一個IC佈局工程師的成長過程--3

Bill通過他的佈局

讓我們跟隨著Bill的想法，創建他的cell。

    「我首先要把全部的閘極連接起來。」Bill跟自己說。

    「我應該用Metal把所有的閘極連在一起，而不是用Poly，以便未來我們想要做些調整。當我在做輸入輸出pad時，我知道大家喜歡用Metal來為閘極拉線。雖然這只是個測試晶片，不過我們仍要花一段時間旋轉元件。」

    「現在，在這件事情上我需要擔心NAC二極體嗎？讓我們看看手冊。」Bill藉由參考手冊來解決自己的問題。

    「好，現在我應該大概計畫怎麼把那些放進去。」

注意

    Bill預先規劃，彌補他漏問，但可能是電路設計師希望的問題。即使Bill沒有關於這類型佈局的經驗，不過他在其他佈局方面還是有經驗的。金屬調整規劃能力始終是個好的習慣。同樣的，用大的多晶閘極金屬佈線降低了天線效應，也提高了其可靠性。

盡可能的使用你的經驗和任何方法去佈局。

    不要遲疑，去詢問任何可能改變事物的機會。甚至如果你的電路設計師想要額外的改變，可以直接問他。如此這般，你將先為自己打造第一步的聲譽。

    「我比較喜歡先勾勒出電源電路。因此，首先我必須增加的電源軌道。」Bill想。一個念頭後，他決定，「就先從最上方和最下方的電源電路開始吧！」

    Bill在佈局圖的上下方分別增加了兩道電源電路。

    「現在，我們也需要一些精心搭配了。我最好在我忘記之前快點佈局。而這些搭配先是配合方便接到VDD。」

    Bill接著想「嘿，我在這裡可以透過合併PMOS元件的閘極節省一些空間，這讓我能一起擠下這些電晶體。」

「好的，現在我們可以開始為這個元件佈局了，我先從上方的M1、M2 PMOS開始。」Bill決定。

    Bill邊檢查他的兩個PMOS元件邊想著：「我閘極的連接方式已經差不多了。現在，我該思考，如何連接源-汲極到這些設備上？我須要將源-汲極連接到VDD和輸出線，但是我不知道我應該把哪一個排在上面。」

    「恩…我先畫一個簡圖來幫自己釐清。」

注意

    再一次的，Bill靠著他的經驗來繪製佈局。而簡圖在佈局的設計過程中，是一個有用的幫助工具。

因為不確定要用哪個選項，Bill迅速轉換他的簡圖成一個真正的佈局，讓他能夠思考自己的選擇。他注意到的第一件事情是，他必須增加閘極的連接長度，留給自己一些空間放置源-汲極的接線。

    Bill拉長的M1和M2的閘極，因為他意識到在這個部分每個MOS都會遇到像這樣的問題。
    Bill自己做了張字條給設計團隊關於定制的工具。不必經常拉長閘極，讓源-汲極接線，因為這樣非常耗時。幾乎每個人都會遇到同樣的問題，那為什麼不為大家改變MOS的佈局？這是Bill在拉伸M3、M4、M5和其他的閘的其間中，預期會遇到的問題。

    Bill重新檢視一次自己的選擇，而這才是真正的佈局(拉伸閘極來製作其他佈線的空間)。

「好吧，如果我挑上方的源-汲極連接VDD，那這些將是既不錯又容易的接線。可以把VDD合併到元件。但這個選項的缺點是，我沒有選擇使用VDD元件給我的長條輸出線來運行底部。這並不是一個好主意，因為這是一個差動放大器，我應該盡量保持輸出線相互靠近。」

    「我應該會選擇第二個選項。」他說。「這讓我的輸出更容易連到我的NMOS差動對。而我的N-well也需要連接到VDD，所以我可以同時完成這些接線。」

    好了，這是我VDD接線的部分。

一個IC佈局工程師的成長過程--2

一個IC佈局工程師的成長過程--2

Bill佈局規劃的理由

在星期一早晨，Bill一到達辦公室的第一件事情，就是開啟電路圖，內心十分的興奮。然後他看到Ted有確實的把元件尺寸修正。於是他開始繪製這個放大器。

    Bill先在腦海裡回顧Ted說關於電路圖的事。Ted要Bill想想匹配和電流問題，而自己也記得回答他既個關鍵的問題，「它是做些什麼的？」、「它有多少電流量？」、「匹配的需求是什麼？」，在回想完這些記憶後，他開始動手繪圖。

