集成电路版图与工艺课程设计之用CMOS实现Y=AB+C电路与版图

1 绪论

1.1 设计背景

集成电路设计（Integrated circuit design, IC design），亦可称之为超大规模集成电路设计（VLSI design），是指以集成电路、超大规模集成电路为目标的设计流程。集成电路设计涉及对电子器件（例如晶体管、电阻器、电容器等）、器件间互连线模型的建立。所有的器件和互连线都需安置在一块半导体衬底材料之上，这些组件通过半导体器件制造工艺（例如光刻等）安置在单一的硅衬底上，从而形成电路。
近些年来，集成电路技术发展迅猛，促使半导体技术不断地发展，半导体技术正在进入将整个系统整合在单一晶片上的时代。故对VLSI的版图设计的要求也越来越高。Tanner软件可提供完整的集成电路设计环境，帮助初学者进入VLSI设计领域。本设计采用Tanner Tools Pro 工具，对逻辑为Y=AB+C进行电路设计与仿真、版图设计与仿真，在报告中给出电路图、版图与仿真结果。

1.2 设计目标

设计目标逻辑：Y=AB+C
用CMOS工艺设计逻辑为Y=AB+C的电路和版图。因为CMOS是天然的反逻辑输出，所以需要先设计出逻辑为/Y=/（AB+C）的电路，再将输出接入一个CMOS反相器实现逻辑功能。
设计电路图（Schematic）时，N网络A与B串联且与C并联，P网络A与B并联且与C串联，在N和P网络的交界节点接入反相器后引出输出Y。
设计版图（Layout）时，在P型衬底（P-Sub）上进行制作，所以N-MOS管可以直接掺杂制作，而P-MOS管需要先制作一个N阱（N-Well），并在N阱里制作P-MOS管。整个设计比较简单，仅仅使用单层金属布线（Meteal）。
导出电路和版图网表（spice）文件，用Tspice软件进行仿真波形，分析电路和版图是否设计正确性以及其性能如何。在LVS验证中匹配电路原理图和版图逻辑和尺寸匹配性，完成整个设计过程。

2 Y=AB+C 的电路原理图设计与仿真

2.1 电路原理图设计

目标逻辑Y=AB+C,设计电路其功能为当C=1时，Y=1；当C=0而B和C不同时为1时，Y=0；当C=0，A和B都为1时，Y=1。
以上电路功能符合设计的目标逻辑Y=AB+C，所以此电路图（Schematic）设计正确，下面给出其真值表，如下表所示：
在这里插入图片描述
使用S-Edit软件进行电路图（Schematic）绘制，在Schematic Model下绘制电路图（Schematic），首先从Symbol Browser中导出N-MOS管和P-MOS管，然后绘制InputPort和OutPort，最后通过Wire线进行连接，如下图所示；

2.2 电路仿真

通过以上电路原理图（Schematic）和符号图的绘制，导出spice网表，用Tspice软件进行仿真波形，分析电路是否设计正确性以及其性能如何。
仿真需要在spice网表中添加额外的命令来完成仿真，需要添加包含文件（Include file）、外加电压（Constant Voltage source）、外加脉冲激励（Pulse Voltage source）、波形追踪（.tran）和打印波形（.print）命令。以下给出这些命令,如下表所示：
在这里插入图片描述
插入命令含义
.include D:\Tanner\TSpice70\models\ml2_125.md 包含文件
vvdd Vdd Gnd 5 外加驱动
va A Gnd PULSE (0 5 5n 1n 1n 80n 160n)
vb B Gnd PULSE (0 5 5n 1n 1n 40n 80n)
vc C Gnd PULSE (0 5 5n 1n 1n 20n 40n) 脉冲激励
.tran/op 1n 400n method=bdf
.print tran v(Y) v© v(B) v(A) 波形追踪
下面给出电路原理图的仿真波形结果图，如下图所示：
在这里插入图片描述
输入激励以C的周期为基础，B翻一倍，A翻两倍，这样做可以将所有情况遍历出来，进而可以和真值表进行对比验证其准确性。

