AIM Photonics PDK設(shè)計方法論 - 器件開發(fā)與光電芯片設(shè)計平臺

  摘要

  本文對AIM Photonics開發(fā)的硅基光電子PDK進(jìn)行評估。從支持高效光電集成芯片設(shè)計的準(zhǔn)確器件庫、版圖布局自動化和基于測量的緊湊建模等方面分析了該設(shè)計實現(xiàn)方法的有效性。并與CMOS和RF晶圓廠的最佳實踐進(jìn)行了比較。提出了如何通過采用更嚴(yán)格的硅基光電子PDK創(chuàng)建清單來增強實現(xiàn)方法的建議。AIM Photonics與Synopsys合作,提供具有端到端功能的PDK。本文也與逍遙科技的PIC Studio平臺的功能進(jìn)行了比較。

  引言

  硅基光電子是新興技術(shù)在數(shù)據(jù)通信、電信、激光雷達(dá)和光計算等應(yīng)用中具有實現(xiàn)大規(guī)模增長的潛力。隨著硅基光電子的研究向商業(yè)化發(fā)展,急需成熟的設(shè)計實現(xiàn)方法和工具來提高設(shè)計效率和上市時間。AIM Photonics投資開發(fā)了可靠的硅基光電子工藝技術(shù)以及PDK。

  本文對AIM Photonics最近的設(shè)計實現(xiàn)方法進(jìn)行了評估。分析該方法的優(yōu)勢和可能的改進(jìn)領(lǐng)域。將其與CMOS/RF晶圓廠的最佳實踐和逍遙科技的PIC Studio商業(yè)光電芯片設(shè)計與仿真平臺的功能進(jìn)行比較。并提出建議,說明AIM Photonics如何增強其設(shè)計方法以更好地支持無晶圓廠光電芯片設(shè)計者。

  AIM Photonics成立于2015年,作為美國政府推進(jìn)集成光子技術(shù)制造和創(chuàng)新的行動的一部分。作為一個研究聯(lián)盟和硅基光電子小批量生產(chǎn)的工藝線,AIM Photonics在其位于紐約奧爾巴尼的測試、組裝、封裝(Test Assembly Package, TAP)設(shè)施中,在硅基光電子工藝開發(fā)和設(shè)計實現(xiàn)方面投入了大量資金。

  AIM Photonics 的工作流程包含五個主要要素:

  1. 器件開發(fā)

  2. 測試器件組設(shè)計與批量版圖輸出

  3. 測量的基礎(chǔ)設(shè)施

  4. 緊湊模型建立

  5. PDK集成

  本文分析了該工作流程的每個階段,包括使用器件仿真工具、自動版圖生成、晶圓測試和統(tǒng)計緊湊建模。與CMOS和RF技術(shù)實現(xiàn)中的現(xiàn)有做法進(jìn)行比較。

  圖一. 硅光子技術(shù)的設(shè)計實現(xiàn)流程 (來源：AIM Photonics)

  AIM Photonics與三大EDA公司合作,提供具有端到端功能的PDK，如同逍遙科技的PIC Studio商業(yè)光電芯片設(shè)計平臺,專門用于滿足光電芯片設(shè)計與仿真到流片的端到端的需求。

  圖二. PIC Studio與EDA齊平的硅光芯片設(shè)計工具鏈 (來源：逍遙科技)

  AIM Photonics設(shè)計實現(xiàn)方法評估

  1. 器件開發(fā)流程：

  器件開發(fā)流程基于使用Lumerical器件仿真工具來設(shè)計和優(yōu)化光電器件。主要優(yōu)勢是可提供工藝堆棧 (Process Stack) 文件，對層厚和摻雜剖面等關(guān)鍵制造數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。這樣，器件設(shè)計就能準(zhǔn)確反映制造工藝。例如模擬載流子注入微波調(diào)制器的例子，版圖中包含多種變化，以便進(jìn)行統(tǒng)計建模，工藝堆棧文件中編碼了如層厚度和摻雜配置文件等關(guān)鍵制造數(shù)據(jù)。這允許器件設(shè)計精確反映制造過程。

  器件仿真方法遵循光電器件設(shè)計中使用的標(biāo)準(zhǔn)做法。但是,還有機會進(jìn)一步提高準(zhǔn)確性。大多數(shù)光電器件受到晶圓上性能分布的制造變異性影響。捕捉這些效應(yīng)需要進(jìn)行大規(guī)模的統(tǒng)計仿真,使用蒙特卡羅分析。執(zhí)行此類仿真并提取參數(shù)化的緊湊模型模板,將使變異性能夠直接并入鏈路級仿真工具，例如 PIC Studio 的 pSim 仿真工具以進(jìn)行可靠性評估。這種做法在CMOS電芯片晶圓廠中已被廣泛采用多年。

  圖三. 左:用于分析和緊湊建模的數(shù)據(jù)處理,右:波導(dǎo)的統(tǒng)計和角落模型說明。(來源：AIM Photonics)

  注：‘sns’:表示短-窄-慢波導(dǎo)的極端情況;‘tws’:表示高-寬-慢波導(dǎo)的極端情況

  2. 測試器件組合版圖自動化：

  自動版圖生成框架,從基于DOE表格的輸入批量生成器件版圖。采用用于晶圓探測的標(biāo)準(zhǔn)化輸出入IO。使用自動化和IO標(biāo)準(zhǔn)化是提高效率促進(jìn)因素?？刂瓢鎴D的輸入電子表格也可以用于實驗室的量測軟件,從而實現(xiàn)從設(shè)計到測試的連續(xù)性。

