TSMC工艺的版图教程.docx

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TSMC工艺的版图教程

前端电路设计与仿真

第一节双反相器的前端设计流程

1、画双反相器的visio原理图

图

其中双反相器的输入为in输出为out，fa为内部节点。

电源电压VDD=，MOS管用的是TSMC的典型MOS管（在Hspice里面的名称为pch和nch，在Cadence里面的名称为pmos2v和nmos2v）。

2、编写.sp文件

新建文件然后将后缀名改为文件

具体实例.sp文件内容如下：

.lib'F:

\ProgramFiles\synopsys\'TT是TSMC用于仿真的模型文件位置和选择的具体工艺角*****这里选择TT工艺角***********

划红线部分的数据请参考excel文件《尺寸对应6参数》，MOS管的W不同对应的6个尺寸是不同的，但是这六个尺寸不随着L的变化而变化。

划紫色线条处的端口名称和顺序一定要一致

MOS场效应晶体管描述语句：

（与后端提取pex输出的网表格式相同）

MMXDGSBMNAME

、在windowXP开始--程序这里打开Hspice程序

、弹出以下画面然后进行仿真

查看波形按钮按下后弹出以下对话框

如果要查看内部节点的波形，双击Top处

如果要查看测量语句的输出结果请查看.MTO文件（用记事本打开）

至此前端仿真教程结束

第二节后端电路设计

前序（打开Cadence软件）

一、开启linux系统

双击桌面虚拟机的图标

选择Poweronthisvirtualmachine

开启linux之后

在桌面右键选择OpenTerminal

输入xhostlocal：

命令按回车

之后输入suxue命令按回车，这样就进入了xue用户

1、输入命令加载calibre软件的license，按回车，等到出现以下画面再关闭Terminal窗口

2、然后桌面右键重新打开Terminal

进入学用户，开启Cadence软件，如下图

然后出现cadence软件的界面

关闭这个help窗口，剩下下面这个窗口，这样cadence软件就开启了

[如果在操作过程中关闭了cadence，只需要执行步骤2即可，步骤1加载calibre的license只在linux重启或者刚开启的时候运行一次就可以了。

]

双反相器的后端设计流程

一、schematic电路图绘制

1、注意----

在Cadence中画schematic电路图时，每一个节点都需要命名，不然在参数提取之后没有命名的那些节点会被系统自动命名，导致用HSPICE查看内部节点波形时难以迅速找到自己需要的节点。

