一種基于省時(shí)考慮的深亞微米VLSI的物理驗(yàn)證方法

　　前言 

　　超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)進(jìn)入到深亞微米工藝后，以時(shí)序驅(qū)動(dòng)為主的開發(fā)方法使用更加普遍，面臨的新挑戰(zhàn)也隨之而來：為了可制造性而要面臨越來越多的金屬層密度問題和天線效應(yīng)問題，同時(shí)面積減小了，但由于連線延時(shí)效應(yīng)影響，給布局布線帶來了困難，以至于不得不根據(jù)布線后時(shí)序的結(jié)果回過頭重新調(diào)整時(shí)序約束以保證后面布線后滿足時(shí)序要求。這使得整個(gè)后端的時(shí)間進(jìn)度壓力加大，尤其對(duì)物理驗(yàn)證而言，作為后端設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)交給代工廠家前的最后一道程序，時(shí)間被壓縮的很緊。因此有必要提出一套成熟的物理驗(yàn)證方法，來加快物理驗(yàn)證的速度，為加快芯片研發(fā)速度，盡快進(jìn)入市場贏得時(shí)間。

　　1 物理驗(yàn)證及工具簡述

　　傳統(tǒng)的物理驗(yàn)證主要包括設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)，天線效應(yīng)檢查(ANT)，版圖一致性驗(yàn)證(LVS)和電氣規(guī)則檢查(ERC)四部分，本課題使用的工具是Synopsys公司的版圖工具Astro和物理驗(yàn)證工具Hercules。Hercules擁有進(jìn)行超深亞微米(UDSM)工藝驗(yàn)證的能力，可進(jìn)行億門級(jí)的微處理器和千萬門級(jí)的ASIC的物理驗(yàn)證。通過更加高效的驗(yàn)證來縮短設(shè)計(jì)周期，并提供圖形界面來幫助設(shè)計(jì)人員快速發(fā)現(xiàn)和改正違例錯(cuò)誤。它可以和Synopsys公司的milkyway數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫連接，設(shè)計(jì)人員使用milkyway數(shù)據(jù)進(jìn)行布局布線和版圖優(yōu)化。Milkyway是Astro工具的版圖格式，它的設(shè)計(jì)單元稱為cell，含有多種視圖(View)，其中與物理驗(yàn)證關(guān)系密切的是CEL View和FILL View，CEL View含有實(shí)現(xiàn)邏輯功能的版圖信息，F(xiàn)ILL View含有進(jìn)行可制造性設(shè)計(jì)(Design for Manufacturing，DFM)時(shí)插入的填充金屬(metal filler)信息。本處的DFM是指對(duì)布線結(jié)束后的設(shè)計(jì)為了滿足工藝制造性要求，根據(jù)天線效應(yīng)規(guī)則、密度設(shè)計(jì)規(guī)則等進(jìn)行的插入二極管，添加填充金屬，放人fill單元等操作的總稱。其中添加metal filler是為了滿足覆蓋密度要求而添加冗余的多晶硅或金屬，結(jié)果是生成了對(duì)應(yīng)cell的FILLView。FILL View在修復(fù)DRC錯(cuò)誤及ANT錯(cuò)誤后要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，不然又會(huì)引入新的DRC問題。Astro進(jìn)行物理驗(yàn)證時(shí)支持Hercules explorer和vue兩種圖形化界面工具，本課題使用的是vue界面，來對(duì)hercules發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行定位和修復(fù)。在腳本設(shè)置文件(runset)文件中設(shè)定OPTIONS {CRE-ATE_VUE_OUTPUT=TRUE}生成.vue文件，在Astro中啟動(dòng)Hercules然后借助.vue文件就可以借助錯(cuò)誤定位進(jìn)行修改了。