    Bill注意到的第一件事情就是電路圖裡的電流沒有註解，他不知道實際的放大器電流有多大。

    雖然Ted有說過那是個合理的電流大小，但什麼「合理的」？

Bill是個樂觀又熱情的小夥子，他在部門裡尋找其他可能知道關於這些的電路設計師。因為他知道，這樣比盲目的佈局還要好，而在這裡他也學會了溝通。

    最後，他聯絡到也在從事這方面的Joan。他問她知不知道這元件需要多少電流。

    Joan回答：「這元件的評論我還記得一些，但我的工作不完全在這方面。我的專長是ESD防護電路。我能確保當你電壓過大的時候，你的元件不會電弧放電。不過我記得這似乎是個電流相當低的電路，只有1~2mA，只要考慮你的Metal能夠承受就好。」

    「好的。」Bill說。

    Bill回到他的桌面看著製程手冊。他發現Metal1的電流密度是1mA/um。他也從手冊發現Metal1最小寬度是2um。

    「嘿，那可以做了。如果我可以操作1mA/um且最小Metal1寬度為2，那我的線可以處理2mA的電流。如果Joan說的是正確的話，應該可以這樣做。」Bill看著手冊想著。

1mA/um *2=2mA

    Bill看向佈局圖繼續想「Ted似乎對元件匹配不擔心，但我應該盡可能的保持他們靠近在一起。」。

    「我喜歡把每個PMOS元件緊密的靠在一起的這個想法。但M1和M2的源-汲極需要連接到M3和M4的源-汲極，會使得這些元件的閘極很難連接到放大器的輸出。」

    「如果我將PMOS元件旋轉90度的話，我可以比較簡單的讓在中間的閘極相互連接，也使得輸出可以更方便的連接到M3和M4。」

    「但是！」Bill想，「現在我的NMOS元件的閘極跟PMOS元件的閘極成垂直關係，我應該也要旋轉NMOS元件。」

    因此Bill把全部的元件都選轉了90度，然後讓PMOS元件的閘極彼此面對著。Bill也了解到，他應該讓差動對元件彼此靠近以保持好的差動匹配。

Bill的佈局現在看起來是這樣。

注意

    Bill的推論是好的。藉由維持閘極方向的一致性，他完成了好的匹配。雖然在P元件和N元件之間沒有匹配的要求，但這是個很好的做法，能讓全部的閘極方向一致。而這額外的收穫則是能讓金屬線的方向也一致。對於非常密集的電路，這是必要的。

    藉由將輸入閘極連接在一起，也解決了這電路的差動特性。

「這看起來好多了。」Bill說，「現在PMOS元件所有的閘極接腳都在中間的共點連接著，看著電路圖相比，閘極無論如何都該如此。我想這樣的作品應該會很好。」

    「電流源元件放置在一邊，並與地端連接。」

    「我想我喜歡這樣的佈局，然後我要開始為元件接線了。」

    突然，Bill很快的停止了思考，「嗯，讓我們來看看晶片打線圖，想看看對於Ted所說關於這件事我還記得多少。我應該要確保讓所有的輸出接腳方向一致。」

Bill再一次的叫出打線圖然後檢視。他特別注意輸入和輸出接腳的位置。

「好，從Ted給我的打線圖看起來，放大器只要放在左上角，然後把輸入放在左側、輸出放在上端就可以了。」

    「那麼，我的佈局是如何工作的呢？」他對自己提出了疑問。

    Bill再次看著佈局圖。

    「放大器可以動作的相當良好，從PMOS元件中間的共點，提供我推動輸出，垂直向上至輸出點上方。而我應該能使pad左側的差動對輸入沒有問題。我可以把他們放在M1和M3之間，形成輸入對閘極。」Bill對自己做了總結。

