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技术优势

Latch up rule 难点:

  • 在 IC设计规则中，我们经常遇到有关Latch up rule的描述，这些规则由于不太容易在DRC Code中实现，因此，大部分Foundry给设计工程师的建议是：通过“目视”的手段来手工检查这些规则，这给设计留下了一些隐患。
  • Latch up Rule最常见的规则是“隔离”或者“挡住”问题，如下：
  • 该规则要求在IO区域到内部区域必须有一个完整的Guard Ring隔离开，上图中左边图形是符合设计规则的，而右边图形是不符合设计规则的。看起来似乎很简单，但是，由于通用的DRC工具只支持2个layer的相互关系检查，不支持3个layer的几何操作，而隔离问题一般都是要求layer A与layer B之间必须有layer C的隔离，它是一个典型的3 layer操作，该如何解决呢？除了正对方向的隔离问题，斜线方向的隔离也是常见的规则，如下：
  • 上图中，从IO区域到内部区域不是正对的方向，而是斜线的方向，规则要求二者之间也要有Guard Ring隔离。可以看到，竖向的隔离层把虚线斜线区域全部隔离开了，符合规则。而横向的隔离层图形长度不够长，没有完全把IO到内部区域隔离，需要报错。那么，斜线的隔离检查又该如何做呢？除了IO区域与内部区域是否有Guard Ring隔离的问题，同时隔离的Guard Ring还有顺序的问题，如下:
  • 左边图示从IO区域到内部区域是先P Guard Ring，后N Guard Ring，其顺序是正确的，而右边图形顺序反了，是不符合规则的。顺序问题该如何检查呢？不仅是IO区域到内部区域需要有隔离规则，内部区域的mos管如果total width比较大，同样也需要有隔离规则，如下：
  • 左图是一个total width超过了一定范围的NMOS管，它右侧首先保证有一个Guard Ring把它与pmos管隔开，同时规则还要求pmos左边还要有一个VDD contact的pickup把其与Guard Ring隔离。右侧图形，VDD contact的位置不对，没有位于pmos管与Nch之间，因此不符合设计规则。总结这些规则的共同点，“隔离”或者“挡住”问题是Latch up最基本的检查，所谓挡住就是指在layerA, LayerB之间检查是否有layer C的图形挡住。
  • 需求：提供一个三layer输入的基本命令。
  • 常用的DRC工具只提供1个layer或者2个layer的检查命令，不提供三layer输入的检查命令。 如果利用DRC的多个命令组合来生成上述命令，由于普通的DRC命令会将不同图形的结果连成一片，会导致报错结果无法区分具体的区域，失去了检查的意义。如下图所示：
  • 上图中，黄色图形是IO区域，红色图形是内部区域的mos管，要检查在黄色图形与绿色图形之间在200um范围内是否有一个绿色的图形被隔离开。
  • 普通的DRC命令方法是：首先把红色图形和黄色图形做一个间距为200um的检查，把左右的报错结果组合成一个或多个多边形图形，然后判断这个多边形图形是否被绿色图形隔断了。
  • 上述方法的问题是： 当绿色图形只要位于200um的范围内隔离了某几个mos管，就会被判定为把所有的mos管都隔离开了。上图中的绿色图形与黄色图形之间还有几个红色mos管没有被实际隔离，但是DRC Code的间距检查由于把结果连接成了一个大片的图形，它无法判断方位，只能判断这个大片的图形是否有被绿色图形切开，因此出现了误判。
  • 有些DRC工具的间距检查提供了Shield的选项，试图只把最近的间距图形报错，不去把所有符合间距错误的图形都报错出来，试图避免这个问题。但是，Shield的选项是专门为了2层图形的检查设计的，它不是为了3层图形检查设计的。因此2层图形检查的结果输出是“边”，而不是图形。作为“边”是无法参与后续的3层图形操作的。如果把“边”再转换为很细的小图形去做后续的运算，则又陷入了“边”形成图形后连接成一片大的图形，无法区分方位和具体位置的问题，从而出现误判。
  • 因此，必须寻找一种方法：它可以把2个layer之间被隔离的图形准确找到。这个方法实现困难吗？为什么大部分Foundry没有提供这样的检查？国内只有个别Foundry给用户提供了该问题的解决方案，他们的方案为什么采用了helmet的设计思路？该思路可以推广到其它Foundry吗？如果某些Foundry不提供该方案，IC设计公司可以自行写DRC Code实现吗？如何实现？
  • 上面我们提到：为了解决Latch up rule中的隔离或者挡住问题，必须寻找一种方法：它可以把2个layer之间被隔离的图形准确找到。
  • 如上图所示，在左上的Nch Transistor W > 200um的大管子与坐下的Pch小管子之间必须有一个N+ Guard Ring将二者隔离。
  • 前文还曾经提到，目前通用的DRC工具暂时不提供类似的检查命令，为了解决该问题，我们自定义了一套与Latch up rule检查相关的命令，该命令就是helmet系统的主要功能。Helmet系统可以嵌于主流的DRC工具中运行，结果报错形式也与主流DRC工具兼容。
