AIM Photonics PDK设计方法论 - 器件开发与光电芯片设计平台

  摘要

  本文对AIM Photonics开发的硅基光电子PDK进行评估。从支持高效光电集成芯片设计的准确器件库、版图布局自动化和基于测量的紧凑建模等方面分析了该设计实现方法的有效性。并与CMOS和RF晶圆厂的最佳实践进行了比较。提出了如何通过采用更严格的硅基光电子PDK创建清单来增强实现方法的建议。AIM Photonics与Synopsys合作,提供具有端到端功能的PDK。本文也与逍遥科技的PIC Studio平台的功能进行了比较。

  引言

  硅基光电子是新兴技术在数据通信、电信、激光雷达和光计算等应用中具有实现大规模增长的潜力。随着硅基光电子的研究向商业化发展,急需成熟的设计实现方法和工具来提高设计效率和上市时间。AIM Photonics投资开发了可靠的硅基光电子工艺技术以及PDK。

  本文对AIM Photonics最近的设计实现方法进行了评估。分析该方法的优势和可能的改进领域。将其与CMOS/RF晶圆厂的最佳实践和逍遥科技的PIC Studio商业光电芯片设计与仿真平台的功能进行比较。并提出建议,说明AIM Photonics如何增强其设计方法以更好地支持无晶圆厂光电芯片设计者。

  AIM Photonics成立于2015年,作为美国政府推进集成光子技术制造和创新的行动的一部分。作为一个研究联盟和硅基光电子小批量生产的工艺线,AIM Photonics在其位于纽约奥尔巴尼的测试、组装、封装(Test Assembly Package, TAP)设施中,在硅基光电子工艺开发和设计实现方面投入了大量资金。

  AIM Photonics 的工作流程包含五个主要要素:

  1. 器件开发

  2. 测试器件组设计与批量版图输出

  3. 测量的基础设施

  4. 紧凑模型建立

  5. PDK集成

  本文分析了该工作流程的每个阶段,包括使用器件仿真工具、自动版图生成、晶圆测试和统计紧凑建模。与CMOS和RF技术实现中的现有做法进行比较。

  图一. 硅光子技术的设计实现流程 (来源：AIM Photonics)

  AIM Photonics与三大EDA公司合作,提供具有端到端功能的PDK，如同逍遥科技的PIC Studio商业光电芯片设计平台,专门用于满足光电芯片设计与仿真到流片的端到端的需求。

  图二. PIC Studio与EDA齐平的硅光芯片设计工具链 (来源：逍遥科技)

  AIM Photonics设计实现方法评估

  1. 器件开发流程：

  器件开发流程基于使用Lumerical器件仿真工具来设计和优化光电器件。主要优势是可提供工艺堆栈 (Process Stack) 文件，对层厚和掺杂剖面等关键制造数据进行编码。这样，器件设计就能准确反映制造工艺。例如模拟载流子注入微波调制器的例子，版图中包含多种变化，以便进行统计建模，工艺堆栈文件中编码了如层厚度和掺杂配置文件等关键制造数据。这允许器件设计精确反映制造过程。

  器件仿真方法遵循光电器件设计中使用的标准做法。但是,还有机会进一步提高准确性。大多数光电器件受到晶圆上性能分布的制造变异性影响。捕捉这些效应需要进行大规模的统计仿真,使用蒙特卡罗分析。执行此类仿真并提取参数化的紧凑模型模板,将使变异性能够直接并入链路级仿真工具，例如 PIC Studio 的 pSim 仿真工具以进行可靠性评估。这种做法在CMOS电芯片晶圆厂中已被广泛采用多年。

  图三. 左:用于分析和紧凑建模的数据处理,右:波导的统计和角落模型说明。(来源：AIM Photonics)

  注：‘sns’:表示短-窄-慢波导的极端情况;‘tws’:表示高-宽-慢波导的极端情况

  2. 测试器件组合版图自动化：

  自动版图生成框架,从基于DOE表格的输入批量生成器件版图。采用用于晶圆探测的标准化输出入IO。使用自动化和IO标准化是提高效率促进因素。控制版图的输入电子表格也可以用于实验室的量测软件,从而实现从设计到测试的连续性。