「我想我已經達到Ted希望的匹配了，因為我的兩個輸入元件彼此真的很靠近。也有處理了差動憂慮。」

    「這似乎是個合理的佈局圖。好，我想我已經準備好開始佈局了。」

一個IC佈局工程師的成長過程--1

    Bill是Can't Tell公司的佈局設計師。五年來，他都負責製造COMS I/O類型的佈局。而這五年他也只在這塊領域打轉。

    在這工作期間內，不斷的做I/O佈局，如此一成不變的工作，也讓Bill覺得很無聊。當然，Bill曾試著與經理溝通，希望能獲得其他有興趣的工作，卻遲遲無法到經理的認同。為了改變現下的窘境，Bill決定尋找新的工作，脫離這枯燥乏味的生活。

    很幸運的，Bill在公司網站發現，在三棟大樓旁，有一個新成立的部門正好有佈局設計師的空缺。興奮的Bill馬上利用空餘的時間走到第四大樓查看有關這工作的相關作業。或許這份新的職位對他來說會是個挑戰。但Bill仍申請了這份工作，並且通過了面試，調到了這新的部門。

    由於這個部門是新的，而Bill是他們的第一位佈局設計師。因此所有電路設計師都非常歡Bill的加入。在Bill加入之前，他們都沒有真正享受過工作，每次有關佈局的部分都是電路設計師們自己完成。所以他們非常希望能有熟用這套軟體及了解佈局設計細微的人加入。

Rufus McNab是這個新部門的經理，他將Bill介紹給部門裡全部的同事，特別是Ted，Ted對電路設計的經驗已經有二十年了，而他也是Bill的第一個工作夥伴。

當Bill見到Ted時，Ted說：「嘿，終於有佈局設計師了！我們真的很高興看到你。」

    Bill說：「謝謝，這裡真的很不錯。我對即將迎接的工作感到無比興奮。」

    Ted又說：「我們有兩個消息，一個是好消息，一個是壞消息。好消息是我們有個簡單的晶片讓你起手。壞消息則是，我明天開始有個假期，這一個禮拜左右可能讓你自己佈局。」

    「好的，沒有問題。那我們要盡快的一起討論這個設計。」Bill說。

    「當然。今天下午兩點如何？」Ted說。

    「太好了！」Bill回答。

    在剩餘的早晨時間，Bill認真的看著他要用的新製程手冊。心中卻感到無比的喜悅，因為這跟過去五年在Can't Tell公司使用的製程相當相似，只有些些微的不同，整體來說，這就像他平常所使用COMS製程。

    時鐘滴答滴答的響，隨著兩點的到來，會議即將開始。

    「嗨，Bill。」Ted打招呼說，「關於這個案子我們會給你個我們工作使用的小型晶片。依我們對這套軟體的了解，這份工作對你來說應該是非常簡單的。」

    「這裡有份整合的資料給你。」Ted接著說。「如你所見，這是一個24pin的封裝，這個晶片主要由四個OPA運算放大器所組成，每個OPA都有各自的供給，你應該可以在晶片上佈出其中一個電路，然後再重複做三次。」

「這看起來挺簡單的。」Bill說。

    「對阿，它是個非常簡單的積體電路。」Ted回答。

    「你有電路圖嗎？」Bill問

    「是阿，當然有。」Ted回答。

    「哇，這看起來真簡單。」Bill評論道。「他有什麼功能？」

    「它是個差動運算放大器，在不影響運作下，我們希望能從外部調整偏壓。這就是為什麼有另外一支接腳的原因。我們只是想看這製程有多好和看看有什麼其他的功能。你知道的，只是檢查而已。畢竟它是個新的製程。」

    「好的。」Bill插嘴道，「我會閱讀製程手冊。」，Ted點頭示意。

    「關於這個運算放大器的電流有做調整嗎？」Bill問。他在問的同時匆匆的記錄下這個電路。

    「那是個合理的電流大小。雖然不是完美的，但你不需要擔心這點。」Ted答道。

    「噢好，聽起來挺簡單的。那麼有需要我擔心任何關於匹配的嗎？」Bill問。

    「是的，COMS材料通常都要。你知道的，只要確定輸入匹配就可以了。」Ted上前觀看，以免Bill還有任何問題。

    「太好了，我現在就開始。」Bill斷定的說

注意!!!
Bill展現他好的工作習慣。
1.他問了三個初步的問題。
2.跟電路設計師溝通。
3.閱讀製程手冊。
4.注意到「差動」這個詞
5.作筆記。

    很幸運的，Can't Tell公司相當重視軟體部分，所以他們擁有來自Kaydunce公司的最先進軟體。在抄下了晶片的相關資訊後，Bill便向Ted詢問電路檔案的存放位置，開啟了他的佈局軟體。

