胡永強，周　源

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基于SKILL語言的參數(shù)化抗輻射器件版圖設(shè)計

胡永強，周源

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

SKILL語言是IC設(shè)計業(yè)界采用的主要軟件Cadence EDA提供的編程開發(fā)語言，用戶可以基于SKILL語言對EDA設(shè)計環(huán)境進行定制設(shè)計或拓展。參數(shù)化單元（Parameter Cell，PCELL）可以根據(jù)設(shè)計規(guī)則（Design Rule）通過器件的W、L等參數(shù)實現(xiàn)對器件版圖層次（Layer）的控制。另一方面抗輻射器件版圖的特殊設(shè)計形式對版圖設(shè)計工作提出了新的要求。闡述了通過SKILL語言實現(xiàn)的一款參數(shù)化抗輻射器件版圖的設(shè)計理念和方法，并且在Cadence Design Framework（DFII）中編譯調(diào)試和優(yōu)化，實現(xiàn)了該版圖的結(jié)構(gòu)，較大幅度地提高了版圖設(shè)計工作的效率。

SKILL；參數(shù)化單元；抗輻射；器件版圖

1　概述

Cadence EDA是當(dāng)前國際上最流行的EDA軟件之一。SKILL編程語言是該EDA系統(tǒng)提供的編程開發(fā)語言，集成在Cadence Design Framework中的EDA軟件都是基于SKILL語言實現(xiàn)的。用戶可以基于SKILL語言在Design Framework中進行設(shè)計軟件的定制設(shè)計或者拓展［1］。SKILL語言從人工智能語言Lisp發(fā)展而來，語法上更類似C語言，易于設(shè)計開發(fā)人員掌握。

在Cadence EDA系統(tǒng)中，參數(shù)化單元（Parameter CELL,PCELL）版圖是通過SKILL語言實現(xiàn)的一種可以通過W、L等參數(shù)進行層次（Layer）控制的版圖結(jié)構(gòu)，可以使用戶避免對器件版圖Layer的繁冗操作，降低出錯概率，節(jié)省工作時間，提高設(shè)計工作效率。

抗輻射加固版圖結(jié)構(gòu)相對于非加固的版圖結(jié)構(gòu)，其特殊的版圖設(shè)計形式會給版圖設(shè)計工程師增加工作難度。另外由于人為疏忽的存在，定制設(shè)計的器件版圖難以避免出錯。即使后期通過DRC、LVS等物理驗證手段發(fā)現(xiàn)問題，版圖設(shè)計返工也會浪費大量的工作時間。

因此我們提出了基于參數(shù)化抗輻射器件版圖完成抗輻射芯片版圖設(shè)計的設(shè)想，但是通過SKILL語言實現(xiàn)參數(shù)化抗輻射器件版圖的技術(shù)需要進行深入研究。目前，常見的參數(shù)化器件版圖設(shè)計主要是通過Cadence EDA系統(tǒng)中的Virtuoso軟件提供PCELL設(shè)計界面進行。但是基于此方法設(shè)計的PCELL靈活性不強，而且難以實現(xiàn)復(fù)雜的版圖結(jié)構(gòu)。因此有必要探索直接編寫SKILL源代碼來實現(xiàn)參數(shù)化抗輻射器件版圖的可行性。

本文闡述了通過SKILL語言實現(xiàn)的參數(shù)化抗輻射器件版圖的設(shè)計理念和方法，并且在Cadence的Design Framework（DFII）中編譯調(diào)試和優(yōu)化，實現(xiàn)了該版圖結(jié)構(gòu)，較大幅度地提高了版圖設(shè)計工作效率。

