PDK 生成流程解析

本文將詳細介紹數字標準單元庫的工藝設計套件（PDK）生成步驟。

晶圓代工廠會為其各工藝節點發布一套名為工藝設計套件（PDK）的文件集，一套完整的PDK包含以下內容：

?后端工藝（BEOL）互連寄生參數數據

?靜態隨機存取存儲器（SRAM）及邏輯標準單元的特征化數據

?后端工藝層與標準單元層的設計規則

PDK是寄存器傳輸級（RTL）設計仿真、功耗-性能-面積（PPA）指標評估，以及可制造版圖繪制的核心模型支撐。本文聚焦于邏輯門標準單元的PDK生成工作，需說明的是，SRAM的特征化與存儲器編譯器的開發不在本文探討范圍內。

后端工藝（BEOL）堆疊結構定義

PDK生成的第一步是定義后端工藝堆疊結構，具體包括金屬層與過孔層的層數、導體和介質材料的選型，以及適配該工藝節點的金屬、過孔幾何尺寸。

后端工藝堆疊結構確定后，需對各層的電學特性進行仿真，并將仿真結果錄入后端工藝寄生參數文件。新思科技的EDA工具采用互連技術格式（ITF），描述過孔電阻及針對不同金屬寬度、全系列金屬層仿真得到的電阻率表。

光刻工藝的限制條件與套刻精度，決定了以下設計規則：

?金屬最小長度

?同層或相鄰層中金屬/過孔的最小間距

?金屬線端間距

?過孔尺寸

?過孔包圍尺寸

這些設計規則會被記錄在工藝文件（.tf）或版圖交換格式文件（LEF，.lef）中。

以開源的ASAP7 PDK為例，表1列出了該套件中前端、中段、后端工藝（FEOL、MOL、BEOL）各層的設計規則參數。

晶體管設計與建模

PDK開發的下一個關鍵步驟，是為目標工藝節點設計并開發N溝道和P溝道場效應晶體管（FET）的器件模型，這類模型是標準單元庫的構建基礎（見圖1）。

圖1 PDK生成流程

工程師會借助工藝計算機輔助設計（TCAD）等軟件工具對晶體管進行仿真，通過轉移特性、輸出特性和電容特性捕捉晶體管的直流與交流電學行為，而伯克利短溝道絕緣柵場效應管（BSIM）系列器件模型是實現這一目標的常用選擇。

隨著半導體工藝節點不斷微縮，晶體管的結構也發生了重大變革。在英特爾于22納米工藝節點推出首款三維三柵極晶體管（鰭式場效應管，FinFET）之前，平面晶體管架構一直占據晶圓代工領域的主流。數年后，三星推出全環繞柵場效應管（GAAFET）架構，再次改寫了晶體管技術的發展軌跡。

在22納米及以下工藝節點，鰭式場效應管、全環繞柵場效應管等多柵極器件需采用BSIM-CMG模型模板。每個器件模型都包含一組SPICE參數，其數值通過對器件特性曲線進行擬合提取得到。晶圓代工廠會運用功函數工程技術，為N型和P型金屬氧化物半導體（NMOS、PMOS）晶體管設計多種閾值電壓（Vt）方案。

單元庫開發

PDK生成的最后一步是開發標準單元庫，需為庫中計劃納入的每個單元繪制對應的電學原理圖。圖2為一款標準單元的版圖示例。

圖2 aoi31_x2單元版圖

標準單元的版圖采用緊湊式繪制方式，單元內部的布線均限定于后端工藝的低層金屬（通常為金屬1至金屬3）及中段工藝（MOL）互連層。繪制單元版圖時，需先依據原理圖擺放各類晶體管，再完成線網的布線工作；同時，必須結合工藝流程、光刻工藝限制和設計規則進行細致考量，這一點至關重要。

版圖繪制完成后，需通過版圖與原理圖一致性（LVS）檢查：首先通過版圖網表提取識別出器件、接觸孔和金屬線，再由LVS工具將提取的網表與原原理圖進行比對。此外，在設計規則檢查（DRC）環節，還會驗證版圖是否存在違反設計規則的情況，確保其具備可制造性。

并非版圖中的所有信息都適用于布局布線仿真，器件的精細結構和內部接觸孔的圖形信息通常無需調用，而是將版圖的抽象信息提取至LEF文件中，為布局布線仿真提供支撐。LEF文件包含單元邊界、引腳、可用于布線的各金屬層上的單元內部互連線，以及指導單元布局所需的層信息。

除LEF文件外，布局布線EDA工具還需要單元庫中各單元的功耗模型和時序模型，這類模型通過兩步流程生成：先提取單元寄生參數，再對標準單元進行特征化。

單元寄生參數提取會捕捉中段工藝和后端工藝低層的寄生信息，并將其轉化為電阻-電容（RC）SPICE網表；標準單元特征化則基于這些單元網表和器件緊湊模型，針對不同的輸入轉換時間和輸出負載，計算出單元的傳播延遲、轉換時間和內部能耗。

上述所有信息最終會存儲在Liberty文件（.lib）中，這些模型能助力EDA工具在模塊布局布線仿真階段評估設計的性能表現。

總結

寄存器傳輸級仿真是數字集成電路設計的基礎，而這類仿真的準確性依賴于高精度的PDK。本文闡述了數字標準單元庫PDK生成的核心要點，核心結論如下：

?PDK生成是一個多階段流程，從定義后端工藝金屬堆疊結構開始，依次完成前端工藝器件建模、單元級版圖繪制與驗證，最終生成布局布線工具所需的各類配套文件。

?工藝文件（.tf）承載了繪制完整、可制造的設計版圖所需的全部設計規則。

?高精度的寄生參數建模和標準單元特征化，是生成可靠的時序與功耗模型、開展真實的時序/功耗分析的關鍵。

標準單元版圖采用緊湊式設計，單元內部布線限定于中段工藝和后端工藝低層金屬；而模塊設計階段的單元間布線，會用到后端工藝的全層堆疊結構。

原文

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/understanding-the-pdk-generation-process

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