  通过将附加的DRC检查纳入自动生成的设计中,可以进行进一步的版图自动化增强。例如,现代EDA在布局生成的标准部分执行设计规则检查、版图与原理图比较 (LVS)以及Dummy填充。执行这些步骤将减少制程缺陷并提高良品率。

  3. 量测的基础设备：

  自动化晶圆级探测收集数据。光栅耦合器允许从光纤阵列耦合光进行无人测试。在不同批次的多个dies上收集统计数据。这种方法可以有效表征制造变异性。尽管适用于初始阶段的实现,但是光栅耦合器方法在带宽、波长范围和极化依赖性方面存在局限性。随着技术的成熟,增强方法以支持边缘耦合测量将提高准确性。这需要精密的边缘耦合调整,但可以消除光栅效应带来的损耗和失真。

  图四. O波段和C+L波段的大规模晶圆级自动化测量的测量设置 (来源：AIM Photonics)

  4. 器件的紧凑模型建模：

  通过测量收集的统计数据被处理以创建参数化的紧凑模型。给出了提取包括制造变异性角落的波导模型的示例。模型针对三大EDA的商用光电芯片设计平台。

  未来可以通过开发标准化的模型格式来改进紧密建模方法,以更轻松地在不同的工具供应商之间移植模型。发布PDK之前,也增强模型验证程序以验证链路级设计的系统模型。在Analog/RF建模中利用的统计仿真技术同样适用。

  5. PDK集成和构建：

  最终的PDK集成将器件库、版图支持和紧凑模型组合到三大EDA供应商的设计环境中。还提供了Calibre DRC规则库。PDK在商业工具和KLayout等开源平台上都可以获得。

  虽然涵盖了主要要求,但PDK集成过程可以通过在发布之前实施更严格的PDK清单来保障质量。例如,Si2的CMC紧凑模型联盟制定了详细的模型验证程序和发布清单,以提高质量。应用于光电芯片PDK开发以及发布，同样能提高设计者的生产力。

  光电芯片设计平台

  除了AIM Photonics与三大EDA关注PDK实现方法之外,还有新兴的商业设计平台,旨在为光电芯片设计提供统一的工具。PIC Studio工具链就包含包含原理图编辑、版图和链路/系统级仿真。集成平台的一个关键好处是支持跨不同工艺流程的设计可移植性。

  通过与AIM Photonics类似的中试线以及工艺厂密切合作,确保全面支持PDK,集成设计套件可以为设计人员提供在不重新设计的情况下切换制造工艺的灵活性。像PIC Studio这样的平台还允许在同一环境中对电子学和光子学进行联合仿真。随着硅基光电子技术在各应用领域的普及，像PIC Studio这样的统一设计平台越来越受到大家的青睐和使用。

  结论

  随着硅基光电子技术从研究向商业化部署的成熟,全面且可靠的设计实现方法对确保无晶圆厂光电芯片设计师的成功非常重要。本文对AIM Photonics为其300mm晶圆制造工艺开发的设计方法进行了回顾。

  AIM Photonics与三大EDA合作,提供具有端到端功能的PDK。他们的方法奠定了一个涵盖器件开发、自动版图、测量数据和紧凑建模等关键方面的可靠基线。

  在光电芯片设计的推进过程中，硅基光电子试产线和Foundry应当考虑探索全流程平台如PIC Studio所提供的功能。它为用户提供了从原理图输入到物理验证的完整设计流程，将有助于Foundry更全面地提供PDK。

  PIC Studio可以增强Foundry设计方法的关键功能包括:

  PhotoCAD版图工具,与FDTD/EME等器件求解器连接以进行验证

  pSim光电芯片链路仿真器支持，并与主要Spice/RF Spice模拟器联合仿真

  Advanced SDL从原理图自动生成版图代码以及版图 (SDL专利申请中)

  Calibre集成进行DRC物理验证DRC

  通过利用PIC Studio的集成光子设计流程,并与AIM Photonics等Foundry密切合作,逍遥科技可以帮助实现端到端的PDK开发,涵盖原理图、版图和关键验证步骤。将进一步增强硅基光电子芯片设计基础设施,以满足光电芯片设计工程师的需求。

  图五.PIC Studio已有的晶圆厂PDK列表,另外，PIC Studio 也支持一键导入新的晶圆厂工艺层定义，快速形成新的PDK

  本文作者：逍遥科技 陈昇祐