  通過將附加的DRC檢查納入自動生成的設(shè)計中,可以進(jìn)行進(jìn)一步的版圖自動化增強。例如,現(xiàn)代EDA在布局生成的標(biāo)準(zhǔn)部分執(zhí)行設(shè)計規(guī)則檢查、版圖與原理圖比較 (LVS)以及Dummy填充。執(zhí)行這些步驟將減少制程缺陷并提高良品率。

  3. 量測的基礎(chǔ)設(shè)備：

  自動化晶圓級探測收集數(shù)據(jù)。光柵耦合器允許從光纖陣列耦合光進(jìn)行無人測試。在不同批次的多個dies上收集統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這種方法可以有效表征制造變異性。盡管適用于初始階段的實現(xiàn),但是光柵耦合器方法在帶寬、波長范圍和極化依賴性方面存在局限性。隨著技術(shù)的成熟,增強方法以支持邊緣耦合測量將提高準(zhǔn)確性。這需要精密的邊緣耦合調(diào)整,但可以消除光柵效應(yīng)帶來的損耗和失真。

  圖四. O波段和C+L波段的大規(guī)模晶圓級自動化測量的測量設(shè)置 (來源：AIM Photonics)

  4. 器件的緊湊模型建模：

  通過測量收集的統(tǒng)計數(shù)據(jù)被處理以創(chuàng)建參數(shù)化的緊湊模型。給出了提取包括制造變異性角落的波導(dǎo)模型的示例。模型針對三大EDA的商用光電芯片設(shè)計平臺。

  未來可以通過開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的模型格式來改進(jìn)緊密建模方法,以更輕松地在不同的工具供應(yīng)商之間移植模型。發(fā)布PDK之前,也增強模型驗證程序以驗證鏈路級設(shè)計的系統(tǒng)模型。在Analog/RF建模中利用的統(tǒng)計仿真技術(shù)同樣適用。

  5. PDK集成和構(gòu)建：

  最終的PDK集成將器件庫、版圖支持和緊湊模型組合到三大EDA供應(yīng)商的設(shè)計環(huán)境中。還提供了Calibre DRC規(guī)則庫。PDK在商業(yè)工具和KLayout等開源平臺上都可以獲得。

  雖然涵蓋了主要要求,但PDK集成過程可以通過在發(fā)布之前實施更嚴(yán)格的PDK清單來保障質(zhì)量。例如,Si2的CMC緊湊模型聯(lián)盟制定了詳細(xì)的模型驗證程序和發(fā)布清單,以提高質(zhì)量。應(yīng)用于光電芯片PDK開發(fā)以及發(fā)布，同樣能提高設(shè)計者的生產(chǎn)力。

  光電芯片設(shè)計平臺

  除了AIM Photonics與三大EDA關(guān)注PDK實現(xiàn)方法之外,還有新興的商業(yè)設(shè)計平臺,旨在為光電芯片設(shè)計提供統(tǒng)一的工具。PIC Studio工具鏈就包含包含原理圖編輯、版圖和鏈路/系統(tǒng)級仿真。集成平臺的一個關(guān)鍵好處是支持跨不同工藝流程的設(shè)計可移植性。

  通過與AIM Photonics類似的中試線以及工藝廠密切合作,確保全面支持PDK,集成設(shè)計套件可以為設(shè)計人員提供在不重新設(shè)計的情況下切換制造工藝的靈活性。像PIC Studio這樣的平臺還允許在同一環(huán)境中對電子學(xué)和光子學(xué)進(jìn)行聯(lián)合仿真。隨著硅基光電子技術(shù)在各應(yīng)用領(lǐng)域的普及，像PIC Studio這樣的統(tǒng)一設(shè)計平臺越來越受到大家的青睞和使用。

  結(jié)論

  隨著硅基光電子技術(shù)從研究向商業(yè)化部署的成熟,全面且可靠的設(shè)計實現(xiàn)方法對確保無晶圓廠光電芯片設(shè)計師的成功非常重要。本文對AIM Photonics為其300mm晶圓制造工藝開發(fā)的設(shè)計方法進(jìn)行了回顧。

  AIM Photonics與三大EDA合作,提供具有端到端功能的PDK。他們的方法奠定了一個涵蓋器件開發(fā)、自動版圖、測量數(shù)據(jù)和緊湊建模等關(guān)鍵方面的可靠基線。

  在光電芯片設(shè)計的推進(jìn)過程中，硅基光電子試產(chǎn)線和Foundry應(yīng)當(dāng)考慮探索全流程平臺如PIC Studio所提供的功能。它為用戶提供了從原理圖輸入到物理驗證的完整設(shè)計流程，將有助于Foundry更全面地提供PDK。

  PIC Studio可以增強Foundry設(shè)計方法的關(guān)鍵功能包括:

  PhotoCAD版圖工具,與FDTD/EME等器件求解器連接以進(jìn)行驗證

  pSim光電芯片鏈路仿真器支持，并與主要Spice/RF Spice模擬器聯(lián)合仿真

  Advanced SDL從原理圖自動生成版圖代碼以及版圖 (SDL專利申請中)

  Calibre集成進(jìn)行DRC物理驗證DRC

  通過利用PIC Studio的集成光子設(shè)計流程,并與AIM Photonics等Foundry密切合作,逍遙科技可以幫助實現(xiàn)端到端的PDK開發(fā),涵蓋原理圖、版圖和關(guān)鍵驗證步驟。將進(jìn)一步增強硅基光電子芯片設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)施,以滿足光電芯片設(shè)計工程師的需求。

  圖五.PIC Studio已有的晶圓廠PDK列表,另外，PIC Studio 也支持一鍵導(dǎo)入新的晶圓廠工藝層定義，快速形成新的PDK

  本文作者：逍遙科技 陳昇祐