　　在Hercules工具進(jìn)行物理驗(yàn)證之前，可以使用Astro工具進(jìn)行后端驗(yàn)證，先行檢查Milkyway文件中存在的DRC和LVS錯(cuò)誤并更正。Astro支持深亞微米工藝下在工藝文件中進(jìn)行了定義的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查，使用命令geAdvDRC或者geNewDRC可以調(diào)用這一功能，工具會(huì)生成錯(cuò)誤單元位置信息，在上面會(huì)標(biāo)出可能出現(xiàn)問題的區(qū)域，便于更正。使用命令geNewLVS可以進(jìn)行簡單的LVS檢查---連接性檢查，可以發(fā)現(xiàn)版圖中的斷路或開路問題，同樣也會(huì)生成一個(gè)錯(cuò)誤單元位置信息方便改正。

　　2 物理驗(yàn)證組成

　　DRC，即設(shè)計(jì)規(guī)則驗(yàn)證，它要求設(shè)計(jì)的版圖文件要滿足多邊形最小面積，同層以及不同層間多邊形內(nèi)部最小間距，外部最小間距，以及為了確?？芍圃煨远M(jìn)行的密度檢查等。在物理驗(yàn)證階段，為了消除DRC錯(cuò)誤而進(jìn)行手工改動(dòng)時(shí)常常會(huì)引入新的錯(cuò)誤。尤其是經(jīng)過DFM后的設(shè)計(jì)，填充金屬的引入會(huì)增加最小間距或最小面積等類型的錯(cuò)誤，這些因金屬填充產(chǎn)生的錯(cuò)誤可在最后集中在FILL View中改完。

　　ANT是天線效應(yīng)檢查，這也是和電路制造過程有關(guān)的問題，為了防止太多的電子在鋪金屬層的過程中集中到導(dǎo)線上擊穿柵極，必須保證同層的導(dǎo)線長度不能太長。解決天線效應(yīng)問題有兩種方法，一是在產(chǎn)生天線效應(yīng)的走線上添加反向二極管，這樣可以保護(hù)柵極；二是采用向更高層的金屬進(jìn)行跳線連接，這樣在加工過程中就可以避免過多電子的積聚。在可制造性工藝之前，由于版圖中沒有加入填充用的金屬，可以用第一種方法來加入二極管以消除天線效應(yīng)，但在DFM之后的物理驗(yàn)證部分，已經(jīng)很難再找到空閑的空間插人二極管，這時(shí)就應(yīng)該使用第二種方法來解決天線效應(yīng)問題。

　　就流程而言，DRC檢查和ANT檢查有相似之處，如圖1所示。在使用Astro進(jìn)行流文件輸出得到CDSII文件后，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的頂層模塊名稱和路徑，對(duì)代工廠家提供的基于Hercules的DRC規(guī)則設(shè)置文件進(jìn)行改動(dòng)，如下例：

　　Header部分下面是檢查時(shí)候一些選項(xiàng)的設(shè)置，還有層的定義以及規(guī)則的描述。設(shè)置好之后就可以運(yùn)行Hercules進(jìn)行DRC或ANT驗(yàn)證了。如果使用了正確的runset文件，得到的DRC錯(cuò)誤一般是圖形間距錯(cuò)誤、寬金屬間距錯(cuò)誤，金屬密度錯(cuò)誤等，而ANT錯(cuò)誤也會(huì)給出具體發(fā)生問題的走線名稱，這樣再在Astro里調(diào)用vue圖形界面進(jìn)行改錯(cuò)即可。

　　LVS是版圖原理圖一致性驗(yàn)證，用于比較兩者晶體管級(jí)的連接是否正確，邏輯功能是否一致，其過程分兩步：第一步，Hercules讀入版圖文件，從包含有器件及其相互間的連通性的版圖數(shù)據(jù)庫中提取出版圖網(wǎng)表；第二步，Hercules讀入版圖網(wǎng)表和原理圖網(wǎng)表，然后對(duì)照這兩個(gè)網(wǎng)表的連接情況以確定它們是否一致。對(duì)照時(shí)，Hercules從電路的輸入輸出開始搜索，找到一個(gè)匹配節(jié)點(diǎn)后就給該匹配節(jié)點(diǎn)和器件賦以匹配狀態(tài)值，當(dāng)遇到不匹配的節(jié)點(diǎn)時(shí)，就停止該路徑的搜索，直到所有的路徑都搜索完畢，Her-cules將節(jié)點(diǎn)和器件的匹配結(jié)果寫入輸出文件，給出連接及匹配情況的報(bào)告，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)報(bào)告來改正不匹配的元件，LVS驗(yàn)證流程如圖4所示。

