【对射频电感实现PDK参数化和建模的难点处理】0402贴片电感

　　摘要:本文研究了如何利用参数化设计套件 (PDK)实现华润上华0.18微米工艺平台的电感器件,列举了射频电感参数化和建模的难点,以及使用图形技术编辑器(GTE)和SKILL程序解决的主要方法学。文中以研发射频(RF)电感为例,从建立前端模型,到完成后端参数化单元(Pcell),介绍了在研发电感PDK中出现的主要问题和需要解决的难点,以及实现器件和验证的方法。
　　关键词:RF电感;PDK;研发;难点;解决
　　
　　1引言
　　
　　 1.1 射频电感和PDK定制的需求
　　 随着集成电路与通信技术的发展,射频收发机系统的CMOS全集成已经成为发展趋势,并且已经被广泛应用于手机、射频芯片(RFID)、测试设备、导航系统(GPS)、雷达、终端无线方式互相连接的技术(Wi-Fi)以及卫星无线电等应用的高频模拟电路和信号处理中。而其中,电感作为最重要的无源组件之一,承担着射频电路中的几项主要功能,包括:电路调谐、阻抗匹配、高通和低通滤波器,以及RF扼流圈等。RF电感的性能,将直接影响到射频电路甚至是电子产品的质量。基于RF全定制芯片设计流程的参数化设计套件(Process Design Kit,PDK)――工艺设计套件提供了完整的解决方案。
　　
　　 1.2 华润上华0.18 微米 模拟/射频 工艺介绍
　　 华润上华模拟/射频 工艺CMOS 0.18um MS/RF是晶圆代工厂基于客户对于数模混合、射频开发兼容的需求而开发的可广泛应用的新工艺,能够提供1.8V电压内部器件、3.3V或者5V 电压接口器件,同时提供Native VT、Medium low VT器件、高性能电容、高精度硅电阻、可变电容器、射频电感等可供选择的特殊器件,可方便客户大规模,数模/射频集成的电路设计。
　　
　　 1.3本文研究内容
　　 本文中,主要基于CSMC 0.18um MS/RF工艺,研究解决射频电感参数化设计套件实现中,准确反映工艺模型特征参数、各种参数之间的参数传递及其作用所出现的难点和处理方法。
　　 本文将具体介绍参数化设计套件(PDK)的设计流程和图形技术编辑器(GTE)的实现方式,并重点介绍难点的解决方法学和质量保证(QA),最后是结束语。
　　
　　2 射频参数化设计套件的
　　实现流程和方式
　　
　　参数化设计套件(PDK) 是为模拟/射频混合信号IC设计而提供的完整工艺文件集合,是连接IC设计和IC工艺制造的数据完整平台。作为面向特定工艺的设计包,PDK支持的IC工艺包括:CMOS、双极、BiCMOS、SOI和GaAs,RF等。图1很好地说明了PDK所含内容和设计流程及设计工具之间的关系。
　　
　　 2.1 传统参数化设计套件开发流程介绍
　　PDK的参数化单元(PCell)和CDF(相同格式定义)和反馈程序控制(Callback)都是由SKILL语言开发的。SKILL编程语言是一种高级的交互式语言。目前,SKILL是一种开发PCell的主流解释性语言,能在Cadence Virtuoso环境中被立即执行。其特有的面向对象设计(ROD)命名方式,可以简化寻找对象标志(ID),特别在开发层级PCell时底层对象的寻找和调用。更重要的是,它允许用户访问和控制所有工具环境中的组件:用户接口管理系统、设计数据库和设计工具的命令库[1,2]。
　　 面向对象设计(ROD)是一套高级的SKILL函数的集合,并且被广泛地应用于从简单到复杂的版图对象以及这些对象之间的空间关系。
　　 比如描述MOS的折叠栅极(fingers)最大最小值的控制与返回,以及与其它参数w,fw的关系:
　　 ( fingers
　　 min = ST18_hvmosValue(param ?dpt dpt ?type "min)
　　 max = ST18_hvmosValue(param ?dpt dpt ?type "max)
　　 PasCdfValidateInt(paramId ?min min ?max max ?mode mode)
　　 PasCdfCommitValue(paramId)
　　 w = cdfParseFloatString(cdfId->w->value)
　　 fw = cdfParseFloatString(cdfId->fw->value)
　　 if( stringp(w) && stringp(fw) then
　　 if( rexMatchp("iPar( *\"w\" *)" fw) then
　　 tconc(doList "fw)
　　 else
　　 tconc(doList "w)
　　 )
　　 else
　　 tconc(doList "w)
　　 ) ; ** if stringp **
　　 fingers = cdfParseFloatString(paramId ->value)
　　 when( numberp(fingers) &&fingers connectSD
　　 cdfId->connectSD->value = "None"
　　 )
　　 )
　　然而随着模拟混合信号设计要求不断提高,使用器件的种类越来越多,对PCell的功能和参数要求也越趋复杂和完善,但使用传统的开发方式将很难保证PDK开发的时间和质量。对于开发者来说,基于0.18um MS/RF工艺研发一个MOS器件,通常这个器件需要有上百个变量赋值,上千个ROD图形对象坐标校准以及上万行SKILL代码编程与排错。难以想象,如果用这种SKILL开发方式,能有效的完成所有的参数化单元库。
　　
　　 2.2图形技术编辑实现优化的参数化设计套件开发方式
