微電子概論標(biāo)準(zhǔn)單元技術(shù)

微電子概論標(biāo)準(zhǔn)單元技術(shù)第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四第四章標(biāo)準(zhǔn)單元技術(shù)standardcelltechniques開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)單元庫的原因標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格定向型工藝層技術(shù)

網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計(jì)規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出單元

2第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四全定制：按規(guī)定的功能、性能要求，對電路的結(jié)構(gòu)布局、布線均進(jìn)行專門的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到芯片的最佳利用。半定制：由廠家提供一定規(guī)格的功能塊，如門陣列、標(biāo)準(zhǔn)單元、可編程邏輯器件等，按用戶要求利用專門設(shè)計(jì)的軟件進(jìn)行必要的連接，稱為半定制電路。開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)單元庫的原因：對于全定制設(shè)計(jì)來說，獨(dú)立模塊的規(guī)模過于龐大和復(fù)雜，因此就存在著加快電路和版圖設(shè)計(jì)過程的需要。缺乏具有手工實(shí)現(xiàn)復(fù)雜全定制模塊設(shè)計(jì)能力的專業(yè)人員，而自動化工具緩解了這個問題。典型加工工藝的進(jìn)步，包括布線金屬層從1層金屬增加到2層金屬或3層金屬。對最佳結(jié)果的實(shí)現(xiàn)，這進(jìn)一步增加了全定制版圖設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜性。甚至在全定制設(shè)計(jì)流程中，當(dāng)構(gòu)建模塊以預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)時，規(guī)模在20個單元以上的布局布線會更加容易。而單元接口的標(biāo)準(zhǔn)化在庫中就可以實(shí)現(xiàn)了。開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)單元庫的原因3第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四一個典型的標(biāo)準(zhǔn)單元庫有幾百個單元，而高級的庫則有1000個以上的單元。有些單元庫會針對低功耗、高速和高空隙率而進(jìn)行專門設(shè)計(jì)、開發(fā)。

空隙率：可全部用于布線的面積與整個單元面積的比率。經(jīng)典的布線器是基于網(wǎng)格的。網(wǎng)格布線器遵循的約束條件：導(dǎo)線只能有幾種固定的寬度；導(dǎo)線只能放在預(yù)先確定了坐標(biāo)的網(wǎng)格上。標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter4第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四“l(fā)ayerrules”和“physicalrules”都在庫文件“techfile”中。一般“techfile”中包含以下內(nèi)容：

CONTROLS：“maskGrid0.01”LAYERDEFINITIONLAYERRULESPHYSICALRULESDEVICES標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter5第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四techfile-LAYERRULES

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter“POLY2”isconnectedto“MET1”with“CNT”;“MET1”isconnectedto“MET2”with“VIA1”;……

CNT碳納米管表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率通?？蛇_(dá)銅的1萬倍6第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四techfile-PHYSICALRULES

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterpleaserememberthesedefinitions:width、space、area、overlap、extension、enclosure(外邊界與內(nèi)邊界間的最小距離)7第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四techfile-PHYSICALRULES最小寬度minWidth:封閉幾何圖形的內(nèi)邊之間的距離。

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter

在利用DRC（設(shè)計(jì)規(guī)則檢查）對版圖進(jìn)行幾何規(guī)則檢查時，對于寬度低于規(guī)則中指定的最小寬度的幾何圖形，工具將會給出錯誤的提示。8第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四techfile-PHYSICALRULES最小間距minSpacing：各幾何圖形外邊界之間的距離。

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter9第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四techfile-PHYSICALRULES最小交疊minOverlap:

交疊有兩種形式：

a.一幾何圖形內(nèi)邊界到另一圖形的內(nèi)邊界長度（overlap）

b.一幾何圖形外邊界到另一圖形的內(nèi)邊界長度（extension）

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouter10第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四techfile-PHYSICALRULES

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterpleasekeeptheserulesinyourmindanddon’tviolatethemwhenyoulayout.11第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四techfile-PHYSICALRULES

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterThewidthof“NWELL”mustbegreaterthanorequaltothe“minWidth=1.2microns”;andthespaceoftwo“NWELLs”mustbegreaterthanorequaltotheminSpacing=0.6microns”.NWELLNWELL≧minSpacing≧minWidth12第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四coarsegridexample:

標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterMinimumwireis1micron,minimumspacingis1micron,therefore,ourtwowiresuse3microns,andwehaveestablishedcenter-to-centergridspacingof2micronsforthisprocess.2microns1microns1microns1microns最小金屬線越寬，或金屬線間必須相隔得越遠(yuǎn)，網(wǎng)格也就越大

13第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-網(wǎng)格式布線器grid-basedrouterdeterminingourminimumwirewidthsandminimumspacingbetweenwiresdictatehowcoarseorfineourgridwillbe.最小金屬線越寬，或金屬線間必須相隔得越遠(yuǎn)，網(wǎng)格也就越大;

