2.4 版圖設計通用規則

在學習了版圖的基本定義和設計流程之后，本小節將簡要介紹一些在版圖設計中需要掌握的基本設計規則。主要包括電源線版圖設計規則、信號線版圖設計規則、晶體管設計規則、層次化版圖設計規則和版圖質量衡量規則。

●電源線版圖設計規則

電源網格設計是為了讓各個子電路部分都能充分供電，是進行版圖設計必需的一步，具體的設計規則如下：

（1）電源網格必須形成網格狀或者環狀，遍布各個子電路模塊的周圍。

（2）通常使用工藝允許的最底層金屬來作為電源線，因為如果使用高層金屬作為電源線，就必須使用通孔來連接晶體管和其他電路的連線，會占用大量的版圖空間。

（3）每種工藝都有最大線寬的要求，超過該線寬就需要在線上開槽。但特別要注意的是，在電源線上開槽要適當，因為電源線上會流過較大的電流，過度的開槽會使得電源線在強電流下熔化斷裂。版圖設計規則中雖然對最大線寬有嚴格的要求，但為了保證供電充分，版圖工程師還是會把電源線和地線設計得非常寬，以便降低電遷移效應和電阻效應。但是寬金屬線存在一個重要的隱患，當芯片長時間工作時，溫度升高，使得金屬開始發生膨脹。這時寬金屬線的側邊慣性阻止了側邊膨脹，而金屬中部仍然保持膨脹狀態，這就使得金屬中部向上隆起。對于較窄的金屬線來說，這個效應并不明顯，因為寬度越窄，側邊慣性越低，金屬向上膨脹的應力也越小。

寬金屬在受到應力膨脹之后，金屬可能破壞芯片頂層的絕緣層和鈍化層，使芯片暴露在空氣中。如果空氣中的雜質和顆粒物進入芯片，就會導致芯片不穩定或者失效。為了解決這個問題，版圖工程師在進行寬金屬線設計時，需要每隔一定的距離就對金屬線進行開槽，這一方法的本質是將一條寬金屬線變成由許多窄金屬線連接而成。由于開槽設計與金屬間距、膨脹溫度和材料有關，金屬線開槽的具體規則因使用工藝不同而有所差異。圖2.6展示了一個帶有金屬開槽的寬金屬線實例。

（4）盡可能避免在子電路模塊上方用不同金屬層布電源線。

●信號線版圖設計規則

信號線版圖設計規則如下：

圖2.6 帶有金屬開槽的寬金屬線

（1）對信號線進行布線時，應該首先考慮該布線層材料的電阻率和電容率，一般都采用金屬層進行布線，N阱、有源和多晶硅等不能用于布線。

（2）在滿足電流密度的前提下，應該盡可能使信號線寬度最小化，這樣可以減小信號線的輸入電容。特別是當信號作為上一級電路的負載時，減小電容可以有效降低電路的功耗。

（3）在同一電路模塊中保持一致的布線方向，特別是對同層金屬，與相鄰金屬交錯開，容易實現空間的最大利用率。例如一層金屬、三層金屬橫向布線，二層金屬、四層金屬縱向布線。

（4）確定每個連接處的接觸孔數量，如果能放置兩個接觸孔的位置盡量不使用一個接觸孔，因為接觸孔的數量決定了電流的能力和連接的可靠性。

●晶體管設計規則

（1）在調用工藝廠的晶體管模型進行設計時，應該盡可能保證PMOS晶體管和NMOS晶體管的總體寬度一致，如圖2.7所示。如果二者實在不能統一到一致的寬度，也可以通過添加虛擬晶體管（Dummy MOS）來保證二者寬度一致。

圖2.7 保持NMOS晶體管和PMOS晶體管寬度一致

（2）在大尺寸設計時，使用叉指晶體管，例如，一個100μm寬度的晶體管就可以分成10個10μm的叉指晶體管。使用叉指晶體管也可以優化由晶體管寬度引起的多晶硅柵電阻。因為多晶柵是單端驅動的，而且電阻率比較高，將其設計成多個叉指晶體管并聯，也可以減小所要驅動的電阻。

（3）多個晶體管共用電源（地）線，這個規則是顯而易見的。電源（地）線共享可以有效地節省版圖面積。

（4）盡可能多使用90°的多邊形和線形。首先采用直角形狀，計算機所需的存儲空間最小，版圖工程師也最易實現。雖然45°連接對信號傳輸有較大的益處，但這種設計的修改和維護相對困難（在有的設計中，由于45°連線沒有位于設計規定的網格點上，還可能導致設計失敗），所以對于一般的電路模塊版圖設計，沒必要花費額外的設計精力和時間來使用45°連線進行設計。但對于一些間距受限和對信號匹配質量要求較高的電路，還是需要使用45°連線。

（5）對阱和襯底的連接位置進行規劃并標準化。N阱與電源相連，而P+襯底連接到地。

（6）避免“軟連接”節點?！败涍B接”節點是指通過非布線層進行連接的節點，由于非布線層具有很高的阻抗，如果通過它們進行連接，會導致電路性能變差。例如，有源層和N阱層都不是布線層，但在設計中可能也會由于連接，最終導致電路性能變差。目前在運用計算機進行DRC檢查時，可以發現該項錯誤。

●層次化版圖設計規則

層次化設計最重要的就是在規劃階段確定設計層次的劃分，將整體版圖分為多個可并行進行設計的子電路模塊，尤其是那些需要多次被調用的模塊。此外，如果是進行對稱的版圖設計，那么將半個模塊和其鏡像組合在一起進行對稱設計。

●版圖質量衡量規則

一個優秀的版圖設計還需要對其以下幾方面的質量進行評估：

（1）版圖面積是否最小化；

（2）電路性能是否在版圖設計后仍可以得到保證；

（3）版圖設計是否符合工藝廠的可制造性；

（4）可重用性，當工藝發生變化時，版圖是否容易進行更改轉移；

（5）版圖的可靠性是否得到滿足；

（6）版圖接口的兼容性是否適合所有例化的情況；

（7）版圖是否在將來工藝尺寸縮小時，也可以相應的縮小；

（8）版圖設計流程是否與后續工具和設計方法兼容。