CN105069228B - 一种在spare cell上加入spare via的方法 - Google Patents

Abstract

一种在冗余单元上加入冗余通孔的方法，包括如下步骤：1)芯片整体的电源网络规划时需采用顶层金属，以电源、地为一组做水平方向的电源、地走线，将冗余单元加入每组电源、地走线之间的标准单元行；2)提取所有冗余单元输入、输出端口的位置坐标，版图结构信息，根据所选择的冗余通孔结构，在端口上生成相应的通孔区域；3)根据各端口的通孔区域，选择各端口生成冗余通孔的相应位置坐标，结合电子设计自动化工具，生成冗余通孔；4)将冗余通孔通过顶层金属连接到与其相邻的一组顶层电源、地走线上。本发明能减少应用冗余单元进行ECO调整时所产生的需重新制版的金属层及通孔层的数量，降低ECO调整的费用及成本。

Description

一种在spare cell上加入spare via的方法

技术领域

本发明涉及芯片设计数据调整(ECO)、聚焦离子束微调(FIB)、可靠性设计等领域。

背景技术

随着集成工艺的发展，CMOS管及金属布线的尺寸越来越小，芯片规模及集成密度越来越高，芯片制造过程中工艺的可靠性及可控性随之降低，在芯片设计过程中通过对设计的改良而提升芯片制造过程中的可靠性的设计方法成为芯片设计领域内一个不可忽视的重要环节。另一方面，芯片流片的费用及成本，也随着集成度的提高而快速增长，对成本因素的考量也必须贯穿芯片设计领域的各个方面。而可靠性设计常常是通过在电路中引入冗余设计而提高可靠性，而冗余设计的代价则是成本的提高。兼顾成本因素的可靠性设计逐渐成为这一领域的热点。

在电路中加入冗余单元(spare cell)是提高设计可靠性的一种有效手段。Sparecell的原理，就是在电路的各个区域加入冗余的标准单元，这些单元本身具有一些简单的逻辑功能或是存储功能。当芯片的初始设计在流片完成后的验证中发现问题时(这种问题可能是多方面的，有可能是工艺问题，有可能是版图结构问题，也有可能是由于前期功能验证的不充分而导致的功能问题)，需要通过更改或调整电路某一部分的结构来修正这些问题，这些改动便可以通过设计阶段预先加入的spare cell来完成，并且仅仅只需通过修改spare cell相应管脚的金属连接便可实现。制版时，只需要代工厂(Foundry)替换掉需进行修改的几层金属的mask，便可以方便的修正掉芯片初始流片中所发现的各种问题。相比于重新设计、重新流片，这种方法设计周期大大减少，其设计的成本也显著降低。

由于需要对修改的金属层的掩膜(mask)进行替换，所以其所涉及到的mask的层数，直接决定了这一修改的成本。如何获得最小的金属层数改动，是利用spare cell进行ECO调整所面临的核心问题。

目前关于spare cell的处理方式，一般是将spare cell的输入、输出端与电源或地端相连，然后利用EDA工具完成这一连接的布线。EDA工具的处理方式，通常都是将输入、输出端与其附近的电源轨(power rail)或地线轨(ground rail)相连。由于power rail或ground rail一般由底层金属实现，所以这一连接布线，通常只涉及底层金属的少量布线。当芯片需要ECO调整时，需首先将这一连接切断，然后选择合适的金属层，以及合适的走线位置，将spare cell的端口与目标端口相连。这一方式存在的问题是，由于EDA工具对于spare cell端口与power/ground rail之间的布线采用了很底层的金属走线完成，那么当此处的spare cell需要进行ECO调整时，这一调整很有可能需要从顶层金属一路向下跳到底层金属才能完成从spare cell端口到目标端口的走线，这将涉及到大量的金属及通孔层重新制版的工作，所付出的费用和成本是巨大的。

两方面的因素造成了这一问题：其一，spare cell本质上就是标准单元，一般标准单元都由最底层金属即M1实现的，其所有输入、输出端口以及power/ground rail都是采用M1走线的，并且power/ground rail一般处于标准单元版图结构的上下两边，所有输入、输出端口处于power/ground rail之间，所以从输入、输出端口到power/ground rail的布线距离是很小的，一般情况下M2以下的走线即可完成这一连接，这也是计算机自动化设计(EDA)工具的普遍处理方方式；其二，布线密度从底层到顶层依次减小，所以当布线需要ECO调整时，顶层由于布线密度低，存在可调整的空间，越往底层，其可调整的空间越小。以上这两个因素，导致了多数利用spare cell进行的ECO布线调整都需要走线从顶层一路通过通孔跳到底层才能实现。很多情况下，为了实现某一ECO调整，可能需要从M1开始直至顶层所有的金属及通孔的mask都重新制版才能实现，成本巨大。