2　SKILL語言的基本語法

SKILL語言從人工智能語言Lisp發(fā)展而來，可以采用Lisp風(fēng)格的源代碼編寫方式［1］，例如：

（defun fibonacci（n）

（cond

（（or（equal n 1）（equal n2））1）

（t（plus（fibonacci（difference n 1））

（fibonacci（difference n 2））））

）

）

另外也可以采用C語言風(fēng)格的源代碼編寫方式［1］，例如：

procedure（fibonacci（n）

if（（n==1）||（n==2）then

1

else

fibonacci（n-1）+fibonacci（n-2）

）

）

SKILL語言與其他編程開發(fā)語言類似，有自己的命名規(guī)則、關(guān)鍵字、數(shù)據(jù)類型、函數(shù)調(diào)用、注釋格式等語法要求，與C語言類似，對熟悉C語言等編程開發(fā)語言的設(shè)計人員來說易于掌握。

需要注意的是Cadence已定義了自己內(nèi)部使用的專用函數(shù)，并以下劃線（“_”）作為前綴。這類函數(shù)可能由Cadence在沒有申明的前提下發(fā)生改變，一般不要使用。

SKILL語言支持多種數(shù)據(jù)類型，包括整型、浮點型等數(shù)字以及字符串、符號等字符。SKILL語言相對于其他編程開發(fā)語言的突出特點是大量使用List類型的數(shù)據(jù)格式。List即按照一定的順序?qū)?shù)據(jù)組合成一個表，并通過多種函數(shù)創(chuàng)建、修改、調(diào)用List。本文中常用來組織版圖Layer各個頂點的坐標(biāo)。

3　版圖設(shè)計使用到的SKILL函數(shù)

定義PCELL的函數(shù)為pcDefinePCell，其語法格式［2］如下：

pcDefinePCell（list（ddGetObj（“l(fā)ib”）“cell”“view”）

［參數(shù)定義］

let（［局部變量定義］

［函數(shù)體］

…

）；end of let

）；end of pcDefinePCell

其意義是在設(shè)計庫lib中生成單元名稱為cell的PCELL；格式view有多種類型，作為版圖格式一般采用layout。

“參數(shù)定義”指可以在PCELL調(diào)用時修改的各項器件參數(shù)，如器件的長（Length）、寬（Width）、叉指數(shù)目（Finger）、是否需要生成接觸孔和金屬（NeedCont）等，分別采用浮點型（float）、整型（int）、布爾型（boolean）等數(shù)據(jù)類型。

“局部變量定義”指在函數(shù)體中使用到的局部變量，如接觸孔分別在X和Y方向復(fù)制的個數(shù)等。

SKILL提供了豐富的圖形處理函數(shù)，可以在版圖中生成例如矩形（Rectangle）、多邊形（Polygon）、橢圓（Ellipse）、圓?。ˋrc）、圓環(huán)（Donut）等圖形，使用的函數(shù) 分 別 為 dbCreateRect、dbCreatePolygon、dbCreate Ellipse、dbCreateArc、dbCreateDonut，其語法格式［3］為：

dbCreateRect（

pcCellView

list（LayerGDSNumLayerDataType）；define layer

list（（LBX：LBY）（RTX：RTY））；define coordinate

）；enddbCreateRect

dbCreatePolygon（

pcCellView

list（LayerGDSNumLayerDataType）；define layer

list（（X1：Y1）（X2：Y2）（X3：Y3）…）；define coordinate

）；enddbCreatePolygon

以人教版小學(xué)語文三年級下冊第二組課文為例。本組課文由三篇精讀課文《翠鳥》《燕子專列》《一個小村莊的故事》，一篇略讀課文《路旁的橡樹》以及語文園地二組成。整組教材圍繞“保護環(huán)境”的主題編寫。語文園地二中的“讀讀背背”有五句有關(guān)動物的詩句。有的教師在教學(xué)第一篇課文時就以讀詩句引入本課教學(xué)。學(xué)習(xí)第二篇課文《燕子專列》時，又再次復(fù)讀詩句，將“黃鶯鳴翠柳，紫燕剪春風(fēng)。”等與燕子有關(guān)的詩句整合進課堂中，既豐富“讀讀背背”的積累，又使學(xué)生對燕子形象的感受更加深刻、立體。

