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作者：John Ferguson 和 Fedor Pikus, Mentor Graphics公司 新興硅光子 (SiP) 技術(shù)前景廣闊，有望帶來(lái)顯著(zhù)的性能提升和可控制的生產(chǎn)成本。光信號傳播速度較快，而且沒(méi)有物理寄生造成的降速影響，這意味著(zhù)可在極低的功率下實(shí)現非�？斓奶幚硭俣�。此外，在成熟的硅工藝（例如體效應互補金屬氧化物半導體）中采用光子技術(shù)也能帶來(lái)相對較低的生產(chǎn)成本。但是，隨著(zhù)硅光子設計從研究階段進(jìn)入商業(yè)生產(chǎn)，光子設計人員在完全實(shí)現這些好處之前必須掌握一些新的設計規則。本文討論了一些在使用成熟的集成電路 (IC) 工藝生產(chǎn)時(shí)確保硅光子電路表現達到預期的最佳方法。 傳統的設計和驗證流程 在傳統的集成電路工藝中，設計人員通常會(huì )使用原理圖捕獲工具，按照預想的電氣性能創(chuàng )建一個(gè)設計。接著(zhù)，他們使用代工廠(chǎng)SPICE模型來(lái)仿真電路性能，確保達到預想的功能。最后，他們會(huì )創(chuàng )建一個(gè)版圖來(lái)實(shí)現原理圖設計。這個(gè)版圖必須符合工藝設計規則，這可以通過(guò)將設計版圖（通常采用GDSII等格式）傳遞至設計規則檢查(DRC)工具進(jìn)行確認。DRC確保設計方案可以生產(chǎn)出來(lái)，但不能確保硅的實(shí)際表現符合設計意圖和仿真結果。要想做到這一點(diǎn)，可使用版圖與原理圖 (LVS) 對比流程來(lái)驗證物理電路設計。LVS流程可閱讀物理版圖，提取出一個(gè)以SPICE電路表示法來(lái)描繪電氣結構的網(wǎng)表。然后將這個(gè)提取出的網(wǎng)表與原始的網(wǎng)表進(jìn)行比較。如果二者相匹配，那么設計人員便可確信版圖既能生產(chǎn)出來(lái)，又能達到預期性能。代工廠(chǎng)為設計人員提供專(zhuān)為某個(gè)特定節點(diǎn)和工藝服務(wù)的DRC平臺、SPICE設備模型和LVS平臺。 硅光子的挑戰 然而，這個(gè)工藝流程并不適用于硅光子。雖然SiP設計與定制模擬集成電路設計有很多相似之處，但挑戰存在于細節方面。雖然 SiP 設計也在很大程度上依賴(lài)早期設計仿真，但SPICE不具備模擬光學(xué)器件所需的尖端技術(shù)。光子設計人員必須使用其它建模和仿真工具，與SPICE不同，SiP行業(yè)標準尚未確立，這些工具未必能夠與集成電路領(lǐng)域使用的工具進(jìn)行互操作。最值得一提的是，這些仿真器沒(méi)有使用標準SPICE 網(wǎng)表的概念，因此，傳統LVS工具無(wú)法對比這些仿真器提取出的網(wǎng)表。 光子電路LVS的另一個(gè)復雜之處在于器件的特殊性。LVS流程通常歷經(jīng)三個(gè)階段：版圖中的器件識別、器件的特性鑒定以及器件連接和參數與原理圖的對比。第一步的挑戰相對較小，因為光子器件的外形很容易辨認。但是，外形的復雜性使器件的特性鑒定變得十分困難。光子器件的性能取決于器件復雜外形的很多細節以及周邊布局。 圖1顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)形諧振器器件。共有四個(gè)管腳：In1、In2、Out1 和 Out2。有六個(gè)參數（均可以獨立地變化）對該器件的性能至關(guān)重要：Rin、Rout、Gap_length1、Gap_width1、Gap_length2 和 Gap_width2。如果有任何參數與目標值不同，器件將無(wú)法達到預期性能。鑒于Rin和Rout的曲線(xiàn)特性，很難以GDSII直線(xiàn)格式（使用一系列分段線(xiàn)性直線(xiàn)）來(lái)準確描繪設計。因此會(huì )出現半徑不準確的嚴重情況，從而造成功能問(wèn)題。 
圖1：環(huán)形諧振器器件，其六個(gè)指定參數必須與預特性化設備的參數相符。 在LVS中，傳統的器件特性鑒定方法是收集器件周?chē)赡苡绊懫湫阅艿乃胁季謱ο�，通過(guò)測量來(lái)描述這些對象和器件本身之間的相互作用，例如距離和投影長(cháng)度。這些測量結果可以按照第一原則理論或硅測量經(jīng)驗曲線(xiàn)代入封閉公式。但是，當器件受很多特征影響或者一些簡(jiǎn)單的測量無(wú)法足夠準確地捕捉物體之間的相互作用（光子器件就是這樣）時(shí)，這種方法便不再奏效。這種情況與模擬電路設計人員所面臨的問(wèn)題很像，除了器件本身形成的少數對象，器件性能有時(shí)還取決于數千個(gè)布局對象共同的電容和電感。 設計流程調整 我們提議放棄基于精確測量的特性鑒定，代之以一系列周知的模式來(lái)識別器件，包括主要的器件特征和周邊一定范圍內的版圖形狀。