2、打开Cadence软件新建库和单元CellView

用命令icfb&打开Cadence软件后弹出以下CIW窗口

选择Flie-New-Libirary之后弹出以下窗口

这里我们新建一个名为ttest的库。

（注意：

在新建library的时候要attachtoanexistingtechfile）

点击OK以后弹出以下窗口

在technologylibrary这里选择我们的TSMC库tsmc18rf

然后点击OK

在CIW窗口的tools菜单中选择第二个librarymanager之后弹出以下窗口

我们可以看到左边Library里面有我们之间建立的ttest库，用鼠标左键选择ttest，发现它的Cell和View都是空的。

然后在该窗口的File-New-CellView新建一个单元CellView

弹出以下窗口

在窗口的Cellname中输入我们需要取的名字，这里取的是dualinv。

点击OK后自动弹出画schematic的窗口

3、画schematic电路图

点击上面的这个作图版面，在键盘上按快捷键i会出现添加器件的窗口

点击Browse后弹出以下窗口

这里选中TSMC的库tsmc18rf，在Cell中选中pmos2v，view中选中symbol

然后鼠标移到外面的画图板上，就会出现一个PMOS管，左键点击就可以放上去了，按ESC回到正常的光标状态。

同理，选中TSMC库中的nmos2v，就可以添加NMOS管。

（按快捷键M，然后再点击一下（选中）器件即可以移动器件）

接下来修改MOS管的尺寸，我们看到上述MOS管的默认尺寸都是L=180nW=2u

我们这里将PMOS管修改为W=720nNMOS管修改为W=220n

（注意：

TSMC库nmos2v和pmos2v最小的W只能设置到220nm，而不能设置到180nm）

鼠标左键选中一个器件（如M0），然后按快捷键Q（property），出现以下调整MOS管属性窗口

在w（M）的文本框中修改前面的2u修改成我们需要的720n然后点击OK即可

同理修改NMOS管的W=220n。

之后开始连线按快捷键W（wire）即可

然后添加PIN脚（即与外部信号相连的端口，从图可以看出这个双反相器电路涉及到的PIN脚有inoutvddgnd）

[注意：

由于目前的工艺是P阱衬底，所以全部NMOS管的衬底即B端要接gnd，而PMOS管的衬底可以接自己的S端或者vdd，一般只接VDD不接S]

[知识补充：

MOS管的衬底B端接S才能不引起衬偏，衬偏了会造成阈值电压增大]

按快捷键P就可以添加PIN脚

在pinname中输入名称Direction中选中pin脚的方向（其中in的direction是inputout的direction是outputgnd和vdd的direction是inputoutput）

然后按回车，光标上就会出现一个pin的光影，点击鼠标左键即可摆放

摆放pin脚之后，将PIN脚与电路相连，同样用快捷键W来连线

由于图中还有一个内部节点fa，这里我们就需要给内部节点命名。

按快捷键L，出现命名窗口

在names这里输入fa，然后按回车

然后鼠标上出现fa光影，将fa移到内部需要命名的线上点击左键即可。

然后保存电路

通用，也可以用快捷键L来连接两个单元：

[这样就不用连线，却能保证两个单元连接到一起。

]

