°走線

u

撤銷操作

shift+u

取消撤銷操作

t

查看層名

z

區域放大

y

復制區域

shift+y

粘貼區域

v

綁定圖形

backspace

撤銷一次操作

a

快速對齊

shift+a

區域選擇

ctrl+z

放大

shift+z

縮小

ctrl+f

顯示層次

shift+f

鋪平顯示

x

原地編輯

shift+x

進入下一級

ctrl+b

返回上一級

ctrl+a

選中所有

ctrl+w

關閉視圖

shift+w

下一個視圖

tab

移動視圖

delete

刪除內容

enter

完成操作

esc

結束操作

方向鍵

移動視角

shift+方向鍵

移動光標

上下、左右滑動可以查看更多內容哦！

以上是部分軟件默認狀態的快捷鍵，熟悉之后用戶可以根據自己的操作習慣更改快捷鍵。快捷鍵的功能可能存在一定的翻譯偏差，希望各位同學在實際操作中慢慢體會，熟練使用快捷鍵可以大大提高版圖效率。       反相器版圖設計      

新建反相器的版圖View, 在Library Manager界面：File->New->Cell View, 選出自己的工程庫，Cell選擇：inv, Type選擇layout, 打開工具選擇默認即可，確定之后會彈出版圖設計窗口。

  下面開始反相器版圖設計，反相器中有兩個器件，分別是NMOS和PMOS，所以首先完成兩個器件，再考慮器件之間的互連。
 
  版圖設計中器件的版圖實現有不同的方法：
  • 用戶自行畫器件版圖：按照工藝中器件的定義和設計中器件尺寸，逐層畫出器件中的所有層，以實現器件功能（適用于沒有PDK的設計）。
  • 調用PDK中器件：從PDK中調用工藝庫提供的器件，可以方便地更改器件尺寸（適用于基于PDK的設計）。
  • 從原理圖導入器件：軟件支持從原理圖中導入器件版圖，導入的器件屬性與原理圖中器件保持一致（適用于基于PDK的設計）。  


因為我們是基于PDK的版圖設計，所以可以直接使用PDK提供的器件版圖，免除了自己設計器件版圖的麻煩。


在版圖設計界面使用快捷鍵i, 然后與原理圖設計中調用器件類似，不過此時選擇器件View為layout，然后填入器件參數，將調用的器件放在工作區域，例如調用一個n33的NMOS.


 




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