发明内容

为了克服已有应用spare cell进行ECO调整时所产生的需重新制版的金属层及通孔层的数量较大、ECO调整的费用及成本较高的不足，本发明提供一种减少应用spare cell进行ECO调整时所产生的需重新制版的金属层及通孔层的数量，降低ECO调整的费用及成本的在spare cell上加入spare via的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种在spare cell上加入spare via的方法，包括以下环节：

1)芯片整体的电源网络规划时需采用顶层金属，以power、ground为一组做水平方向的电源、地线网格(power/ground stripe)，两根stripe之间的间距要大于标准单元所定义的标准单元最小位移(core site)的高度，但要小于这一高度的两倍。每组power/groundstripe加入的位置要保证两根stripe之间能够容下一条完整的标准单元的行(core row)。

之后，将spare cell加入每组power/ground stripe之间的core row；

2)提取所有spare cell输入、输出端口的位置坐标，版图结构信息，根据所选择的冗余通孔(spare via)结构，在端口上生成相应的通孔区域(via region)；

3)根据各端口的via region，选择各端口生成spare via的相应位置坐标，坐标的选择要确保各端口的spare via在垂直方向，结合EDA工具，生成spare via；

4)将spare via通过顶层金属连接到与其相邻的一组顶层power/ground stripe上。

进一步，所述步骤2)中，首先找到全设计里所有的spare cell。$pattern变量定义了spare cell名称中的关键字，并以此关键字作为通配符来对全电路里的spare cell进行筛选，进而获得每一个spare cell的位置坐标instLoc及尺寸坐标instCellDim，之后代码对每一个spare cell的端口信息进行提取，通过dbForEachFTermLefPort和dbForEachLefPortLayerShape，获得每一个端口的版图结构信息，由于在标准单元中很多端口的版图为不规则多边形，dbForEachLayerShapeShape命令能够将不规则多边形拆分为一组等价的矩形坐标数组，至此所有端口的版图形状及位置信息全部获得。

再进一步，所述步骤2)中，Via region的生成通过对spare cell各端口的M1的版图进行提取、分析、处理得到，包括如下过程：2.1)，需对M1的GDS层号进行定义，将sparecell的M1的版图信息按照GDS层号进行抽取，并依据图论对抽取的数据进行映射，建立数学模型；2.2)，对映射后的数据进行遍历，生成能够容纳via的边界特征点，由此特征点构建via region区域；2.3)，将via region的坐标信息输出。

更进一步，所述步骤3)中，坐标位置的选择过程为：

3.1)对spare cell所有的端口的via region按照权值大小进行排序，权值的选择为via region面积的大小与via region垂直方向交叠次数的比例加权，面积越小，交叠次数越高的via region其优先级越高；

3.2)设置已产生spare via的区域集合为空；

3.3)按照优先级的高低，依次对相应的via region区域进行扫描遍历，如发现遍历区域与已产生spare via的区域集合中的区域在垂直方向有交叠，则跳过该区域继续遍历，直至发现未产生交叠的via region区域为止；如不存在这样的区域，则选择交叠区域作为spare via的生成区域，将得到的spare via的位置区域追加入已产生spare via的区域集合，继续重复3.3)的步骤。

本发明的技术构思为：在spare cell的输入、输出端口上加入从底层至顶层的spare via，并连接至顶层power/ground stripe。所有spare cell被布局在一组顶层金属的power/ground stripe之间，确保从spare cell的输入、输出端口到power、ground的连接距离最短，占用最少的布线资源。

本发明的有益效果主要表现在：极大的减少了利用spare cell进行ECO调整时所产生的需重新制版的mask数量，降低了芯片制造的成本。

附图说明

图1是加入spare cell的芯片规划(floorplan)示意图，其中数字1代表groundstripe；数字2代表power stripe；数字3代表core row；数字4代表spare cell。

图2是via region示意图。

图3是spare via在via region区域内位置分布产生交叠的示意图。

图4是在spare cell上生成spare via的版图示意图。

图5是在spare cell上生成spare via的纵切面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种在spare cell上加入spare via的方法，所述方法包括如下步骤：

