集成电路设计规则定义及规则类型

1.规则定义

在版图设计过程中要遵守版图设计规则。所谓版图设计规则是指为了保证电路的功能和一定的成品率而提出的一组（最小）尺寸，如最小线宽、最小包含、最小间距和最小延伸等。设计版图之前定义一系列的设计规则，主要是因为电路设计师想尽量提高集成电路的集成度。而制造厂家的工艺特点和技术水平有一定的物理限制，如果设计的时候一味地追求集成度，那么在制造的时候就会有可能出现错误，导致最后制造出来的芯片不能正常工作，即影响成品率。工艺制造工程师希望芯片的成品率高一些，所以希望线条尽可能得宽，线条之间的距离尽可能得大，但是这样又会造成芯片面积的增加，为了在芯片上的器件集成度与芯片成品率之间得到一个折衷，必须制定一系列的设计规则，在进行版图设计的时候要严格按照厂家提供的设计规则进行设计，因此版图设计规则是设计所依据的基础。版图设计者在设计版图的时候，只要遵循了设计规则，就可以不必熟悉制造工艺的每一个细节。

设计规则也是设计者和生产厂家之间的接口，由于各厂家的设备和工艺水平不同，各厂家提供给设计者的设计规则也不同，设计者只有根据厂家提供的设计规则进行版图设计，才能在该厂家生产出具有一定成品率的合格产品。影响版图设计规则的主要因素包括制造成本、成品率、最小特征尺寸、制造设备和工艺的成熟度及集成电路的市场需求等。

通常把版图设计规则分成两种类型。

（1）自由格式 自由格式也可以称为以微米为单位的设计规则。目前一般的模拟集成电路通常采用这种设计规则。在这种规则中，每个被规定的尺寸之间没有必然的联系，对于不同的工艺要求也有不同的尺寸，因此设计的复杂性大大提高，所处理的规则数据也比较多。

这种方法的好处是每个尺寸可以独立地选择，可以把每个尺寸定得更合理，所以电路性能好，芯片尺寸和面积小。缺点是对于每一个设计级别，就要有一整套的数字，而且不能按比例缩小。

（2）规整格式 规整格式也可以称为以λ为单位的设计规则。在这种格式中，绝大多数的尺寸定义为某一特征尺寸λ的倍数，λ的取值由工艺水平决定。

在这种设计规则中，版图设计可以独立于工艺和实际的尺寸，在生产中，对于不同的工艺，只要改变λ的取值就可以了。采用以λ为单位的设计规则会使设计规则得以简化，而且有利于工艺按比例收缩，例如当工艺由0.18μm进步到0.09μm的时候，只需要将λ的值由0.09μm变为0.045μm便可。但以λ为单位的设计规则有可能会造成芯片面积的浪费。

随着工艺水平的不断进步，器件的特征尺寸越来越小，使得一些尺寸做不到按比例缩小，如接触孔、通孔等，需要单独定义其尺寸，所以以λ为单位的设计规则在深亚微米集成电路的设计中的局限性越来越明显。因此，目前的深亚微米集成电路设计一般采用以微米为单位的设计规则，即自由格式。

规整格式的好处是设计规则简化，对于不同的设计级别，只要带入相应的λ值即可，有利于版图的计算机辅助设计。不足之处是增加工艺难度，浪费部分芯片面积，而且电路性能不如自由格式好。

2.规则类型

规则类型主要包括宽度规则、间距规则、包含规则和延伸规则等。最小宽度规则可以有效地防止断路；最小间距规则可以有效地防止短路；最小包含规则可以防止电气接触不良或出现误连接；最小延伸规则可以防止MOS晶体管源极与漏极连通。

图5-1 最小宽度规则示意图

（1）宽度规则 宽度规则通常是指版图中多边形的最小宽度。最小线宽规则示意图如图5-1所示。

在芯片加工制造的过程中，如果图形的最小宽度小于所定义的线宽规则数值，则由于工艺水平的原因，无法保证制造出可靠的、连续的连线，即加工出来的线条可能会出现断路的情况。线宽小于规则值则导致断路的情况如图5-2所示。

图5-2 线宽小于规则值导致断路的情况(www.xing528.com)

对于金属线来说，其最小线宽不仅仅取决于工艺限制，而且也由金属线上要通过的电流的大小决定。当较大电流通过窄的金属线的时候，金属线会出现熔断的现象。所以在进行金属线布线的时候通常要大于所规定的最小宽度，只要面积允许，金属线的宽度要尽量宽一些。

（2）间距规则 间距规则指的是多边形之间的最小距离。定义间距规则是为了避免两个多边形之间形成短路。间距规则不但定义在同一层的多边形之间，也可以定义在不同层的多边形之间。最小间距规则示意图如图5-3所示。

同层的多边形之间的最小距离有以下几种情况：平行的线条之间的最小距离、拐角之间的最小距离及垂直的线条与拐角之间的最小距离，在图5-3中分别用“①”、“②”和“③”表示。

不同层的多边形之间的最小距离大多指的是两个多边形的平行距离，不同层的间距规则示例如图5-4所示，其中表示出了场区的多晶硅栅和接触孔边缘的最小距离。

图5-3 最小间距规则示意图

图5-4 不同层的间距规则示例

场区的多晶硅栅和接触孔之间之所以要定义最小距离，是为了防止接触孔所连接的金属与多晶硅栅发生短路。多晶硅栅和金属层发生短路如图5-5所示。

（3）包含规则 包含规则是指外层与内层线条之间交叠并将内层线条包围的最小尺寸，例如硅栅层包围接触孔的最小尺寸。多晶硅与接触孔包含规则如图5-6所示。

在包含规则中，所指的线条是位于不同绘图层的。之所以要定义包含规则，是因为在集成电路制造中，需要将不同的绘图层进行连接（例如不同的金属层或金属层和栅极层），它们之间需要打接触孔或通孔，而上下两层都必须将接触孔完全覆盖才能保证有效的连接，否则就有可能会出现断路的情况。包含规则要求上下两层线条的边缘要超出接触孔或通孔的边缘一定的距离，这是因为在制造的过程中，由于工艺水平的限制，放置线条的实际位置与预先设计的位置如果有微小偏差的时候，产生位置偏差的线条与接触孔或通孔不能充分接触，从而不能保证与另外一层金属层或多晶硅线条的有效连接，两层线条有可能会出现断路现象。

图5-5 多晶硅栅和金属层发生短路

图5-6 多晶硅与接触孔包含规则

（4）延伸规则 延伸规则指的是不同两层交叠时一层延伸出另一层的最小尺寸。多晶硅与有源区之间的延伸规则示意图如图5-7所示。

例如多晶硅与有源区交叠的时候要伸出有源区一定的距离，此规则是为了保证栅极不与源极或漏极短路及源、漏有源区的有效截断等。