2.4 版图设计通用规则

在学习了版图的基本定义和设计流程之后，本小节将简要介绍一些在版图设计中需要掌握的基本设计规则。主要包括电源线版图设计规则、信号线版图设计规则、晶体管设计规则、层次化版图设计规则和版图质量衡量规则。

●电源线版图设计规则

电源网格设计是为了让各个子电路部分都能充分供电，是进行版图设计必需的一步，具体的设计规则如下：

（1）电源网格必须形成网格状或者环状，遍布各个子电路模块的周围。

（2）通常使用工艺允许的最底层金属来作为电源线，因为如果使用高层金属作为电源线，就必须使用通孔来连接晶体管和其他电路的连线，会占用大量的版图空间。

（3）每种工艺都有最大线宽的要求，超过该线宽就需要在线上开槽。但特别要注意的是，在电源线上开槽要适当，因为电源线上会流过较大的电流，过度的开槽会使得电源线在强电流下熔化断裂。版图设计规则中虽然对最大线宽有严格的要求，但为了保证供电充分，版图工程师还是会把电源线和地线设计得非常宽，以便降低电迁移效应和电阻效应。但是宽金属线存在一个重要的隐患，当芯片长时间工作时，温度升高，使得金属开始发生膨胀。这时宽金属线的侧边惯性阻止了侧边膨胀，而金属中部仍然保持膨胀状态，这就使得金属中部向上隆起。对于较窄的金属线来说，这个效应并不明显，因为宽度越窄，侧边惯性越低，金属向上膨胀的应力也越小。

宽金属在受到应力膨胀之后，金属可能破坏芯片顶层的绝缘层和钝化层，使芯片暴露在空气中。如果空气中的杂质和颗粒物进入芯片，就会导致芯片不稳定或者失效。为了解决这个问题，版图工程师在进行宽金属线设计时，需要每隔一定的距离就对金属线进行开槽，这一方法的本质是将一条宽金属线变成由许多窄金属线连接而成。由于开槽设计与金属间距、膨胀温度和材料有关，金属线开槽的具体规则因使用工艺不同而有所差异。图2.6展示了一个带有金属开槽的宽金属线实例。

（4）尽可能避免在子电路模块上方用不同金属层布电源线。

●信号线版图设计规则

信号线版图设计规则如下：

图2.6 带有金属开槽的宽金属线

（1）对信号线进行布线时，应该首先考虑该布线层材料的电阻率和电容率，一般都采用金属层进行布线，N阱、有源和多晶硅等不能用于布线。

（2）在满足电流密度的前提下，应该尽可能使信号线宽度最小化，这样可以减小信号线的输入电容。特别是当信号作为上一级电路的负载时，减小电容可以有效降低电路的功耗。

（3）在同一电路模块中保持一致的布线方向，特别是对同层金属，与相邻金属交错开，容易实现空间的最大利用率。例如一层金属、三层金属横向布线，二层金属、四层金属纵向布线。

（4）确定每个连接处的接触孔数量，如果能放置两个接触孔的位置尽量不使用一个接触孔，因为接触孔的数量决定了电流的能力和连接的可靠性。

●晶体管设计规则

（1）在调用工艺厂的晶体管模型进行设计时，应该尽可能保证PMOS晶体管和NMOS晶体管的总体宽度一致，如图2.7所示。如果二者实在不能统一到一致的宽度，也可以通过添加虚拟晶体管（Dummy MOS）来保证二者宽度一致。

图2.7 保持NMOS晶体管和PMOS晶体管宽度一致

（2）在大尺寸设计时，使用叉指晶体管，例如，一个100μm宽度的晶体管就可以分成10个10μm的叉指晶体管。使用叉指晶体管也可以优化由晶体管宽度引起的多晶硅栅电阻。因为多晶栅是单端驱动的，而且电阻率比较高，将其设计成多个叉指晶体管并联，也可以减小所要驱动的电阻。

（3）多个晶体管共用电源（地）线，这个规则是显而易见的。电源（地）线共享可以有效地节省版图面积。

（4）尽可能多使用90°的多边形和线形。首先采用直角形状，计算机所需的存储空间最小，版图工程师也最易实现。虽然45°连接对信号传输有较大的益处，但这种设计的修改和维护相对困难（在有的设计中，由于45°连线没有位于设计规定的网格点上，还可能导致设计失败），所以对于一般的电路模块版图设计，没必要花费额外的设计精力和时间来使用45°连线进行设计。但对于一些间距受限和对信号匹配质量要求较高的电路，还是需要使用45°连线。

（5）对阱和衬底的连接位置进行规划并标准化。N阱与电源相连，而P+衬底连接到地。

（6）避免“软连接”节点。“软连接”节点是指通过非布线层进行连接的节点，由于非布线层具有很高的阻抗，如果通过它们进行连接，会导致电路性能变差。例如，有源层和N阱层都不是布线层，但在设计中可能也会由于连接，最终导致电路性能变差。目前在运用计算机进行DRC检查时，可以发现该项错误。

●层次化版图设计规则

层次化设计最重要的就是在规划阶段确定设计层次的划分，将整体版图分为多个可并行进行设计的子电路模块，尤其是那些需要多次被调用的模块。此外，如果是进行对称的版图设计，那么将半个模块和其镜像组合在一起进行对称设计。

●版图质量衡量规则

一个优秀的版图设计还需要对其以下几方面的质量进行评估：

（1）版图面积是否最小化；

（2）电路性能是否在版图设计后仍可以得到保证；

（3）版图设计是否符合工艺厂的可制造性；

（4）可重用性，当工艺发生变化时，版图是否容易进行更改转移；

（5）版图的可靠性是否得到满足；

（6）版图接口的兼容性是否适合所有例化的情况；

（7）版图是否在将来工艺尺寸缩小时，也可以相应的缩小；

（8）版图设计流程是否与后续工具和设计方法兼容。