1)加入spare cell的电源网格规划示意图如图1所示。其中水平的power/groundstripe采用顶层金属走线，两根stripe之间的间距恰好可以完整的容纳一条core row，spare cell放入该core row中。这样做的目的在于：首先，由于spare cell的输入、输出端口既有可能与power端相连，也有可能与ground端相连，所以显而易见，将spare cell放入一组power/ground stripe之间是最节省布线资源的解决方案；其次，所述方法的sparecell的输入、输出端口并不是与标准单元的power/ground rail相连，而是与顶层金属的power/ground stripe相连，如果spare cell与其相邻的顶层金属的stripe相距过远，则会导致布线过程中额外的布线资源的消耗，所以两根stripe之间的间距选择为大于1倍的core row高度而小于或等于2倍的core row高度，亦即刚好可以容纳一条core row；最后，关于stripe的走线方向，如果将顶层金属的power/ground stripe改为垂直方向走线，则放入两根stripe之间的spare cell的输入、输出端口有可能被其相邻的power/groundstripe遮蔽掉，需要通过低层金属的跳层走线才能连接到顶层金属，产生额外的布线资源消耗。而如果要所有端口完全无遮蔽，则需加大两根stripe之间的间距，而这本身又会导致端口与stripe之间的间距增大，产生额外的布线资源消耗。

spare cell的加入，可以在芯片布局阶段完成，只是加入的位置局限在每组顶层金属power/ground stripe之间。

2)因为需要在spare cell端口生成spare via，所以首先需提取所有spare cell输入、输出端口的位置坐标，版图结构信息。

采用TCL/TK这一标准接口，TCL/TK语言是当前被业界广泛采用的工具控制语言，被应用于各种脚本及高级应用程序的开发，是各种EDA工具间的数据交换标准接口。上述方法是首先找到全设计里所有的spare cell。$pattern变量定义了spare cell名称中的关键字，并以此关键字作为通配符来对全电路里的spare cell进行筛选，进而获得每一个sparecell的位置坐标instLoc及尺寸坐标instCellDim，之后代码对每一个spare cell的端口信息进行提取，通过dbForEachFTermLefPort和dbForEachLefPortLayerShape，获得每一个端口的版图结构信息，由于在标准单元中很多端口的版图为不规则多边形，dbForEachLayerShapeShape命令能够将不规则多边形拆分为一组等价的矩形坐标数组，至此所有端口的版图形状及位置信息全部获得。

在获得端口的版图形状及位置信息之后，需要根据这一信息，确定每一端口可生成spare via的区域，亦即via region。图2所示即为via region示意图。图中黑色粗实线框内区域为spare cell某一端口的M1版图结构，spare via可实现的区域为图中黑色虚线所划定的多边形以内。via region生成的原则是：如果定义spare cell端口的M1版图区域为G₁，spare via的M1的版图区域为G₂，那么，当在端口上生成spare via时，需满足

Via region的生成可以通过对spare cell各端口的M1的版图进行提取、分析、处理得到。这一过程主要包含三个方面内容：其一，需对M1的GDS层号进行定义，将spare cell的M1的版图信息按照GDS层号进行抽取，并依据图论对抽取的数据进行映射，建立数学模型；其二，对映射后的数据进行遍历，生成能够容纳via的边界特征点，由此特征点构建viaregion区域；其三，将via region的坐标信息输出。

3)获得了via region之后，并不意味着spare via可以在via region以内的任意地方实现。图3中展示了一个via region交叠所产生的spare via布线的问题。图3中，viaregion的区域共有3个，对应于不同的三个端口，spare via如果在via region的区域以内任意选择的话，那么有可能会出现三个spare via在垂直方向产生交叠的状况，正如图3中，spare via 1，spare via 2，spare via 3的情况。由于spare via要通过顶层金属连接到与其相邻的power/ground stripe上，所以当spare via在垂直方向产生交叠时，会导致这一连接走线产生交叉短路，为避免交叉，交叠的spare via的连接必须通过跳层或是同层金属的跳线(jogging)来实现。这会产生额外的布线资源的消耗，为避免这一问题，spare via在via region区域内的位置选择，应尽量避免产生垂直方向的交叠。所述方法中用如下算法避免spare via的垂直交叠：

3.1)对spare cell所有的端口的via region按照权值大小进行排序，权值的选择为via region面积的大小与via region垂直方向交叠次数的比例加权。面积越小，交叠次数越高的via region其优先级越高。

3.2)设置已产生spare via的区域集合为空；

3.3)按照优先级的高低，依次对相应的via region区域进行扫描遍历，如发现遍历区域与已产生spare via的区域集合中的区域在垂直方向有交叠，则跳过该区域继续遍历，直至发现未产生交叠的via region区域为止。如不存在这样的区域，则选择交叠区域作为spare via的生成区域。将得到的sparevia的位置区域追加入已产生spare via的区域集合。继续重复3的步骤。

选定位置之后，Spare via的生成，生成spare via的TCL/TK描述如下：

set viaCell[dbCreateRestrictedViaCell layered ullx ully uurx uurylllx llly lurx lury cut_llx cut_lly cut_urx cut_ury cut_width cut_heightxtimes ytimes xpitch ypitch]

dbCreateVia net$viaCell x y FILLWIRE

dbCreateRestrictedViaCelly用来完成via单元的layout结构定义，ullx ullyuurx uury四个变量，定义via单元上层金属左下角与右上角坐标；llx llly lurx lury定义via单元下层金属的左下角与右上角坐标；cut_llx cut_lly cut_urx cut_ury定义contact layer左下角与右上角的坐标；cut_width,cut_height分别定义contact layer的宽度与高度；xtimes与ytimes分别定义via阵列行与列的个数；xpitch与ypitch分别定义via阵列的行间距与列间距。dbCreateVia命令将自定义的spare via放入指定的坐标位置，FILLWIRE表征spare via的布线属性。