在画图板左边工具栏里面选中第一个checkandsave

4、将电路图创建成为一个symbol，用于仿真电路

选择Design—CreateCellview-FromCellview弹出以下窗口

点击OK弹出以下窗口

这里主要是TopPins和BottonPins这里需要修改，修改成如下图

点击OK弹出以下电路

点击save按钮保存

这样我们就会看到在librarymanager里面就多出了一个该电路的symbol

5、用spectre仿真器仿真电路

（这里仿真一下电路主要是验证一下自己电路有没有画错，如果电路逻辑功能正确，那么基本上可以保证自己刚才画的电路是正确的）

新建一个名为dualtest的CellView单元（在LibraryManager下）

点击OK

按快捷键i添加我们之前给双反相器电路创建的symbol

然后出现下图

接下来就要给各个端口加激励信号和电源了

按I添加器件，在analoglib中首先选择直流电压Vdc，另外还要选择vpwl作为线性分段信号源。

按Q修改vdc的属性

在DCvoltage这里将电压值设置为（注意，只要填入即可，不要带入单位）

同样修改vpwl的属性（这里我们设置一个3段线性信号，即6个点），如下图

此外我们还要添加一个gnd器件作为基准地信号（在analoglib中选择）

添加完器件之后如下图

（注意：

电路的gnd与标准地gnd之间要添加一个0V的直流电压）

接下来连线以及给输出端添加一个PIN，如下图

然后按checkandsave保存

选择tools中的Analogenvironment

弹出以下窗口

选择右边工具框中的第二个

，弹出以下窗口

这里设置仿真的停止时间（该时间根据自己具体需要填写），然后点OK

接下来设置需要看波形的那些端口outputs—ToBePlotted—SelectOnSchematic

然后在要看波形的线条上单击鼠标左键点一下即可

点完之后该线条会变颜色以及闪烁，之前的Analogenvironment窗口的outputs中也会出现相应的名称

然后点击右边工具栏中得倒数第三个NetlistandRun

电路正确的话就会有波形

点击该图标是分离重叠的波形

——————其他快捷键——————————

E看symol里面的电路

Ctrl+E退出看内部电路

F让原理图居中

PPIN管脚快捷键

W连线

L命名连线

C复制

Q器件属性

M移动

U撤销

其他相关设置：

设置回退次数CIW窗口--options--userpreference

多个器件属性一起修改，用shift选中以后然后选allselected（原先是onlycurrent）

二、版图设计

打开dualinv的schematic电路图，然后Tools--DesignSynthesis--LayoutXL

之后弹出以下对话框

点击OK后弹出

点击OK就会自动弹出画layout的版面

此时键盘上按E键，出现设置窗口

这里修改分辨率，将XSnapSpacing和YSnapSpacing修改为，方便之后的画图。

点击OK

在画layout版面的菜单中选择Design--GenFromsource

然后弹出以下窗口

点击OK即可，版面上就生成与原schematic电路图相对于尺寸的MOS管，如下图

[注：

可以不genfromsource而直接在画版图的版面按快捷键I添加layout器件，再修改尺寸，这样也可以通过LVS（经过测试即使版图中MOS的编号和schematic中的不同，但是最终输出子电路中MOS管编号跟schematic是相同的）]

选择那四个绿色的方框和紫色的线，按delete删除，删除后就剩下四个MOS管。

按shift+F将MOS管转换为可视的layout结构，并用M快捷键来移动MOS管，此时整个版面上就剩下四个MOS管了，（Ctrl+F可以还原为Schematic结构）如下图

工具栏左边的放大镜可以放大和缩小，或者使用快捷键Z（放大），shift+z缩小

（按了Z键要选某一个区域才能放大，不是直接放大与缩小）

接下来开始画图：

1、画PMOS管和NMOS管相连的栅极（用LSW窗口中得POLY1来画）

选中POLY1drw然后点版图，然后按R（画方框），Q属性可以看到是dg

（在空白处）按S键，鼠标移到矩形框的边，就能修改矩形框。

修改之后让矩形框与PMOS管NMOS管的栅极对齐。

（一定要对齐，不然DRC报错）

放大可以看到他们是否对齐，

这样的是对齐的。

这样就是没对齐。

画好POLY1以后如下图

2、画金属走线

由于该电路简单，只需要一层金属即可，所以只需要LSW中的metal1

在LSW中选中METAL1drw，然后点版图，然后按P（走线），然后按F3（设置线宽为，Q属性可以看到是dg

画完后如下图（注意金属要整个覆盖住MOS管的D端，接触面积大才能保证电流）

3、画POLY1和metal1之间的连接

[不同材料之间相连要打孔。

比如Metal1和poly1相连，就选M1_POLY1，Metal1和Metal2相连就选M2_M1，NMOS的衬底接触和体相连用M1_SUB，PMOS管的衬底接触和体相连用M1_NWELL]

LSW中选中poly1-drw，按P，按F3，设置为宽度，画一段poly

然后在这段poly上打孔，按字母O键，弹出以下窗口

在ContactType这里选择M1_POLY1,Rows这里输入2，然后回车

（鼠标右键可以旋转器件）

将这个通孔放于之前的poly1上

然后metal1与这个通孔相连即实现了金属1层与poly1之间的连接

接下来输入信号in这里也要这样画，画好之后的整体图如下

4、画衬底接触

这里要分别画PMOS管的衬底接触和NMOS管的衬底接触。

按快捷键字母O，在ContactType这里选择M1_SUB，这个是NMOS管的衬底接触。

按快捷键字母O，在ContactType这里选择M1_NWELL，这个是PMOS管的衬底接触。

5、给PMOS管打阱

[因为现在是P阱工艺，整个画图的版面就是一个P型衬底，而NMOS管是做在P型衬底上面的，所以画NMOS管的时不需要画阱，而画PMOS管时要画nwell（即它的衬底），nwell要包围住PMOS管和它的衬底接触。

]

在LSW中选中NWELL-drw，按R，画矩形框，如下图

6、画管脚PIN

在LSW中选中metal1pin

接着点击空白处，然后按快捷键L弹出以下窗口

在Label这里输入名称（注意这个名称要与schematic图中节点的名称要相同），Height这里设置字体的高度，Font这里设置字体的样式，然后按回车，将PIN脚摆放到正确位置