　　進(jìn)行LVS驗(yàn)證的設(shè)置較為復(fù)雜，除了與DRC類似的對(duì)foundry提供的runset文件進(jìn)行設(shè)置外，還要提取verilog網(wǎng)表，進(jìn)行網(wǎng)表轉(zhuǎn)換(netTran)得到Hercules格式網(wǎng)表和對(duì)等文件(Equivalence File)。對(duì)等文件可以簡化比較過程，比如文件中指定equiv dpram_8xlk=dpram_8xlk{}

　　Hercules在LVS比較的時(shí)候就直接比較用戶指定的這些單元的版圖和電路圖的匹配性，而不比較其他的模塊。運(yùn)行Hercules生成結(jié)果后，查看結(jié)果文件并結(jié)合Astro進(jìn)行改正。

　　3 物理驗(yàn)證流程

　　一般而言LVS與電氣規(guī)則檢查(ERC)的關(guān)系密切，ERC主要包括比如短路、開路、懸浮等，對(duì)于一個(gè)ERC檢查通過的設(shè)計(jì)，LVS才真正可以檢查出元件的連接問題。因此，ERC應(yīng)該在LVS之前完成，需要注意的是Hercules的ERC檢查可以集成在DRC和LVS檢查中，以利于整體進(jìn)行檢查和改進(jìn)。本課題所采用Smic18LG工藝的物理驗(yàn)證將ERC檢查分別集成到天線效應(yīng)檢查和LVS的電氣連接檢查中。但一般而言，DRC，ANT與LNS則沒有必然的先后順序。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，在修復(fù)ANT錯(cuò)誤時(shí)，常常需要更改填充金屬形狀和位置，而這又會(huì)帶入新的DRC問題，因此比較理想的做法是先修ANT錯(cuò)誤，等檢查通過后再進(jìn)行DRC修復(fù)前面引入的設(shè)計(jì)規(guī)則違例，這樣不但可以修復(fù)DRC，而且可以為后面進(jìn)行LNS盡可能的排除干擾，然后進(jìn)行LVS，需要注意的是，LVS不涉及FILL View，即含有填充金屬信息的版圖層，而進(jìn)行LVS時(shí)在提取版圖參數(shù)階段，如果含有填充金屬信息會(huì)導(dǎo)致提取的參數(shù)文件過大，一致性比較時(shí)也會(huì)占用較多內(nèi)存，因此可以使用不含F(xiàn)ILL View信息的CDSII版圖文件進(jìn)行LVS初步檢查，經(jīng)比較并修改至檢查通過時(shí)再使用含填充金屬信息的GDSII文件提取參數(shù)并作最后的LVS，這時(shí)的結(jié)果會(huì)與前面類似，如果檢查通過則可作最后的DRC檢查，若結(jié)果顯示沒有違例則可進(jìn)行最后的流片。物理驗(yàn)證流程如圖5所示。

　　4 結(jié)論

　　本課題使用的服務(wù)器是浪潮服務(wù)器NL380G2，3.6G雙核CPU，Xeon8G內(nèi)存，進(jìn)行驗(yàn)證的設(shè)計(jì)為二百萬門級(jí)某型號(hào)調(diào)制芯片設(shè)計(jì)，工具為Her-cules2004.12。舊有的流程是按經(jīng)驗(yàn)采用或先LVS或先DRC，而按照本文提出的流程在實(shí)際的設(shè)計(jì)中已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證。如果使用含有FILL View信息的GDSII文件進(jìn)行一遍LVS需要進(jìn)行7-8小時(shí)，且不時(shí)有內(nèi)存溢出問題；如果使用本文提出的流程，進(jìn)行不含F(xiàn)ILL View信息的CDSII文件的LVS需要3-4小時(shí)，如果每次物理驗(yàn)證含3次LVS則可節(jié)省大約10小時(shí)。