4)在生成spare via之后，需将spare via与其相邻的power/ground stripe进行顶层布线连接，其相应的TCL/TK描述如下：

dbCreateWire net lx ly hx hy layerId 1

上述代码中，最后的数字1表示该布线的方向为垂直方向。

图4中展示了一个应用所述方法在spare cell上生成spare via的实例。图5展示了这一spare via结构的纵切面示意图。从图中可以看到spare cell端口所属的底层金属，通过spare via连接到顶层金属，再通过顶层的金属布线与顶层的power或ground stripe相连接。传统方法中，spare via是与底层金属的power或ground rail相连的，ECO调整很可能需要将从底层到顶层所有的mask都做修正才能实现目标连接，其所修改的mask数量是巨大的。而采用所述方法，spare via与顶层金属相连，当芯片需要ECO调整时，只需将顶层金属断开，然后选择相应的金属层布线与目标端口相连即可，在很多情况下，由于顶层金属剩余的布线资源较多，所以所有的ECO调整很可能将全部局限于顶层金属，其所涉及的需要改动的mask数量仅有1层，相比传统方案大大减少，其成本大大降低。

Claims (4)

1.一种在冗余单元上加入冗余通孔的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)芯片整体的电源网络规划时需采用顶层金属，以电源、地为一组做水平方向的电源、地布线，两根走线之间的间距要大于标准单元所定义的标准单元最小位移的高度，但要小于这一高度的两倍，每组电源、地布线加入的位置要保证两根走线之间能够容下一条完整的标准单元行；

之后，将冗余单元加入每组电源、地布线之间的标准单元行；

2)提取所有冗余单元输入、输出端口的位置坐标，版图结构信息，根据所选择的冗余通孔结构，在端口上生成相应的通孔区域；

3)根据各端口的通孔区域，选择各端口生成冗余通孔的相应位置坐标，坐标的选择要确保各端口的冗余通孔在垂直方向，结合EDA工具，生成冗余通孔；

4)将冗余通孔通过顶层金属连接到与其相邻的一组顶层电源、地布线上。

2.如权利要求1所述的一种在冗余单元上加入冗余通孔的方法，其特征在于：所述步骤2)中，首先找到全设计里所有的冗余单元，$pattern变量定义了冗余单元名称中的关键字，并以此关键字作为通配符来对全电路里的冗余单元进行筛选，进而获得每一个冗余单元的位置坐标instLoc及尺寸坐标instCellDim，之后代码对每一个冗余单元的端口信息进行提取，通过dbForEachFTermLefPort和dbForEachLefPortLayerShape，获得每一个端口的版图结构信息，由于在标准单元中很多端口的版图为不规则多边形，dbForEachLayerShapeShape命令能够将不规则多边形拆分为一组等价的矩形坐标数组，至此所有端口的版图形状及位置信息全部获得。

3.如权利要求1或2所述的一种在冗余单元上加入冗余通孔的方法，其特征在于：所述步骤2)中，通孔区域的生成通过对冗余单元各端口的第一金属层M1的版图进行提取、分析、处理得到，包括如下过程：2.1)，需对第一金属层M1的GDS层号进行定义，将冗余单元的金属层的版图信息按照GDS层号进行抽取，并依据图论对抽取的数据进行映射，建立数学模型；2.2)，对映射后的数据进行遍历，生成能够容纳通孔的边界特征点，由此特征点构建通孔区域；2.3)，将通孔区域的坐标信息输出。

4.如权利要求1或2所述的一种在冗余单元上加入冗余通孔的方法，其特征在于：所述步骤3)中，坐标位置的选择过程为：

3.1)对冗余单元所有的端口的通孔区域按照权值大小进行排序，权值定义为通孔区域面积的大小与该通孔区域垂直方向交叠次数的比例，根据得到的权重进行后续的加权计算，面积越小，交叠次数越高的通孔区域其优先级越高；

3.2)设置已产生冗余通孔的区域集合为空；

3.3)按照优先级的高低，依次对相应的通孔区域进行扫描遍历，如发现遍历区域与已产生冗余通孔的区域集合中的区域在垂直方向有交叠，则跳过该区域继续遍历，直至发现未产生交叠的通孔区域区域为止；如不存在这样的区域，则选择交叠区域作为冗余通孔的生成区域，将得到的冗余通孔的位置区域追加入已产生冗余通孔的区域集合，继续重复3.3)的步骤。