一種基于省時考慮的深亞微米VLSI的物理驗(yàn)證方法

　　前言 

　　超大規(guī)模集成電路設(shè)計進(jìn)入到深亞微米工藝后，以時序驅(qū)動為主的開發(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，同時面積減小了，但由于連線延時效應(yīng)影響，給布局布線帶來了困難，以至于不得不根據(jù)布線后時序的結(jié)果回過頭重新調(diào)整時序約束以保證后面布線后滿足時序要求。這使得整個后端的時間進(jìn)度壓力加大，尤其對物理驗(yàn)證而言，作為后端設(shè)計人員將設(shè)計交給代工廠家前的最后一道程序，時間被壓縮的很緊。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)行億門級的微處理器和千萬門級的ASIC的物理驗(yàn)證。通過更加高效的驗(yàn)證來縮短設(shè)計周期，并提供圖形界面來幫助設(shè)計人員快速發(fā)現(xiàn)和改正違例錯誤。它可以和Synopsys公司的milkyway數(shù)據(jù)進(jìn)行無縫連接，設(shè)計人員使用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(Design for Manufacturing，DFM)時插入的填充金屬(metal filler)信息。本處的DFM是指對布線結(jié)束后的設(shè)計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)果是生成了對應(yīng)cell的FILLView。FILL View在修復(fù)DRC錯誤及ANT錯誤后要及時進(jìn)行調(diào)整，不然又會引入新的DRC問題。Astro進(jìn)行物理驗(yàn)證時支持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Hercules然后借助.vue文件就可以借助錯誤定位進(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，工具會生成錯誤單元位置信息，在上面會標(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，同樣也會生成一個錯誤單元位置信息方便改正。

　　2 物理驗(yàn)證組成

　　DRC，即設(shè)計規(guī)則驗(yàn)證，它要求設(shè)計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錯誤而進(jìn)行手工改動時常常會引入新的錯誤。尤其是經(jīng)過DFM后的設(shè)計，填充金屬的引入會增加最小間距或最小面積等類型的錯誤，這些因金屬填充產(chǎn)生的錯誤可在最后集中在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)計的頂層模塊名稱和路徑，對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，如下例：

　　Header部分下面是檢查時候一些選項(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錯誤一般是圖形間距錯誤、寬金屬間距錯誤，金屬密度錯誤等，而ANT錯誤也會給出具體發(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，然后對照這兩個網(wǎng)表的連接情況以確定它們是否一致。對照時，Hercules從電路的輸入輸出開始搜索，找到一個匹配節(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，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告，設(shè)計人員可以根據(jù)報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)表和對等文件(Equivalence File)。對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，對于一個ERC檢查通過的設(shè)計，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錯誤時，常常需要更改填充金屬形狀和位置，而這又會帶入新的DRC問題，因此比較理想的做法是先修ANT錯誤，等檢查通過后再進(jìn)行DRC修復(fù)前面引入的設(shè)計規(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時在提取版圖參數(shù)階段，如果含有填充金屬信息會導(dǎo)致提取的參數(shù)文件過大，一致性比較時也會占用較多內(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，這時的結(jié)果會與前面類似，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)計為二百萬門級某型號調(diào)制芯片設(shè)計，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，且不時有內(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，如果每次物理驗(yàn)證含3次LVS則可節(jié)省大約10小時。