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

  摘要

  本文對AIM Photonics開發(fā)的硅基光電子PDK進行評估。從支持高效光電集成芯片設計的準確器件庫、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計實現方法的有效性。并與CMOS和RF晶圓廠的最佳實踐進行了比較。提出了如何通過采用更嚴格的硅基光電子PDK創(chuàng)建清單來增強實現方法的建議。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平臺的功能進行了比較。

  引言

  硅基光電子是新興技術在數據通信、電信、激光雷達和光計算等應用中具有實現大規(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,急需成熟的設計實現方法和工具來提高設計效率和上市時間。AIM Photonics投資開發(fā)了可靠的硅基光電子工藝技術以及PDK。

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

  AIM Photonics成立于2015年,作為美國政府推進集成光子技術制造和創(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)設施中,在硅基光電子工藝開發(fā)和設計實現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. 測試器件組設計與批量版圖輸出

  3. 測量的基礎設施

  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技術實現中的現有做法進行比較。

  圖一. 硅光子技術的設計實現流程 (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)光電芯片設計平臺,專門用于滿足光電芯片設計與仿真到流片的端到端的需求。

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

  AIM Photonics設計實現方法評估

  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鍵制造數據進行編碼。這樣，器件設計就能準確反映制造工藝。例如模擬載流子注入微波調制器的例子，版圖中包含多種變化，以便進行統(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鍵制造數據。這允許器件設計精確反映制造過程。

  器件仿真方法遵循光電器件設計中使用的標準做法。但是,還有機會進一步提高準確性。大多數光電器件受到晶圓上性能分布的制造變異性影響。捕捉這些效應需要進行大規(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據處理,右:波導的統(tǒng)計和角落模型說明。(來源：AIM Photonics)

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

  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準化輸出入IO。使用自動化和IO標準化是提高效率促進因素?？刂瓢鎴D的輸入電子表格也可以用于實驗室的量測軟件,從而實現從設計到測試的連續(xù)性。

  通過將附加的DRC檢查納入自動生成的設計中,可以進行進一步的版圖自動化增強。例如,現代EDA在布局生成的標準部分執(zhí)行設計規(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. 量測的基礎設備：

  自動化晶圓級探測收集數據。光柵耦合器允許從光纖陣列耦合光進行無人測試。在不同批次的多個dies上收集統(tǒng)計數據。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,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。隨著技術的成熟,增強方法以支持邊緣耦合測量將提高準確性。這需要精密的邊緣耦合調整,但可以消除光柵效應帶來的損耗和失真。

  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)計數據被處理以創(chuàng)建參數化的緊湊模型。給出了提取包括制造變異性角落的波導模型的示例。模型針對三大EDA的商用光電芯片設計平臺。

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

  5. PDK集成和構建：

  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供應商的設計環(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)布之前實施更嚴格的PDK清單來保障質量。例如,Si2的CMC緊湊模型聯(lián)盟制定了詳細的模型驗證程序和發(fā)布清單,以提高質量。應用于光電芯片PDK開發(fā)以及發(fā)布，同樣能提高設計者的生產力。

  光電芯片設計平臺

  除了AIM Photonics與三大EDA關注PDK實現方法之外,還有新興的商業(yè)設計平臺,旨在為光電芯片設計提供統(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。集成平臺的一個關鍵好處是支持跨不同工藝流程的設計可移植性。

  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,集成設計套件可以為設計人員提供在不重新設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)境中對電子學和光子學進行聯(lián)合仿真。隨著硅基光電子技術在各應用領域的普及，像PIC Studio這樣的統(tǒng)一設計平臺越來越受到大家的青睞和使用。

  結論

  隨著硅基光電子技術從研究向商業(yè)化部署的成熟,全面且可靠的設計實現方法對確保無晶圓廠光電芯片設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)的設計方法進行了回顧。

  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、測量數據和緊湊建模等關鍵方面的可靠基線。

  在光電芯片設計的推進過程中，硅基光電子試產線和Foundry應當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計流程，將有助于Foundry更全面地提供PDK。

  PIC Studio可以增強Foundry設計方法的關鍵功能包括:

  PhotoCAD版圖工具,與FDTD/EME等器件求解器連接以進行驗證

  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集成進行DRC物理驗證DRC

  通過利用PIC Studio的集成光子設計流程,并與AIM Photonics等Foundry密切合作,逍遙科技可以幫助實現端到端的PDK開發(fā),涵蓋原理圖、版圖和關鍵驗證步驟。將進一步增強硅基光電子芯片設計基礎設施,以滿足光電芯片設計工程師的需求。

  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