7、补全其它连线

因为上图并不完整，还有很多连线没有连。

[在熟悉版图画法之后这一步是放在前面做的，因为我们熟悉画法后就知道哪里是VDD、gnd、输入和输出]

画完这个7步骤以后点左边工具栏的SAVE保存，然后就可以进行后面的DRC、LVS和PEX了。

补充知识--多层金属连线：

（以下讲解两层金属metal1和metal2的布线）

由于金属走线经常会交叉，所以单层金属是不够的，这就涉及到多层金属的布线。

metal2drw是金属层2

metal1和metal2之间用通孔M2_M1

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画版图一些技巧：

1、所有的MOS管最好同方向（竖方向），不要有有横有竖。

最好是PMOS管放一起（比如一起放上面），NMOS管放一起（一起放下面），不一定是按照schematic电路图上的MOS管顺序来摆放。

2、走线不要穿过MOS管，要绕过去。

3、单排衬底接触最长不要超过100um，比较敏感的管子要多加些接触（两排或多排），衬底接触少了电阻会大。

一般情况我们采用单排衬底（即rows或columns=1）

4、横线用金属2，竖线用金属1，金属越宽电阻越小。

我们一般取宽度。

[寄生电容与发生寄生电容的两导体面积成正比，因此线宽就够了（能承受1mA），不需要再大。

（TED）]

5、版图的PMOS管和NMOS管源极和漏极是不区分的，上下的poly1都是栅极。

6、衬底接触一般在下面画一排接触即可，对于数模混合电路某个MOS管是特别敏感的那用衬底全包围。

7、走线尽可能短，尽量画的紧凑，减少延时。

8、尽量不用POLY来走线，如果两个栅极之间具体太长，中间用金属走线。

poly的长度最多是3-5um。

9、同一层Metal之间的距离要大于最小值，一般是设置成大于。

比如两条metal1走线之间的距离要大于。

10、PMOS管的衬底全部接VDD，NMOS管的衬底全部接地

各种器件之间的距离：

1、PMOS管和NMOS管之间的距离一般控制在1um以上，太近DRC报错

2、两个不同电压nwell之间的距离要大于，因此一开始要预留5um

3、Nwell和NMOS管之间的距离推荐是大于1u

4、Nwell和衬底接触以及PMOS管的距离左右

5、衬底接触和mos管距离一般设置为

电容和电阻器件不选择analoglib里面的cap和res（这两个是理想电容电阻），电容一般选择tsmc里面的mimcap，电阻则要看电阻率等具体要求。

（TED&黄）

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快捷键

K尺寸距离（shift+k撤销尺寸）

S修整

M移动选上后右键可旋转

Z放大（ctrl+z放大两倍，shift+z缩小两倍）

Shift选择多个器件

Shift+F显示NMOS和PMOS器件的版图

O打孔（pmos管衬底属性选择M1_NWELLnmos管选择M1_SUB金属和poly打孔属性选择M1_POLY1）

三、后端验证和提取

后端仿真首先要DRC，然后LVS，然后PEX提取寄生参数。

最后用Hspice仿真器仿真提取参数后的网表。

这里主要用到的是calibre工具

1、DRC

（上面工具栏中calibre—选择RunDRC）弹出下面窗口

RunsetFile是RUNDRC时需要填入的一些设置，方便于下次RUN，可直接取消掉

DRC主要设置rules的位置和DCRRun的路径[其余的都默认]

Rules这里选择TSMC库文件中calibre文件下的

（这里的DRCRunDirectory是自己创建的一个文件夹，suxue~cd/home/xue~mkdirdrc）[这里dcr改为verify/dcr]

然后点击RunDRC弹出以下窗口

（运行完成之后的弹出的窗口）

点开看，如果是areacoverage那就是覆盖率的问题，这种错误不用理会。

[比如上图中得这8个错误是没关系的]

2、RunLVS

同样RunsetFile点取消

设置rules和input的netlist

【新】[lvs改为verify/lvs]