這些器件可以使用硅測量或現有的硅光子仿真器進(jìn)行預特性化（與面向集成電路設計的技術(shù)計算機輔助設計 (TCAD)器件仿真類(lèi)似）。如有必要，這種模式還可以引入少量的變異度，但最重要的是，版圖中的器件必須與預特性化模式之一完全匹配。當設計人員在版圖中實(shí)施這些預特性化器件時(shí)，LVS工具可以抽取器件、測量其重要參數并且將他們與預特性化模式相比較。模式庫里未發(fā)現的任何器件會(huì )被標記成未知器件，并被視作版圖錯誤處理。 光子電路LVS驗證的另一個(gè)挑戰源于電路比較階段。大多數LVS工具的開(kāi)發(fā)都基于這樣的假設：對版圖的分析可以依賴(lài)常見(jiàn)數據庫中描述的單個(gè)CMOS傳輸門(mén)的邏輯屬性。光子電路的基本元素如諧振器、調制器和多路器存在很大區別。在硅光子更加成熟之前，普通的LVS工具不可能像支持MOSFET和CMOS傳輸門(mén)一樣的按照“原始器件”支持所有基本的光器件。相反，LVS工具必須支持用戶(hù)定義器件和電路模式。驗證器件參數還需要更大的靈活性，一些參數適用于整個(gè)器件，而另一些則與特定器件引腳或多個(gè)引腳相關(guān)（例如一個(gè)特定波導在一個(gè)多路器中的傳輸與對話(huà)）。與“標準的”傳輸門(mén)不同，電路的模式驅動(dòng)型識別是分離具有特定功能的元素所必需的。 從概念上講，這個(gè)方法與通常應用于模擬器件特性鑒定問(wèn)題的解決方案類(lèi)似：這些設備的確切性能特性十分復雜，并且通常很少為人所知。設計人員通常缺乏具有幾個(gè)著(zhù)名參數的準確壓縮模型。相反，在一個(gè)相對較大的版圖環(huán)境下，許多幾何形狀的復雜互動(dòng)決定了器件性能。對于光子器件來(lái)說(shuō)，情形極其類(lèi)似。光子器件的性能由組成器件的許多布局類(lèi)型的精美細節決定。細節會(huì )受到按照GDS多邊形繪制幾何的平滑曲線(xiàn)時(shí)的制品的影響，然后進(jìn)一步分裂成適合掩膜制造機器的元素，最終被光刻生產(chǎn)工藝所扭曲。因此，只通過(guò)幾個(gè)與其規模和大小相關(guān)的參數對器件進(jìn)行可靠的特性鑒定并不現實(shí)。LVS 工具必須將這些器件與一個(gè)已知的良好且優(yōu)秀的配置變體庫進(jìn)行比較。當發(fā)現匹配項時(shí)，性能參數可以直接從庫項目中提取�！邦�(lèi)似”但是并不完全匹配任何庫變量的器件應該被標記為警告信息。 總結 當LVS工具能夠發(fā)現和提取具有復雜曲線(xiàn)形狀的用戶(hù)定義器件時(shí)，硅光子設計人員可以從真正的LVS驗證中獲得信心，并且提取適當的物理測量器件參數，用于與一個(gè)仔細預特性化設備庫進(jìn)行對比。使用這個(gè)方法，既定的器件到器件行為可以進(jìn)行驗證，確保不存在意外的短路或開(kāi)路。通過(guò)仔細驗證如圖所示器件參數與預期的預特性化性能相匹配，電路中每個(gè)器件的預期性能得到了進(jìn)一步的確保。也許最重要的是，意外的設計錯誤會(huì )在結構完好的設計環(huán)境中被及早發(fā)現并通知用戶(hù)，從而快速簡(jiǎn)單地排除故障，節省不必要的生產(chǎn)周期并且大大縮短上市時(shí)間。 作者介紹 John Ferguson 是總部位于俄勒岡州威爾森維爾的明導 Calibre DRC Applications 的營(yíng)銷(xiāo)總監。他在1991年獲得麥吉爾大學(xué) (McGill University) 物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，1993年獲得馬薩諸塞大學(xué) (University of Massachusetts) 應用物理碩士學(xué)位，2000年獲 Oregon Graduate Institute of Science and Technology 電氣工程博士學(xué)位。John 在面向最前沿的集成電路生產(chǎn)制造的物理設計驗證領(lǐng)域擁有豐富的工作經(jīng)驗。 Fedor Pikus 是明導 Design to Silicon 部門(mén)首席工程科學(xué)家。他之前的職位包括谷歌高級軟件工程師以及明導 Calibre PERC, LVS, DFM 首席軟件架構師。他于1998年加盟明導，從計算物理學(xué)學(xué)術(shù)研究轉至軟件行業(yè)。作為首席科學(xué)家，他的職責包括規劃 Calibre 產(chǎn)品的長(cháng)期技術(shù)方向、指導和培養從事這些產(chǎn)品工作的工程師、軟件設計與架構以及新設計和軟件技術(shù)的研究。Fedor 在物理、EDA、軟件設計和 C++ 語(yǔ)言方面擁有超過(guò)25項專(zhuān)利，發(fā)表過(guò)超過(guò)90篇相關(guān)論文與會(huì )議報告。 |