dbCreateEllispe（

pcCellView

list（LayerGDSNumLayerDataType）；define layer

list（（X1：Y1）（X2：Y2））；define bounding box

）；enddbCreateEllispe

dbCreateArc（

pcCellView

list（LayerGDSNumLayerDataType）；define layer

list（（X1：Y1）（X2：Y2））；define arc bounding box

）；enddbCreateArc

dbCreateDonut（

pcCellView

list（LayerGDSNumLayerDataType）；define layer

list（X1：Y1）；；define the center of the donut

list（（X1：Y1）（X2：Y2））；define out circle radius

list（（X1：Y1）（X2：Y2））；define inner circle radius

）；enddbCreateEllispe

此外版圖設(shè)計還會使用到SKILL語言的流程控制函數(shù)，如if、when&unless、case、for、foreach等，其語法與C語言類似。

4　抗輻射器件版圖及其源代碼設(shè)計

工藝線提供的抗輻射器件版圖相關(guān)設(shè)計規(guī)則見表1，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1　抗輻射器件版圖設(shè)計規(guī)則

根據(jù)對器件版圖結(jié)構(gòu)和設(shè)計規(guī)則的分析，選定規(guī)則a、b、d、g作為抗輻射器件版圖PCELL的變量，規(guī)則c、e、f、h2因采用定值作為PCELL的常量；h1可以通過d、f、h2等計算出。

PCELL主要通過版圖結(jié)構(gòu)中各層次的坐標(biāo)來控制層次的尺寸及相互關(guān)系。因此需要通過幾何知識計算出版圖結(jié)構(gòu)中各個圖形的坐標(biāo)，然后通過編寫源代碼實現(xiàn)抗輻射器件版圖PCELL。我們定義Active的左下角為坐標(biāo)原點，生成Active需要的左下角坐標(biāo)（ActX1，ActY1）為：

（ActX1,ActY1）=（0,0）

右上角坐標(biāo)（ActX2，ActY2）按以下公式計算出：

ActX2=ActX1+a+2×（e+c+2×d+f）

ActY2=ActY1+b+2×（e+c+h2）

那么控制Active層次的SKILL函數(shù)描述為：

dbCreateRect（

pcCellView

list（2“drawing”）；define Active

list（（ActX1：ActY1）（ActX2：ActY2））；

）；enddbCreateRect

如此，用戶在調(diào)用PCELL時可以根據(jù)設(shè)計需要來調(diào)整a、b、e等參數(shù)以實現(xiàn)對Active圖形的控制。

呈陣列排布的接觸孔CT可以由for循環(huán)生成。首先通過參數(shù)b計算CT需要的復(fù)制數(shù)目：

IndexY=fix（（b-（f+2×g））/（f+2×g）+1）

CT的左下角坐標(biāo)按以下公式計算出：

CTX1=ActX1+e+c+d

CTY1=ActY1+e+c+h2+d+RepeatY×（f+g）

其中 RepeatY作為 for循環(huán)的形參（Formal Parameter）從0增加至IndexY。CT的右上角坐標(biāo)按以下公式計算：

CTX2=CTX1+g

CTY2=CTY2+g

其SKILL函數(shù)描述為：

（for RepeatY 0 IndexY

dbCreateRect（

pcCellView

list（8“drawing”）；define CT

list（（CTX1：CTY1）（CTX2：CTY2））；

）；enddbCreateRect

）；end for

如此，用戶調(diào)用的器件版圖PCELL可以根據(jù)不同Channel width值在NMOS的源漏端生成不同數(shù)目的接觸孔CT。

采用上述方式完成抗輻射器件版圖的Active、GT、CT、SN等所有層次的源代碼編寫，然后在Cadence DFII的CIW窗口中l(wèi)oad該SKILL源代碼即可對源代碼進行編譯，如圖2所示。

