什么是半导体芯片的design rule？
2024-11-19 阅读 300
更新于 2024年11月22日
简略自己的理解，design house设计的芯片最终肯定是拿给fab流片的，那么fab制造过程对于版图文件有一定规则的要求，这个就是rule吧，画版图的时候存在一个操作就是drc，检查规则。
最近在和某家的pex rule斗智斗勇，身为大陆teir one，pex rule竟然提不出来LDE参数，项目deadline迫在眉睫，就很抓马～
好了，牢骚少发，简单介绍下什么是design rule：
半导体芯片的design rule是一系列由半导体制造商制定的详细技术规范和物理限制，这些规则是用来指导设计人员在特定工艺节点下进行设计时必须遵守的准则～
Design rule覆盖了从最基本的晶体管结构、互连线的几何形状、到整个芯片布局的方方面面，包括但不限于最小线宽、最小间距、接触孔尺寸、宽度和长度限制、对准要求、密度控制、以及针对特定功能区域的特殊规定。这些规则直接反映了制造过程中的限制，如光刻精度、蚀刻和沉积过程的特性，从而防止设计中出现无法在物理上实现的特征～
Design rule文档通常非常详尽，可能包含数百页，涵盖技术概述、layout指导、模拟电路布局建议、ESD设计规则、可靠性规则等等。Design rule就是部工具书，需要哪里点哪里～
下面ppt是更详细的介绍：
以上～
定义半导体芯片的 Design Rule（设计规则）是一套几何尺寸及相关的约束条件，用于指导集成电路（IC）的物理版图设计。这些规则规定了芯片设计中各种物理图形（如晶体管、连线等）的最小尺寸、间距、覆盖等要求，确保芯片能够在特定的制造工艺下正确地制造出来，并且具有预期的性能和可靠性。内容分类最小尺寸规则这是设计规则中最基本的部分。例如，规定了晶体管的最小沟道长度和宽度。以目前先进的制程工艺为例，晶体管的沟道长度可以达到纳米级别。如在 7 纳米工艺中，晶体管的最小沟道长度约为 7 纳米左右。这些最小尺寸限制了芯片上元件的尺寸下限，因为如果尺寸过小，可能会出现量子隧穿效应等物理现象，导致晶体管无法正常工作。同时，连线的最小宽度也有规定。这是因为较窄的连线会导致电阻增大，信号传输延迟增加，甚至可能会因为电流密度过大而出现电迁移现象，使连线损坏。所以，在设计规则中会明确在特定工艺下连线的最小宽度，例如在 14 纳米工艺中，金属连线的最小宽度可能是几十纳米。间距规则不同的物理图形之间需要保持一定的间距。比如，相邻晶体管之间的间距要足够大，以防止它们之间的信号干扰或者短路。在芯片设计中，相邻的金属连线之间也需要有一定的间距，这是为了避免信号串扰。例如，在设计存储芯片时，存储单元阵列中的位线和字线之间的间距是根据设计规则严格确定的，以确保数据的正确读写。还有不同层之间图形的间距要求。芯片是通过多层结构制造的，不同层上的图形可能会通过通孔等方式连接，各层图形之间的垂直间距和水平间距都要符合设计规则，以保证制造过程中的对准精度和电气性能。覆盖规则覆盖规则主要涉及不同层之间图形的重叠部分。例如，在制造过程中，当通过光刻和蚀刻等工艺在一层上制作图形，然后在其上再制作另一层图形时，上下两层图形之间需要有一定的覆盖区域。以金属层和接触孔为例，接触孔需要足够覆盖下面的有源区或金属层，以确保良好的电气连接。如果覆盖不足，可能会导致接触电阻过大，影响芯片性能；而覆盖过度则可能会造成短路或者占用过多的芯片面积。重要性保证制造可行性：设计规则是芯片设计和制造之间的桥梁。如果设计不符合制造工艺的设计规则，芯片在制造过程中就会出现各种问题，如光刻图形无法准确形成、蚀刻过度或不足等，导致芯片无法制造或者良率极低。例如，当设计的图案尺寸小于光刻机的分辨率极限时，就无法在晶圆上精确地制造出相应的图形。确保芯片性能和可靠性：合理的设计规则可以确保芯片的性能。例如，通过规定连线的宽度和间距，可以控制信号的传输速度和信号完整性。适当的图形间距和覆盖规则可以减少信号干扰和电气故障，提高芯片的可靠性。例如，在高速数字电路设计中，严格遵守设计规则能够有效降低信号的串扰噪声，保证数据的高速准确传输。实现设计标准化：设计规则为芯片设计师提供了一个统一的标准。不同的设计团队可以依据相同的设计规则进行设计，使得芯片设计过程更加规范和高效。同时，这也方便了芯片制造厂商对设计进行评估和制造，有利于整个芯片产业的分工协作。作者：江苏泊苏系统集成有限公司
版图设计规则
TSMC 7nm工艺设计规则最小线宽与间距：定义：规定了金属连线、多晶硅等各层材料在芯片上所能绘制的最小宽度，以及不同层之间或者同一层相邻线条之间的最小间距要求。例如，在某先进制程的芯片中，金属 1 层的最小线宽可能是几十纳米，而其最小间距也是相应的几十纳米。这是为了避免线条之间发生短路或者信号干扰等问题，保证电路能够正常工作。作用：严格控制这些尺寸可以在有限的芯片面积内合理布局电路元件，同时确保制造工艺能够精准实现设计要求，提高芯片制造的良品率。
最小器件尺寸：定义：针对晶体管、电容、电阻等各种有源和无源器件，定义了其最小的长度、宽度以及面积等尺寸参数。比如，某工艺下的 MOS 晶体管，其沟道长度会有一个最小限定值，小于这个值可能会导致晶体管性能失控，无法正常实现开关等功能。作用：确保器件在物理实现后能够满足电学性能要求，保证整个集成电路的可靠性和稳定性，并且符合制造工艺的可实现性，防止因尺寸过小造成的各种物理效应影响器件性能。
接触与通孔规则：定义：规定了不同导电层之间如何通过接触孔（用于连接同一层不同部分的导电区域）和通孔（用于连接不同导电层）来实现电气连接，包括它们的最小尺寸、最小间距以及与周围其他结构的间隔要求等。例如，金属层和有源区之间的接触孔大小和间距要合适，才能保证良好的电流导通且不会出现短路隐患。作用：准确实现各导电层之间的电气连接，是构建复杂电路结构的关键，遵循这些规则可避免因连接不良或者错误连接而导致的电路故障。
有源区与阱区规则：定义：明确了晶体管的有源区（如 MOS 管中源极、漏极和沟道所在区域）以及阱区（用于为晶体管提供合适的衬底偏置等条件的区域）的尺寸、形状、相互之间的距离等要求。例如，N 型 MOS 管的有源区与 P 阱区的相对位置和间隔需要符合特定规则。作用：合理划分和布局有源区与阱区，能够为晶体管等器件营造良好的电学工作环境，保障其正常的电流传导、开关特性等性能，并且有助于控制芯片中的寄生效应。