Bill很快的開啟工具集，尋找OPA運算放大器電路，並自動產生MOS元件。然而，產生後，首先看到的卻是笨重的MOS元件。每個MOS元件都是條狀的，細細長長，不僅如此，每一組NMOS元件還各自分裂成兩個。

    還好Bill在I/O這方面的經驗足夠，他了解這樣的問題必須找Ted改變電路圖，才能產生又好又瘦的佈局。

    不過在他跟Ted討論元件尺寸之前，Bill先花了半小時做測試，在保持元件有效閘極寬度的情況下，各種不同MOS的尺寸選項。Bill試著找到一個又好又簡單而可以把MOS元件分裂的方法，讓它們適合用在緊湊的佈局設計。Bill認為與其抱怨，不如試試其他方法，而這方法或許對Ted來說會是個不錯的方案。

注意!!!
Bill不滿意由工具所產生的初始元件尺寸。
他相信做元件有更好的方法。
在回報電路設計師之前，他找到了解決方案。
藉由把MOS元件分割成更小的區塊，展示了他基本佈局技術的知識。

這些都是好的佈局設計練習範例。作為一名佈局設計師，無論何時都要展用技巧與練習，而這些積極的行為會使自己樂於工作。

    然而，Bill錯過了一些針腳。輸入元件被一分為二。這些有匹配需求的電路通常都是有跡可循的，而這將會更重視學習經驗。同樣的，Bill在測試前沒有詢問關於晶片尺寸與封裝限度的問題，這些問題的產生都可能讓他前功盡棄。

    此外，Ted忙於他的假期，沒有給予Bill明確的回答。忽略了給予佈局設計師充分的重視。

    在測試及調整元件半小時之後，Bill找到一組他覺得可以好好工作的元件尺寸。而他相信這些元件尺寸將會給他一個好的、緊密的佈局。

因此，Bill回去找電路設計師Ted。

談話是這樣的。

    「嗨，Ted，我看過了你的元件尺寸，但它們似乎不太正確？」Bill說。

    「是的。」Ted同意的說，「我想你會回來跟我抱怨關於元件尺寸的問題。我的電路設計還沒完成，還在等人給我意見呢！」

    「酷！」Bill說，「我已經測試過尺寸了，還有些建議，我想你會找到你接受的。我們可以透過fire up工具，讓你看看我的建議。」

    Bill給Ted看他所建議的元件尺寸。Ted接受的說：「太好了，這些比我之前的尺寸還要更好，我有注意到你仍保持相同的gate有效寬度，所以這應該不會有任何問題。」

    Bill很快的把電路圖畫在一張紙上，然後說：「這就是他們的樣子，這兩個大的PMOS元件在電路頂部大致呈現正方形。而這個輸入元件相當的瘦長，跟輸入元件一樣。」

    「讚！」Ted說，「那我想這樣的電路會工作的很好。」

    然後Bill補充道：「你確定沒有其他我應該要知道的事情嗎？」

    「嗯，是的。」Ted說，「還有就是常用的電流材料以及常用的匹配材料需要擔心。除了那個之外就真的沒有了。所有你要的都在電路圖裡，應該有沒問題了。我想你也準備好了。我會把電路圖裡元件的尺寸更改成給我的尺寸。我差不多再十分鐘之後就要走了，但我會在離開之前做完，下星期見。」

    「好的。」Bill說。

注意!!

    Ted沒有全力以赴。他沒有注意到，Bill把輸入元件從雙元件改成單元件。Bill維持著閘極連接的有效寬度，因此所有電性都是一樣的。然而Ted忘記這將會影響他的匹配需求。