3 Y=AB+C的版图设计与仿真

3.1 版图设计

首先需要先制作一个N阱（N-Well），并在N阱里制作P-MOS管，由于在P型衬底（P-Sub）上进行制作，所以N-MOS管可以直接掺杂制作。整个设计比较简单，仅仅使用单层金属布线（Meteal）即可实现。
首先导入设计规则（lights.ext）文件，绘制两个有源区为PN网络，再绘制栅极横跨上下两个有源区，然后依照电路原理图合理分配源漏区，绘制有源区接触孔（Active Contact）并连线，再绘制衬底区，使用P-Select和N-Select、N-Well遮罩有源区，最后绘制端口（Port），每一步进行DRC电气规则检查从而保证当前设计符合设计和生产规则。
下面给出版图设计，如下图所示：
在这里插入图片描述
其中M1-M8管的宽和长（W和L），如下表所示：

3.2 DRC检查

DRC检查，即设计规则检查，是在进行版图设计中必要的一步，通过带有可选参数的DRC检查，可以保证设计尺寸和布局的准确性。
在进行DRC检查之前需要导入设计规则MOSIS/ORBIT 2.0U SCNA Design Rules，在绘制过程中需要不断进行检查，若有错误可以及时的修改更正。下面给出本设计的DRC检查结果，如下图所示：
在这里插入图片描述
经过检查，本设计版图符合设计规则，能够用于生产。图3.2图中的DRC Error Navigator窗口为DRC检查的内容，每一项都需要符合设计规则。

3.3 版图仿真

在绘制完版图后，可以导出spice网表，用Tspice软件进行仿真波形，来分析版图是否设计正确以及其性能如何。
导出spice网表需要在添加支持文件下进行，Import Mask Data选项下导入lights.ext文件。
仿真需要在spice网表中添加额外的命令来完成仿真，需要添加的命令如电路导出的spice网表一样包括包含文件（Include file）、外加电压（Constant Voltage source）、外加脉冲激励（Pulse Voltage source）、波形追踪（.tran）和打印波形（.print）命令。以下给出这些命令,如表所示：
在这里插入图片描述
插入命令含义
.include D:\Tanner\TSpice70\models\ml2_125.md 包含文件
vvdd Vcc Gnd 5 外加电压
va A Gnd PULSE (0 5 800n 1n 1n 800n 1600n)
vb B Gnd PULSE (0 5 400n 1n 1n 400n 800n)
vc C Gnd PULSE (0 5 200n 1n 1n 200n 400n) 脉冲激励
.tran/op 1n 5000n method=bdf
.print tran v(A) v(B) v© v(y) 波形追踪
在Tspice软件中打开版图中导出的spc网表文件，加入上述激励命令，再进行波形的仿真，如图所示：
在这里插入图片描述
通过版图仿真出来的波形，再结合之前生成的电路图仿真的波形以及电路原理图和真值表，能够验证版图绘制过程中的正确性。因为输入信号只有三个，所以可以将输入激励以C的周期为基础，B增加一倍，A增加两倍，这样做的好处是能够将所有的输入情况进行遍历，可以完整的检验设计逻辑的正确性。
由给出的激励如va A Gnd PULSE (0 5 800n 1n 1n 800n 1600n)可知A输入信号激励初始为0电平，其峰值为5V，初始电平延时时间为800ns，电平上升和下降时间为1ns，峰值保持时间为800ns，周期为1600ns可知，该输入信号频率较低，从而保证输出的波形十分规整，无明显的毛刺现象。

4 版图与电路图验证

将版图和电路图直接进行对比验证，可以很直接的判断设计的统一性，将原理设计和版图设计统一为一个整体，同时，也可以检查出单一设计中的一些问题，比如MOS的宽长比例是否一致，金属孔类型是否正确等。
启动LVS软件，新建立一个项目（LVS setup）分别将版图的spc网表和电路图的sp网表文件导入进去，添加包含的文件命令：.include “D:\Tanner\TSpice70\models\ml2_125.md”。这里需要注意的是上述仿真添加的激励命令需要注释掉，否则会产生一些不必要的警告，如图所示：在这里插入图片描述

配置LVS对比的的设置，在Output选项卡里勾选Output file和Node and element list并分别添加之前仿真产生的文件，在Device Parameters里勾选R,C and L Elements中唯一的一项Resistance,capacitance and inductance value选项，以上图4.1为LVS配置界面
下面给出LVS对比的结果，如图所示：
在这里插入图片描述
通过对比的结果可以看出，电路图和版图的各种参数保持一致，从而再次验证了本次设计的正确性。