　　基于用SKILLl编程式开发PDK的困难,经过多年的反复摸索,目前我们采用了图形技术编辑(GTE)的方式来优化开发,在本次研究中,我们使用PDK开发设计工具GTE。它是一款为使用者设计的图形化界面的编辑工具,可以通过图形化的方式定义、编辑模型、工艺规则等,并且以文档的方式将这些信息保存起来。通过使用GTE,我们可以实现对RF Pcells、CDF 参数等模块的定义和编辑。根据积累的开发经验,我们可以总结出PDK开发的设计流程如下。
　　 Pcells(Parameterized Cells参数化单元):它由SKILL语言编写,同时其对应的版图通过了DRC和LVS验证,加速设计周期,方便设计人员进行原理图驱动的版图(Schematic Driven Layout)设计流程。器件的属性描述文件 (Component Description Format,CDF)定义了器件类型、器件名称、器件参数及参数调用关系函数集Callback、器件模型、器件的各种视图格式等。
　　
　　3射频电感PDK开发的难点和处理
　　
　　 3.1射频电感的参数控制
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　　 3.1.1 准确反映工艺参数
　　华润上华电感模型要求网表格式:
　　X_ind_spi_rf (1 2 0) ind_spi_rfr=30u t=2.5 s=2u w=8u
　　X_ind_dif_rf (1 2 0) ind_dir_rf_w8s1d5r60n3d5 r=60u t=3.5 s=1.5u w=8u
　　 其规定了RF电感的模型名称(model name),以及在hspiceD,Spectre网表中必须包含的参数和调用方法等,所以我们在GTE中首先要定义例如:
　　 如图3所示,我们在GTE中首先对射频 器件仿真当中所使用到的参数进行定义。其中w代表了环形铝的宽度,r代表了最内圈铝的半径,turns代表了射频电感中环形铝的圈数。它使得网表可以正确的产生,如图4。
　　 3.1.2 CDF参数的定义和程序的控制
　　射频电感包含所需要的所有的参数,CDF参数中都要定义。
　　 图5为对CDF参数的定义,radius代表了最内圈铝的半径,turns代表了射频电感中环形铝的圈数。根据华润上华0.18umMS/RF工艺和模型中对射频电感的要求,为了保证射频电感仿真和工艺生产更大的一致性,间距(space)、宽度(width)、半径(radius)、圈数( turns)只能在相对固定的几个参数之间选择,并不能任意的选择。在single-end inductor(单端电感)CDF器件参数中,对“个数(multiplier)”,“间距(space)”,“width(宽度)”,“radius(半径)”,“turns(圈数)”的范围进行了定义,
　　其中规定space的选择为:1.2um,2um,4um;
　　width为:8um,12um,16um;
　　radius为:30um,45um,60um,90um;
　　turns为:2.5,3.5,4.5,5.5,6.5,7.5。
　　这个难点就需要用callback程序来实现控制[4]:
　　procedure( st18_checkIndParam( cdfId dpt "oo" )
　　let((grid allGroups thisGroup value)
　　grid = dpt->grid
　　allGroups=list(dpt->validGroup1 dpt->validGroup2 dpt->validGroup3 dpt->validGroup4 。。。。)
　　thisGroup=list(cdfId->width->value cdfId-> space->value cdfId->radius->value cdfId-> turns-> value)
　　 member(thisGroup allGroups)
　　) ; ** let **
　　)
　　其中validGroup1 (1.2um, 8um, 30um, 3.5)…
　　或者是实现Differential Inductor时,通过:
　　case(cdfId->model->value
　　("ind_dif_rf_w8s1d5r60n3d5" cdlModel="IA" width="8" space="1.5" radius="60" turns="3.5")
　　("ind_dif_rf_w8s1d5r60n5d5" cdlModel="IB" width="8" space="1.5" radius="60" turns="5.5")
　　("ind_dif_rf_w8s1d5r60n7d5" cdlModel="IC" width="8" space="1.5" radius="60" turns="7.5")
　　("ind_dif_rf_w8s1d5r120n3d5" cdlModel="ID" width="8" space="1.5" radius="120" turns="3.5")
　　(t cdlModel="IA" width="8" space="1.5" radius="60" turns="3.5")
　　)
　　来实现“Fix layout” ---固定版图的控制。
　　使用反馈程序(callback)的确认,帮助我们确认了电感的4个参数的工艺实现的准确要求,与模型的测量范围达到一致。解决了电感图形超过模型要求的难题。
　　
　　 3.2 射频电感的后端参数化单元难点与解决
　　 3.2.1图形参数的可迁移性
　　研发射频参数化单元时,需要使用大量的参数运算,我们可以在GTE中定义全局变量,在工艺发生改变或者参数需要调整时,能达到方便的管理和更新,如图6。
　　 3.2.28角形射频电感参数化单元版图
　　 在开发8角形参数化单元版图时,面对图形复杂,需要准确对应每段线圈坐标的难点。我们首先要对开发参数化单元版图时所需要的CDF参数进行定义,如:
