微電子專業集成電路版圖設計的教學研究論文

集成電路版圖設計涵蓋了微電子學、電路理論、計算機圖形學等諸多學科的基礎理論，這是微電子學專業的辦學重要特色和人才培養重點方向。以CMOS反相器和基本MOS差分放大器爲例，介紹了集成電路版圖設計的教學內容。學生通過集成電路版圖設計的教學環節，鞏固了專業課程的理論知識，提高了集成電路設計的實踐能力。

集成電路(Integrated Circuit)產業是典型的知識密集型、技術密集型、資本密集和人才密集型的高科技產業，是關係國民經濟和社會發展全局的基礎性、先導性和戰略性產業，是新一代信息技術產業發展的核心和關鍵，對其他產業的發展具有巨大的支撐作用。經過30多年的發展，我國集成電路產業已初步形成了設計、芯片製造和封測三業並舉的發展格局，產業鏈基本形成。但與國際先進水平相比，我國集成電路產業還存在發展基礎較爲薄弱、企業科技創新和自我發展能力不強、應用開發水平急待提高、產業鏈有待完善等問題。在集成電路產業中，集成電路設計是整個產業的龍頭和靈魂。而我國集成電路設計產業的發展遠滯後於計算機與通信產業，集成電路設計人才嚴重匱乏，已成爲制約行業發展的瓶頸。因此，培養大量高水平的集成電路設計人才，是當前集成電路產業發展中一個亟待解決的問題，也是高校微電子等相關專業改革和發展的機遇和挑戰。[1-4]

一、集成電路版圖設計軟件平臺

爲了滿足新形勢下集成電路人才培養和科學研究的需要，合肥工業大學(以下簡稱“我校”)從2005年起藉助於大學計劃，和美國Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、華大電子等公司合作建立了EDA實驗室，配備了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni設計系統等EDA軟件。我校相繼開設了與集成電路設計密切相關的本科課程，如集成電路設計基礎、模擬集成電路設計、集成電路版圖設計與驗證、超大規模集成電路設計、ASIC設計方法、硬件描述語言等。同時對課程體系進行了修訂，注意相關課程之間相互銜接，關鍵內容不遺漏，突出集成電路設計能力的培養，通過對課程內容的精選、重組和充實，結合實驗教學環節的開展，構成了系統的集成電路設計教學過程。[5，6]

集成電路設計從實現方法上可以分爲三種：全定製(full custom)、半定製(Semi-custom)和基於FPGA/CPLD可編程器件設計。全定製集成電路設計，特別是其後端的版圖設計，涵蓋了微電子學、電路理論、計算機圖形學等諸多學科的基礎理論，這是微電子學專業的辦學重要特色和人才培養重點方向，目的是給本科專業學生打下堅實的設計理論基礎。

在集成電路版圖設計的教學中，採用的是中電華大電子設計公司設計開發的九天EDA軟件系統(Zeni EDA System)，這是中國唯一的具有自主知識產權的EDA工具軟件。該軟件與國際上流行的EDA系統兼容，支持百萬門級的集成電路設計規模，可進行國際通用的標準數據格式轉換，它的某些功能如版圖編輯、驗證等已經與國際產品相當甚至更優，已經在商業化的集成電路設計公司以及東南大學等國內二十多所高校中得到了應用，特別是在模擬和高速集成電路的設計中發揮了強大的功能，併成功開發出了許多實用的集成電路芯片。

九天EDA軟件系統包括ZeniDM(Design Management)設計管理器，ZeniSE(Schematic Editor)原理圖編輯器，ZeniPDT(physical design tool)版圖編輯工具，ZeniVERI(Physical Design Verification Tools)版圖驗證工具，ZeniHDRC(Hierarchical Design Rules Check)層次版圖設計規則檢查工具，ZeniPE(Parasitic Parameter Extraction)寄生參數提取工具，ZeniSI(Signal Integrity)信號完整性分析工具等幾個主要模塊，實現了從集成電路電路原理圖到版圖的整個設計流程。

二、集成電路版圖設計的教學目標

根據培養目標結合九天EDA軟件的功能特點，在本科生三年級下半學期開設了爲期一週的以九天EDA軟件爲工具的集成電路版圖設計課程。

在集成電路版圖設計的教學中，首先對集成電路設計的一些相關知識進行回顧，介紹版圖設計的基礎知識，如集成電路設計流程，CMOS基本工藝過程，版圖的基本概念，版圖的相關物理知識及物理結構，版圖設計的基本流程，版圖的總體設計，佈局規劃以及標準單元的版圖設計等。然後結合上機實驗，講解Unix和Linux操作系統的常用命令，詳細闡述基於標準單元庫的版圖設計流程，指導學生使用ZeniSE繪製電路原理圖，使用ZeniPDT進行NMOS/PMOS以及反相器的簡單版圖設計。在此基礎上，讓學生自主選擇一些較爲複雜的單元電路進行設計，如數據選擇器、MOS 差分放大器電路、二四譯碼器、基本RS觸發器、六管MOS 靜態存儲單元等，使學生能深入理解集成電路版圖設計的概念原理和設計方法。最後介紹版圖驗證的基本思想及實現，包括設計規則的檢查(DRC)，電路參數的檢查(ERC)，網表一致性檢查(LVS)，指導學生使用ZeniVERI等工具進行版圖驗證、查錯和修改。[7]