  • 上图中黄色图形是total width大于200微米的N型大管子，红色图形是p型小管子，要检查它们之间是否被绿色的N+ Guard Ring阻挡。
  • 系统首先定义了一个关键字：
  • a. 隔离命令检查关键字： FindClosestRegion
  • – 格式：FindClosestRegion LayerA LayerB　Distance
  • 1. LayerA, LayerB: 图形层
  • 2. Distance: 两层图形间的最小检查距离
  • b. 功能：　寻找LayerA与LayerB的最近的图形之间的垂直投影区域，如果LayerA与LayerB之间有多个图形，只寻找最近的图形。输出他们之间的区域。
  • 如上图所示，FindClosestRegion的结果就是图中的黑色虚线，它的特点是：任意2个虚线都没有交叉，虚线仅仅是layerA与layerB的最近的投影区域，即使在Distance范围内有多个图形，也仅仅找到相邻图形区域即可。
  • 一旦得到了FindClosestRegion的结果，下一步的操作就比较简单了：为了判断FindClosesestRegion的区域是否被挡住，用这个区域的结果减去挡住图形，如果挡住图形被割断成2个图形，表明被挡住了，如果仍旧为一个图形，就说明没有被完全挡住。
  • 第一步： 找到最近的FindClosestRegion
  • WideClosestPGateRegion {
  • FindClosestRegion pGate WideNGateExtent < EsdDistance
  • }
  • 第二步： 用第一步的结果减去阻挡层
  • rule4_first {
  • RemainRegion = WideGateClosestNGateRegion NOT nwell_contact_sz
  • WideGateClosestNGateRegion Enclose RemainRegion < 2
  • }
  • 下面是一个典型的报错实例：
  • 其中中间的是一个N型的大管子，上下各有几个P型的小管子，要检查它们是否被nwell contact的ring阻挡。 放大上方的报错图形，可以看到：
  • 其中紫红色报错区域显示，上方的pmos没有被一个N+ Guard Ring隔离，因此报错。 另外一个报错是：
  • 上图中的灰色高亮报错原因是：pmos管虽然被N+ Guard Ring隔离，但是由于N+ Guard Ring的nwell图形没有与pmos公用一个nwell，因此不符合要求，也要报错。 上边还有2个pmos，它们没有报错，原因是：它们的N+ Guard Ring都与pmos共用了一个nwell，符合要求。 除了正对的隔离要求外，Latch up Rule还要求在斜线方向也要有隔离阻挡。
  • 如上图所示，需要判断绿色与红色图形之间是否被蓝色图形在斜线方向隔离。 为了实现斜线隔离阻挡检查命令，Helmet系统通过2条组合命令来实现：
  • 步骤1 ： SeparateRing nwell_contact > 0 记录阻挡用图形的坐标，供下一条命令使用
  • 步骤2： SlantSeparate pGate WideNGateExtent < EsdDistance 检查在两个Layer之间是否有斜线阻挡图形存在
  • 这2个关键字的核心思想是：每个斜线图形是独立的“边”，不要让斜线图形生成图形，否则图形连接成一片大的区域后，就无法判断到底哪个斜线没有被阻挡了。
  • 上图是一个典型的斜线隔离报错，白色线段是报错图形，它显示N+ Guard Ring没有完全把pmos包围起来，留出了一个小缺口，因此报错。 下面是另外一个报错图示：
  • 它显示：N+ Guard Ring只有横向的隔离，没有加纵向的隔离，导致在斜线方向上没有完全被隔离，因此报错。 通过以上分析，可以看到，helmet系统通过添加新的关键字，实现了主流DRC工具没有解决的正对阻挡和斜线阻挡的问题。 再看几个典型的报错图示:
  • 上图是ESD器件都内部器件之间本来需要2个Guard Ring，结果只出现了一个Guard Ring，因此报错。
  • 上图是：由于Guard Ring中间有好多小缺口，导致在斜线方向的阻挡不满足要求，报错。
  • 上图是： 要求从ESD器件到内部器件的 Guard Ring 应该是先P型Ring，后N型Ring，但是目前的图形画反了，因此报错。
    • 除了上述常见的Latch up Rule以外，我们在ESD/Latch up检查中还经常遇到以下几类约束，该如何实现呢？

    DRC中的隔离（阻挡）检查:

  • 下面我们再具体谈谈DRC中的隔离（阻挡）检查
  • 所谓隔离（阻挡）检查就是检查在 layer1和layer2之间必须有layer3将其隔离（或阻挡）。如下图所示：
  • 中间的图形是一个layer，上下的图形是另外一个layer，这2个layer必须被某个layer隔离或者阻挡才符合DRC规则。
  • 当时，我们建议观众用最简单的实现方法：
  • 第一步： 找到layer1, layer2距离最近的区域：FindClosestRegion
  • region1 {
  • FindClosestRegion layer1 layer2 < Dis