　　 然后在GTE中对所使用的全局变量(global parameter)和本身CDF定义进行调用如[5]:
　　 dpt = PasGetDeviceProps( cv )
　　W=float(evalstring(width))
　　S=float(evalstring(space))
　　p=PasCeiling((S+W)/4 grid t)
　　r=PasCeiling(float(evalstring(radius)) grid)
　　R=PasCeiling((r-p/2) grid)
　　NT=evalstring(turns)
　　NR=pcFix(evalstring(turns))
　　NQ=pcFix((NT-NR)/0.5 + 1e-6)
　　msCont=if(nContRing 本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　 图8中,以图7中定义的a[1][3][1]为基础,开始定义射频电感中其余圈的铝的形状、尺寸,以及它们之间的相对位置关系。
　　 图9中,以a[1][3][1]为基础,定义了从a[1][3][1]引出的铝(metal),同时定义从a[1][3][1]引出的铝(metal)为电感的”负(minus)”端。
　　 图10中,以电感最外圈的末端铝(metal),即在图7中的a[i][1][1]为基础,引出电感的另外一端,同时命名为”正(plus)”端。
　　 图11中,以电感最外圈的铝为基础,定义了非工艺层次INDUM_mark的尺寸和位置,来区分铝的用途――在INDUM_mark中的metal,作为电感。INDUM_mark层次是为了在后端物理验证中与一般器件区分,属于设计用途的层次。8角形的电感图形就基本实现。
　　 3.2.38角形射频电感参数化单元顶层铝选择
　　怎样通过反馈程序(callback) 的定义在参数化单元中实现顶层铝的选择?我们需要解决不同客户对电感的工艺选择的需求,可以把顶层铝一直定义为厚铝,而底层铝通过以下函数传递:
　　case(cdfId->topMetal->value
　　("thickmetal4" underPass="A3" layTap="A2")
　　("thickmetal5" underPass="A4" layTap="A3")
　　("thickmetal6" underPass="A5" layTap="A4")
　　(t underPass="A5" layTap="A4")
　　)
　　
　　 3.3 射频电感参数化设计套件的质量保证
　　 当我们分别在GTE[6]流程设计完成RF电感的前端参数和后端版图之后,接下来在进行相应的质量保证(QA)检查中检查确认参数化单元中的建模没有违反CSMC 0.18微米 MS/RF 工艺的设计规则要求,以及满足各种仿真参数的传递。(需要强调的是,在QA 图形的建立中需要建立大量的数据库,涵盖所有的设计规则需要检查的内容,以及对应器件参数的匹配和一致性,我们在这方面也积累了多年有效的方式方法,形成了一套完整的检查体系和流程,这里不一一赘述。
　　
　　4结束语
　　
　　本文采用了实事求是、严谨、贴近实际的基本思想和方法,对射频电感实现难点和解决进行了分析,确定了射频电感的各项主要参数,以及参数化单元的具体图形化结构,并且对其进行了QA验证。
　　另外,由于篇幅关系以及技术保密的原则,本文中只对射频电感参数化设计套件的开发过程中的难点进行了剖析,并未对细节上的处理进行说明。但是本次研究对如何利用参数化设计套件对射频电感实现参数化和建模进行的分析和说明,分享了关于研发基于CSMC 射频工艺的参数化设计套件有效的方式和方法。
　　CSMC设计服务中心密切配合华润上华模拟代工厂的发展方向,在建设配套工艺设计平台的参数化设计套件中,采用了各种优化的设计开发方法,也为客户高效的高质量的提供了套件库,帮助更多的客户成功开发模拟和混合信号产品。用射频参数化设计套件库去开发设计产品将成为芯片设计的主流。
　　
　　参考文献
　　 [1] Ming Yu, XiaoBo Zhu ,Yu Peng “Speed up MS/RF PDK development in PAS”
　　[2] Cadence Design Systems, Inc., "SKILL Language User Guide Ver 06.30”,https://sourcelink.省略, Sep. 2004,pp. 31-50.
　　 [3] Cadence Design Systems, Inc., "Virtuoso Parameterized Cell Reference Ver 5.0”,https://sourcelink.省略, Aug. 2004,pp. 15
　　[4] Cadence Design Systems, Inc., “Virtuoso Schematic Composer SKILL Functions Reference “
　　[5] Cadence Design Systems, Inc.,” Interprocess Communication SKILL Functions Reference “
　　[6] Cadence Design Systems, Inc.,” Cadence PAS GTE Verification Reference
　　Manual, Product Version 03.02, March 2008”
　　
　　作者简介
　　王浩,华润上华设计服务中心设计二处设计一部,资深经理;
　　黄勇,华润上华设计服务中心设计二处设计一部,课长;
　　吴林,华润上华设计服务中心设计二处设计一部,工程师。
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