5 总结

通过这段时间的课程设计的学习，综合运用所学的知识完成了设计任务。使我更深的的了解版图工艺的艺术，并深入掌握仿真方法和工具Tanner、同时为以后从事本专业工作打下坚实的基础。进一步熟悉设计中使用的主流工具，版图设计属于集成电路的后端设计，通过绘制电路版图，发现了理论与现实有着很大的差别，特别是绘制版图，需要很大的耐心和毅力。由逻辑表达式到电路原理图绘制再到版图的绘制，突破一个个问题然后是成功从设计到实现。
课程设计是一门很严谨的的课程，给了我很多专业知识，同时在一定程度上提高了我的专业技能，还教给我许多的道理。通过课程设计，我不仅学到了知识,而且从中领悟到了一些解决问题的方法，为以后的学习打下了坚实的基础。

参考文献

[1] 姜岩峰编著.现代集成电路版图设计.北京:化学工业出版社,2010
[2] 尹飞飞编著.CMOS模拟集成电路版图设计与验证:基于Cadence Virtuoso与Mentor Calibre. 北京:电子工业出版社,2016
[3] 曾庆贵、姜玉稀编著.集成电路版图设计教程.上海:上海科学技术出版社,2012

附录一：电路原理图网表

* SPICE netlist written by S-Edit Win32 7.03
* Written on Jun 17, 2019 at 20:44:53
* Waveform probing commands
.probe
.options probefilename="E:\tanner_pro\ABC13\dianlutu\Module2.dat"
+ probesdbfile="E:\tanner_pro\ABC13\dianlutu\demo2.sdb"
+ probetopmodule="Module0"* Main circuit: Module0
M1 N1 B N4 Gnd NMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u 
M2 N1 C Gnd Gnd NMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u 
M3 N4 A Gnd Gnd NMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u 
M4 Y N1 Gnd Gnd NMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u 
M5 N1 A N8 Vdd PMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u
M6 N1 B N8 Vdd PMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u
M7 N8 C Vdd Vdd PMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u
M8 Y N1 Vdd Vdd PMOS L=2u W=22u AD=66p PD=24u AS=66p PS=24u
* End of main circuit: Module0
vvdd Vdd Gnd 5.tran/op 1n 400n method=bdf
.print tran v(A) v(B) v(C) v(Y)
.include "D:\tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"
va A Gnd PULSE (0 5 5n 1n 1n 80n 160n)
vb B Gnd PULSE (0 5 5n 1n 1n 40n 80n)
vc C Gnd PULSE (0 5 5n 1n 1n 20n 40n)

附录二：版图网表

* Circuit Extracted by Tanner Research's L-Edit Version 9.00 / Extract Version 9.00 ;
* TDB File:  E:\tanner_pro\ABC13\bantu\layout2.tdb
* Cell:  Cell0	Version 1.27
* Extract Definition File:D:\Tanner\LEdit90\Samples\SPR\example1\lights.ext
* Extract Date and Time:  06/18/2019 - 13:15
* NODE NAME ALIASES
*       1 = Vcc (642,-1409)
*       3 = Gnd (648.5,-1469.5)
*       5 = y (682,-1441)
*       6 = A (615,-1459.5)
*       7 = C (640.5,-1460)
*       8 = B (628.5,-1460)
M9 y 2 Gnd Gnd NMOS L=2.5u W=10.5u 
M8 2 B 9 Gnd NMOS L=2.5u W=10.5u 
M7 Gnd C 2 Gnd NMOS L=2.5u W=10.5u 
M6 9 A Gnd Gnd NMOS L=2.5u W=10.5u 
M4 y 2 Vcc Vcc PMOS L=2.5u W=10.5u 
M3 4 B 2 Vcc PMOS L=2.5u W=10.5u 
M2 Vcc C 4 Vcc PMOS L=2.5u W=10.5u 
M1 2 A 4 Vcc PMOS L=2.5u W=10.5u * Total Nodes: 9
* Total Elements: 8
* Total Number of Shorted Elements not written to SPICE file: 1
* Extract Elapsed Time: 0 seconds
.END
vvdd Vcc Gnd 5
.tran/op 1n 5000n method=bdf
.print tran v(A) v(B) v(C) v(y)
.include "D:\Tanner\TSpice70\models\ml2_125.md"
va A Gnd PULSE (0 5 800n 1n 1n 800n 1600n)
vb B Gnd PULSE (0 5 400n 1n 1n 400n 800n)
vc C Gnd PULSE (0 5 200n 1n 1n 200n 400n)