文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.179005
中文引用格式： 楊會(huì)平，蔡琰，施建安. 16 nm FinFET工藝信號(hào)EM問題的分析和解決[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(8)：25-27.
英文引用格式： Yang Huiping，Cai Yan，Shi Jianan. Analysis and solutions of signal EM in 16 nm FinFET technology[J].Application of Electronic Technique，2017，43(8)：25-27.
0 引言
隨著芯片制造技術(shù)水平的持續(xù)發(fā)展，先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的新物理特性對(duì)芯片性能和可靠性的影響日益復(fù)雜化。以芯片金屬線的電遷移(EM)現(xiàn)象為例，該效應(yīng)在早期成熟的工藝節(jié)點(diǎn)已經(jīng)有了很深入的研究并具備有效的解決方案。一般來說，早期的工藝節(jié)點(diǎn)人們只關(guān)注Power EM，內(nèi)部信號(hào)的EM分析和修正僅僅作為一個(gè)可選項(xiàng)存在，對(duì)芯片設(shè)計(jì)和制造的影響很小。但是在28 nm及以后的工藝節(jié)點(diǎn)下，情況發(fā)生了很大的變化，內(nèi)部互聯(lián)線的物理尺寸變小，走線長(zhǎng)度變長(zhǎng)，信號(hào)翻轉(zhuǎn)頻率變高，這一系列的變化都導(dǎo)致信號(hào)的EM問題凸現(xiàn)出來，在物理設(shè)計(jì)過程中常常會(huì)出現(xiàn)版圖多次迭代，大大影響了項(xiàng)目周期。這使得信號(hào)EM成為布局布線階段必須解決的重要問題之一。本設(shè)計(jì)實(shí)例通過完善自動(dòng)布局布線工具的內(nèi)嵌EM分析功能，大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，減少迭代次數(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)流程的加速。
1 信號(hào)EM的成因及分析手段
信號(hào)線的電遷移又稱為損耗和焦耳加熱，是由于互連線上信號(hào)的高速變化對(duì)電容的不斷充放電而引起的。當(dāng)脈沖通過導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線本身的功耗將使導(dǎo)線溫度超過氧化層溫度。氧化層和導(dǎo)線之間的溫度差異會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，最終使導(dǎo)線斷裂；這一點(diǎn)在先進(jìn)工藝上體現(xiàn)的尤為明顯，因而信號(hào)EM問題越來越受到各方的關(guān)注，目前主流的EDA工具也提供了全面的技術(shù)支持。后端的設(shè)計(jì)流程中，有兩個(gè)軟件涉及到了信號(hào)的 EM分析，分別是Cadence 的自動(dòng)布局布線工具Innovus和電源分析工具Voltus。
Innovus作為EDI的替代平臺(tái)，是新一代的物理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)解決方案，在運(yùn)行效率、時(shí)序分析能力、信號(hào)完整性分析能力以及芯片面積優(yōu)化等諸多方面較EDI都有非常大的提升。特別是在先進(jìn)的16/14/10 nm FinFET工藝制程和其他成熟的制程節(jié)點(diǎn)上通常能提升10%～20%的功耗、性能和面積指標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)最高達(dá)10倍的全流程提速和容量增益。
Voltus是一款Sign-off級(jí)別的芯片電源完整性分析工具，致力于從模塊及IP層面為IC 電源在調(diào)試、驗(yàn)證、IR下降、金屬導(dǎo)線電遷移、補(bǔ)償漏電等方面提供準(zhǔn)確、高效的分析手段。EM分析方面，Voltus-Fi作為Voltus系統(tǒng)針對(duì)數(shù)字電路信號(hào)完整性檢測(cè)的重要補(bǔ)充，需要計(jì)算每一條導(dǎo)線（接點(diǎn)）上的電流并與EM規(guī)則進(jìn)行對(duì)比，其精度達(dá)到了SPICE級(jí)精度的認(rèn)證，能夠滿足臺(tái)積電16 nm FinFET的工藝規(guī)格，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更小的內(nèi)存占用、更快的運(yùn)行速度和更高的準(zhǔn)確度。
以上兩個(gè)工具在后端流程中具有重要地位，特別是在信號(hào)EM問題尤為突出的16 nm工藝中。盡管Voltus是精確的電源完整性分析工具，但是信號(hào)EM的分析流程很繁瑣，具體實(shí)施步驟如下：
(1)抽取反標(biāo)文件；
(2)使用Voltus進(jìn)行信號(hào)EM分析；
(3)將Voltus的結(jié)果返回到Innovus中進(jìn)行修正；
(4)重復(fù)步驟(1)～步驟(3)，直至結(jié)果收斂。
如果Innovus能直接檢查并修正信號(hào)EM問題，這樣可以節(jié)省抽取文件的時(shí)間和在Voltus中進(jìn)行分析的時(shí)間，能極大地節(jié)約運(yùn)行時(shí)間，提高工作效率。
2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)例分析
實(shí)例項(xiàng)目是一個(gè)基于16 nm FinFET的大規(guī)模GPU芯片。針對(duì)芯片物理實(shí)現(xiàn)流程中的EM分析手段，分別采用Innovus和Voltus作了信號(hào)EM分析。