Inputs—Netlist这里选择Exportfromschematicviewer

点击runLVS后弹出以下窗口

如果是绿色笑脸则表示LVS通过，表示版图和schematic原理图是匹配的，说明我们的版图没有画错。

如果是红色脸蛋，表示有错误，那要点开看具体的错误说明，再排除错误。

3、RunPEX

同样RunsetFile点取消

Rules设置

[新]/home/gengliang/ic/verify/pex

Inputs--netlist设置Exportfromschematicview选上

Outputs—extractiontype选择R+C（即提取寄生电阻和电容），format这里选择hspice（用于Hspice仿真器仿真）

（如果后仿是用spectre仿真器仿真，那么format这里选择CALIBREVIEW）

[NEW]

Outputs—reports这里选上generatePEXreport和ViewreportafterPEXfinishes

[NEW]

然后runPEX

之后在/home/xue/pex文件夹下面生成三个我们需要用到的文件

（里面是电路的网表）

（里面是各个节点的寄生参数）

（里面是一些调用子电路的命令）

[注：

在XP系统下用写字板打开可查看这三个文件的内容]

MOS场效应晶体管描述语句：

（pex输出的网表格式）

MMXDGSBMNAME

第三节后端仿真

1、用Hspice仿真器进行后仿真

将上述三个文件复制到XP系统下面，然后新建一个文件（即新建文本文档，后缀改成.sp），这样同一目录下就有四个文件，如下

将文件中的电路复制到文件中（即蓝色框内这部分）

[注意：

文件里面那两行include""和include""千万不要忘记复制过来。

]

第一行一定要加一个“*”符号。

然后在中加激励信号以及一些测试语句即可以仿真，如下

（这是文件）

[注意：

Hspice不区分字母大小写]

接下来用Hspice仿真器仿真这个文件，然后看输出波形，看功耗延时参数，这些就已经是后端仿真的参数了。

[Attention]

初始值要根据实际条件修改。

如下图：

.subcktlcff后边是lcff的端口，并不一定与前仿时自己编写的端口顺序一致，所以需要重新根据下文测试代码的顺序做相应的改变，否则会出错。

切记！

！

！

2、不同工艺角（corners）的仿真

CMOS电路在生产在存在工艺偏差，一般在四个工艺角（SS、FF、FS、SF）下对电路进行仿真。

具体操作如下：

在.sp文件加载模型这里改成相应的corner即可

3、蒙特卡罗法（Monte-Carlo）分析PVT对触发器的影响

一般的VT组合分为以下三种：

-40C；25C；125C（即电压偏差值在正负10%）

蒙特卡罗法（Monte-Carlo）分析PVT就是取不同的电压和温度组合，然后进行Monte-Carlo分析，MC分析就是随机选取器件的参数。

【要进行Monte-Carlo分析首先工艺厂商提供的仿真模型文件）要支持Monte-Carlo分析，即里面要有MC模型。

】具体操作如下：

温度、输入电压要变化，然后加上Monte-Coral分析。

注意红色横线部分

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到此为止，整个后端仿真的流程演示完毕，当然这里面还有很多是不够细致的，主要是画版图这一块。

画版图是一个经验积累的过程，我上面演示的只是一个很简单的例子，这还需要大家在学习中不断积累经验。

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其它知识

（用spectre仿真器的需要看以下步骤，用Hspice仿真器不需要看）

——————————用spectre仿真器仿真——————

（如果format这里选择的是CALIBREVIEW）运行后弹出

直接点OK

以下是第一次运行的配置

前面是pch和nch的配置

点automappins然后点OK

电容和电阻分别选择analoglib中的cap和res

用spectre后仿真

[一定要注意，schematic和layout的pin脚都要大写]

首先在CIW这里新建一个config

选择spectre

更改Librarylist为自己的libviewlist这里加calibre

然后inv这里右键选择calibre

之后变成下图

然后点红感叹号更新

点OK出现下图

然后右上角open

如果是在library这里打开config的时候出现下图两个都选yes

spectre如果要保存设置就要在session—savestate里面

这样设置