集成電路版圖設計的教學目標是： 第一，熟練掌握華大EDA軟件的原理圖編輯器ZeniSE、版圖編輯模塊ZeniPDT以及版圖驗證模塊ZeniVERI等工具的使用;瞭解工藝庫的概念以及工藝庫文件_technology的設置，能識別基本單元的版圖，根據版圖信息初步提取出相應的邏輯圖並修改，利用EDA工具ZSE畫出電路圖並說明其功能，能夠根據版圖提取單元電路的原理圖。

第二，能夠基本讀懂和理解版圖設計規則文件的含義。版圖設計規則規定了集成電路生產中可以接受的幾何尺寸要求和可以達到的電學性能，這些規則是電路設計師和工藝工程師之間的一種互相制約的聯繫手段，版圖設計規則的目的是使集成電路設計規範化，並在取得最佳成品率和確保電路可靠性的前提下利用這些規則使版圖面積儘可能做到最小。

第三，能夠編寫設計版圖驗證命令文件(command file)。版圖驗證需要四個文件(DRC文件、ERC文件、NE文件和LVS文件)來支持，要求學生能夠利用ZeniVERI進行設計規則檢查DRC驗證並修改版圖、電學規則檢查(ERC)、版圖網表提取(NE)、利用LDC工具進行LVS驗證，利用LDX工具進行LVS的查錯及修改等。

第四，瞭解版圖庫的概念。採用半定製標準單元方式設計版圖，需要有統一高度的基本電路單元版圖的版圖庫來支持，這些基本單元可以是不同類型的各種門電路，也可以是觸發器、全加器、寄存器等功能電路，因此，理解並學會版圖庫的建立也是版圖設計教學的一個重要內容。

三、CMOS反相器的版圖設計的教學實例介紹

下面以一個標準CMOS反相器來簡單介紹一下集成電路版圖設計的'一般流程。

1.內容和要求

根據CMOS反相器的原理圖和剖面圖，初步確定其版圖;使用EDA工具PDT打開版圖編輯器;在版圖編輯器上依次畫出P管和N管的有源區、多晶硅及接觸孔等;完成必要的連線並標註輸入輸出端。

2.設計步驟

根據CMOS反相器的原理圖和剖面圖，在草稿紙上初步確定其版圖結構及構成;打開終端，進入pdt文件夾，鍵入pdt，進入ZeniPDT版圖編輯器;讀懂版圖的層次定義的文件，確定不同層次顏色的對應，熟悉版圖編輯器各個命令及其快捷鍵的使用;在版圖編輯器上初步畫出反相器的P管和N管;檢查畫出的P管和N管的正確性，並作必要的修改，然後按照原理圖上的連接關係作相應的連線，最後檢查修改整個版圖。

3.版圖驗證

打開終端，進入zse文件夾，鍵入zse，進入ZeniSE原理圖編輯器，正確畫出CMOS反相器的原理圖並導出其網表文件;調出版圖設計的設計規則文件，閱讀和理解其基本語句的含義，對其作相應的路徑和文件名的修改以滿足物理驗證的要求;打開終端，進入pdt文件夾，鍵入pdt，進入ZeniPDT版圖編輯器，調出CMOS反相器的版圖，在線進行DRC驗證並修改版圖;對網表一致性檢查文件進行路徑和文件名的修改，利用LDC工具進行LVS驗證;如果LVS驗證有錯，則需要調用LDX工具，對版圖上的錯誤進行修改。

4.設計提示

要很好的理解版圖設計的過程和意義，應對MOS結構有一個深刻的認識;需要對器件做襯底接觸，版圖實現上襯底接觸直接做在電源線上;接觸孔的大小應該是一致的，在不違反設計規則的前提下，接觸孔應儘可能的多，金屬的寬度應儘可能寬;繪製圖形時可以多使用“複製”操作，這樣可以大大縮小工作量，且設計的圖形滿足要求並且精確;注意P管和N管有源區的大小，一般在版圖設計上，P管和N管大小之比是2：1;注意整個版圖的整體尺寸的合理分配，不要太大也不要太小;注意不同的層次之間應該保持一定的距離，層次本身的寬度的大小要適當，以滿足設計規則的要求。

四、基本MOS差分放大器版圖設計的設計實例介紹

在基本MOS差分放大器的版圖設計中，要求學生理解構成差分式輸入結構的原理和組成結構，畫出相應的電路原理圖，進行ERC檢查，然後根據電路原理圖用PDT工具上繪製與之對應的版圖。當將基本的版圖繪製好之後，對版圖裏的輸入、輸出端口以及電源線和地線進行標註，然後利用幾何設計規則文件進行在線DRC驗證，利用版圖與電路圖的網表文件進行LVS檢查，修改其中的錯誤並優化版圖，最後全部通過檢查，設計完成。MOS差分放大器的原理圖和版圖分別如圖1和圖2所示，版圖與電路圖的網表一致性檢查(LVS)如圖3所示。

五、結束語

集成電路版圖設計的教學環節使學生鞏固了集成電路設計方面的理論知識，提高了學生在集成電路設計過程中分析問題和解決問題的能力，爲今後的職業生涯和研究工作打下堅實的基礎。因此，在今後的教學改革工作中，除了要繼續提高教師的理論教學水平外，還必須高度重視以EDA工具和設計流程爲核心的實踐教學環節，努力把課堂教學和實際設計應用緊密結合在一起，培養學生的實際設計能力，開闊學生的視野，在實驗項目和實驗內容上進行新的探索和實踐。