“designrulesdeterminegridsize.”thegrid-basedroutercanonlyplacewiresalongourgridlines,fromintersectiontointersection.14第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-規(guī)則式布線器rule-basedrouter不同工藝層上的金屬線寬及其間距都有不同的最小寬度，如果我們要使所有的網(wǎng)格都采用同樣的尺寸，那么我們只能統(tǒng)一地采用芯片上尺寸要求最大的那個工藝層上的尺寸?！皉ule-basedrouter:usestherealdesignrulesforeachlayer,insteadofusingafixedgrid.”大多數(shù)人采用grid-basedrouter，因?yàn)樗唵危蝗绻捎胷ule-basedrouter，緊湊，節(jié)省版圖空間。15第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格-規(guī)則式布線器rule-basedrouter對每一層采用不同的網(wǎng)格尺寸，但這會使我們很難把所有的接觸孔和通孔都對齊并落在每一層垂直和水平網(wǎng)格線的交點(diǎn)上。16第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四thedifferencebetween“via”and“contact”:contact：一般是說把poly或者p+n+擴(kuò)散區(qū)連接到最低層金屬，connecttheterminaltometalvia:connectthemetalsofdifferentlayers

generallyspeaking,thedefaultpreferredroutingdirection:metal1-horizontalmetal2-verticalmetal3-horizontalmetal4-vertical定向型工藝層技術(shù)routingsimplybenefitreducecross-talk17第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四“小的轉(zhuǎn)向不必改換金屬層”

（注：此處的“小”指只有一兩個網(wǎng)格的轉(zhuǎn)向）原因：

1.如果用metal2來安排這些小而短的轉(zhuǎn)向，就再也不能在他們之間提供另外的布線機(jī)會了；

2.可能會造成很高的電阻；

3.via不易刻蝕。定向型工藝層技術(shù)unnecessary,othermetal2scantroutehere18第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四對齊輸入輸出：輸入A和輸出Z不能隨意放置。它們必須像所有的連線一樣位于同樣的網(wǎng)格上。保證標(biāo)準(zhǔn)單元的所有輸入輸出不僅在x網(wǎng)格上，還要在y網(wǎng)格上。要保證自動布線軟件在水平方向和垂直方向都能找到它們。保證所有的庫單元以及庫單元內(nèi)部的器件符合網(wǎng)格規(guī)則。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計(jì)規(guī)則AZPNVDDVSS19第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四高度固定，寬度可變：為了保持結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，所有的門都必須服從固定高度設(shè)置。如果需要有較大驅(qū)動能力的晶體管，只要使單元變寬并分割晶體管使之能放在軌線之內(nèi)就可以了。最小單元高度由通過模擬得到的晶體管尺寸以及為庫所選擇的網(wǎng)格決定。一般選擇的高度要略大于這個最小高度，來作為電源線和地線的布線溝道。采用高度固定的庫的優(yōu)點(diǎn)：如將所有的門挨個擺放，電源線、地線就很容易布線。數(shù)字庫:高度固定，寬度可變。(fixedheight,variablewidth.)

大多數(shù)庫都是這樣的。對于數(shù)字版圖，特別是標(biāo)準(zhǔn)單元版圖，是唯一可行的方式。在模擬版圖設(shè)計(jì)中也非常有用，甚至是全定制的AIC。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計(jì)規(guī)則20第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四公用N阱：典型的CMOS工藝通常都有一個關(guān)于N阱間距的規(guī)則，這個間距要求很大，而晶體管的間距要求，要比N阱的間距小得多?？梢栽O(shè)計(jì)一個大的單個的N阱來節(jié)省空間。

N阱間距限制晶體管間距限制網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計(jì)規(guī)則nwellspacingdevicespacing21第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計(jì)規(guī)則現(xiàn)在限制設(shè)計(jì)的規(guī)則就是晶體管與晶體管的間距，這要比N阱的間距小得多.22第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四如果軌線延伸到單元邊緣，那么把這些單元對接，就形成了一條很長的電源軌線帶。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計(jì)規(guī)則powerground23第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四半網(wǎng)格單元尺寸：half-gridcellsizing所有單元內(nèi)部的導(dǎo)線都處于網(wǎng)格上，而相互對接單元的邊緣落在兩條網(wǎng)格線的中間，即處于半個網(wǎng)格的位置上。由于單元可以在各個方向?qū)?，所以一個單元的每一邊（上、下、左、右）都應(yīng)當(dāng)落在半個網(wǎng)格的位置上。buttingedges對接邊沿

網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計(jì)規(guī)則powerrailbuttingedgeson-gridwiregridpoint24第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期四半尺寸設(shè)計(jì)規(guī)則：half-designrule為了使兩個對接單元間的晶體管也有最小間距，每一個晶體管就應(yīng)當(dāng)距離單元邊沿至少有一半的最小間距。網(wǎng)格決定了庫單元的設(shè)計(jì)。每一樣?xùn)|西都必須放在網(wǎng)格上，所有的單元都必須服從半網(wǎng)格的規(guī)則。網(wǎng)格式布線系統(tǒng)要求的庫設(shè)計(jì)規(guī)則powerrailbuttingedgesgridpoint