圖2　Cadence DFII CIW窗口界面

5　抗輻射器件版圖源代碼的優(yōu)化

Cadence按照設(shè)計庫（library）—單元（cell）—視圖（view）的層次化形式組織設(shè)計數(shù)據(jù)?？馆椛淦骷鎴DPCELL源代碼編譯后，存放在設(shè)計庫名為lib-單元名為cell-視圖名為layout的目錄中，可以通過Cadence Virtuoso軟件調(diào)用該PCELL來查看編譯效果。分別如圖3、圖4所示。

上述源代碼編譯后發(fā)現(xiàn)一個bug：當(dāng)器件Channel width改變時，生成的接觸孔CT與上下兩側(cè)多晶的距離不相等。

按照一般版圖設(shè)計要求，器件版圖最好對稱。經(jīng)過分析，我們將CTY1中加入偏移量Delta可以修正該bug，即：

CTY1=ActY1+e+c+h2+d+RepeatY×（f+g）+Delta

其中Delta=Space1=Space2=［b-IndexY×（f+g）］/2

如此生成接觸孔CT與上下兩側(cè)多晶的距離可以保持一致。同時，為避免產(chǎn)生的CT圖形偏離格點（off grid），需要對Delta進行g(shù)rid擬合，采用的方法是：

Delta_new=float［fix（Delta/grid）］×grid

先將Delta折算成grid的整數(shù)倍，再與grid相乘進行還原，即可完成Delta的grid擬合。

通過優(yōu)化后的源代碼再次編譯，得到了我們希望的版圖結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖3　Cadence設(shè)計數(shù)據(jù)層次化組織形式

圖4　編譯后的抗輻射器件PCELL

圖5　優(yōu)化后的器件版圖及PCELL參數(shù)調(diào)整界面

6　小結(jié)

本文基于Cadence EDA提供的SKILL編程開發(fā)語言，編寫了抗輻射器件版圖的PCELL源代碼，通過在Cadence DFII環(huán)境下進行編譯，實現(xiàn)了參數(shù)化抗輻射器件版圖的設(shè)計，且通過代碼優(yōu)化解決了接觸孔CT與多晶距離不對稱和接觸孔CT圖形offgrid的問題。通過使用參數(shù)化抗輻射版圖PCELL，可以避免由于人為疏忽造成的器件版圖設(shè)計錯誤，還可以節(jié)省工作時間，較大幅度提高版圖設(shè)計的工作效率。

［1］Cadence.SKILL Language User Guide［P］.Product Version 06.30,2004：20-28.

［2］Cadence.Custom Layout SKILL Functions Reference［P］. Product Version 5.1.41,2009：334.

［3］Cadence.Cadence Design Framework II SKILL Functions Reference［P］.Product Version 6.31,2008：391-392.

Layout Design of SKILL-based Parameterized Radiation-hardened Device

HU Yongqiang,ZHOU Yuan
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute，Wuxi 214035，China）

SKILL is a programming language provided by Cadence EDA,based on which users customize the EDA design environment.Parameter CELL（PCELL）controls layout layers using parameters like W and L, and the radiation-hardened device layout in turn poses new challenges to the designing work.The paper introduces a new layout designing method for skill-based parameterized radiation-hardened device and obtains the layout using Cadence Design Framework（DFII）.

SKILL；parameter cell；radiation hardening；device layout

TN402

A

1681-1070（2016）09-0031-04

胡永強（1983—），男，山東平邑人，四川大學(xué)微電子理學(xué)學(xué)士，主要從事全定制版圖設(shè)計、數(shù)字電路后端設(shè)計，對參數(shù)化單元（PCELL）設(shè)計、抗輻照標(biāo)準(zhǔn)單元建庫以及集成電路ESD保護設(shè)計有豐富經(jīng)驗。

2016-4-27