  • }
  • 第二步： 用第一步的结果减去layer3，看是否被切割成2个区域
  • check {
  • RemainRegion = region1 NOT layer3
  • region1 Enclose RemainRegion < 2
  • }
  • 不过，也有观众提出：我没有helmet工具，因此无法用你提到的关键字：FindCloestRegion，是否可以直接用主流工具的命令呢？
  • 回答是：可以通过比较复杂的Drc Code操作间接地近似实现。
  • 我们首先先了解Drc Code一个命令： DFM Space。其用法是：
  • DFM Space layer1 layer2 < dis COUNT ==4
  • 它的含义是：检查layer1和layer2的距离是否小于dis，其中COUNT == 4的含义是：如果layer1 , layer2图形在dis距离范围内出现了Shield的特点，则把Shield以外的图形忽略。
  • 上图中，layer1是A边，layer2是B边，蓝色的S是layer1的另外一个边，S边就是Shield图形，它把间距检查的某些区域挡住了，报错时，被Shield的区域不被输出，从而大大减少了报错个数，并且为后续的进一步操作留下了空间。
  • 利用上述概念，我们可以如下实现layer1, layer2被layer3阻挡的操作：
  • 第一步：
  • edge1 {
  • X = DFM Space [layer1] layer2 < dis COUNT ==4
  • Y = DFM Space layer1 [layer2] < dis COUNT ==4
  • }
  • 第一步的结果是把layer1, layer2的最近距离图形找到，与helmet工具的findCloesestRregion类似，唯一的区别是：该命令输出的结果是边，而不是图形。由于结果是边，就需要做额外的操作把它变成图形。
  • 第二步：
  • region1 {
  • regionx = EXPAND EDGE X outside by 0.001
  • regiony = EXPAND EDGE Y outside by 0.001
  • }
  • 第二步的结果是把边扩展为一个很细的矩形。准备检查在x与y的矩形之间是否有layer3被隔离开。
  • 第三步：
  • no_layer2 = BULK not layer2
  • no_laeyr1 = BULK not layer1
  • region2 {
  • region2 = SIZE regionx by dis INSIDE OF LAYER no_layer2 step 0.03
  • }
  • 第3步的含义是： 把layer1的边向外扩充dis的距离，但是在扩充过程中如果遇到layer2的边阻挡，就停下来不要再扩了。step 0.03的值是layer2图形宽度的一半。这个size step的操作就是我们在前面文章中多次提到的“孙悟空跳不出如来佛手心”的操作。
  • 第四步： 用第三步的结果减去layer3，看是否被切割成2个区域
  • check {
  • RemainRegion = region2 NOT layer3
  • region2 Enclose RemainRegion < 2
  • }
  • 看起来，通过上述四个步骤实现了helmet工具的FindCloesestRegion的命令，不过，这个操作隐含着一些问题：如下：
  • 上图中绿色图形是layer1，黄色图形是layer2，红色图形是layer3。直观地看，layer1, layer2确实被layer3隔离开了。
  • 但是，在第三步做size操作时，由于绿色图形的2条边对外做size扩充后上下2个图形连接成了一个图形，导致最后做第四步减去layer3时，其结果还是连接场一片的一个图形，不是被分割成2个图形，从而报错，出现了伪错。 遇到上述问题，该如何解决呢？
  • 一种解决办法是：毕竟通过上述检查已经能够查出绝大多数问题了，剩余的问题由人工来分析，工作量也不是很大。
  • 另外一种办法就是：把上图中layer1的竖向的边分解成很多短边，每个短边中间被一个0.001的很细的距离隔断，即纵向边的短边都是没有相邻的边，这样第三步做size操作时，就不会把多个区域连在一起了。这种方法实现起来比较麻烦，有兴趣的读者可以自己分析来写出具体代码。
  • 总结：隔离检查是DRC检查中经常遇到的问题，由于普通的DRC命令不支持该检查，用户需要写复杂的组合命令来实现该功能。用户经常的问题是：为什么几大EDA公司的工具明明知道有该需求，就是不通过一条简洁的命令来实现呢？
  • 答案是：任何自动化的功能都是需要权衡实现代价和带来的收益的。EDA公司经过仔细分析发现：实现该命令的工作量和难度远远大于预期获得的收益，因此留给用户自己通过命令组合来实现。
  • 难道用户就没有办法使用简单命令实现上述需求吗？幸运的是，有一个EDA公司提供了该命令的简单实现，这就是天津蓝海微公司提供的helmet工具。更加幸运的是，针对国内的Fabless设计公司，helmet工具提供了为期3个月的免费使用期，具体日期为：2018年10月1日至2018年12月31日。