針對(duì)項(xiàng)目中的17個(gè)各種類型的block作了分析，發(fā)現(xiàn)兩者的差距非常大。圖1是PEAK CLOCK 類型的信號(hào)EM違例在兩種工具中的結(jié)果對(duì)比圖。
在該結(jié)果中，Voltus報(bào)出的違例大約是Innovus的2倍。由于Voltus是SPICE精度的Sign-off工具，所以傾向于信任Voltus結(jié)果的準(zhǔn)確性。而Innovus為了節(jié)約運(yùn)行時(shí)間，是基于lef進(jìn)行分析的，偏差在所難免。通過整理數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，偏差主要來自Innovus漏報(bào)，以PEAK CLOCK類型為例，平均漏報(bào)率在55.8%。對(duì)于這樣大量的漏報(bào)，將該問題仔細(xì)分析和定位是非常必要的。
3 問題的分析和解決
導(dǎo)致兩種工具對(duì)同一設(shè)計(jì)分析結(jié)果的不一致，有幾種可能性：第一是來自流程上的問題；第二是來自寄生參數(shù)不同導(dǎo)致；第三是判斷依據(jù)不同導(dǎo)致。
首先考慮來自流程的區(qū)別，對(duì)流程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了查看及對(duì)比，流程上兩者的輸入控制參數(shù)是一致的，所以來自flow的因素可以排除。
其次，輸入文件中的RC寄生參數(shù)的提取至關(guān)重要。Innovus使用QRC提取的SPEF，而Voltus則使用了STAR-RC抽取的SPEF。為了驗(yàn)證這個(gè)想法，將STAR-RC抽取的SPEF作為Innovus的輸入進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)差異并沒有好轉(zhuǎn)，因此排除了RC數(shù)據(jù)問題的可能性。
最后仔細(xì)研究了兩者的信號(hào)EM結(jié)果，具體報(bào)告情況見圖2。該報(bào)告共包含以下主要內(nèi)容：按列依次排開，分別為實(shí)際電流峰值/電流最大值、電流峰值、電流最大值、平均電阻、線寬/通孔面積、所需線寬、電容值、金屬層、坐標(biāo)、線長(zhǎng)、方向。上方是Voltus的報(bào)告，下方是Innovus的報(bào)告。在兩者報(bào)告中不匹配的金屬線用線框標(biāo)識(shí)?？梢钥吹阶髠?cè)第一列的值，兩者差距很大。在Voltus的報(bào)告中，實(shí)際電流峰值為1.12 mA。在Innovus的報(bào)告中，實(shí)際電流峰值為0 mA。這就是造成兩種工具中報(bào)告不一致的本質(zhì)原因。隨后打開實(shí)際版圖進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)漏報(bào)的線都屬于同一種類型：Patch wire。
Patch wire是連接標(biāo)準(zhǔn)單元器件的PIN和上層金屬的中間金屬層，它是自動(dòng)布局布線工具在連接PIN時(shí)，為了避免一些金屬面積的違例而引入的一個(gè)金屬補(bǔ)丁。Patch Wire在實(shí)際版圖中的形狀如圖3所示。
Patch wire的示意圖如圖4所示。M1為PIN，時(shí)鐘線的走線為M4，中間的M2/M3是包在V2/V3上的一小段金屬層，即上文提到的Patch wire。
在Innovus中，Patch wire的電流為0是導(dǎo)致EM漏報(bào)的原因。將分析的原因反饋給Cadence，研發(fā)部門對(duì)該部分進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)。使用更新后的軟件，對(duì)這些block重新做了信號(hào)EM分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5看出，兩者結(jié)果基本一致，平均偏差在1.5%。
有了兩者匹配的結(jié)果，在項(xiàng)目初期不再需要進(jìn)入Voltus進(jìn)行Siganl EM分析，直接在Innovus中進(jìn)行信號(hào)EM的分析和修正，最后用Voltus做二次確認(rèn)即可。流程得到極大簡(jiǎn)化：
(1)在Innovus中進(jìn)行分析和修正；
(2)抽取反標(biāo)文件（最終數(shù)據(jù)）；
(3)使用Voltus進(jìn)行信號(hào)EM分析（最終數(shù)據(jù)）；
(4)重復(fù)步驟(1)~步驟(3)，直至結(jié)果收斂。
通過對(duì)單一一輪修正信號(hào)EM的運(yùn)行時(shí)間在新舊流程中的不同作了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。從表1看出，平均運(yùn)行時(shí)間從9.5 h減少到4.5 h，減少了52.6%的運(yùn)行時(shí)間。
4 結(jié)論
隨著新工藝技術(shù)的不斷演進(jìn)，以及金屬線寬的不斷縮小和工作頻率的不斷提高，信號(hào)EM的問題逐漸成為困擾芯片物理實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)之一。本文通過完善Innovus的信號(hào)EM分析結(jié)果，使冗長(zhǎng)繁瑣的迭代明顯得到改善，設(shè)計(jì)和分析效率都大大提高。
參考文獻(xiàn)
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[5] Chung-Kuan Cheng等著.超大規(guī)模集成電路互連線分析與綜合[M].喻文健，等譯.北京：清華大學(xué)出版社，2008.
作者信息：
楊會(huì)平，蔡 琰，施建安
（英偉達(dá)半導(dǎo)體科技（上海）有限公司北京分公司，北京100020）