floorplan 계획 수립 [레이아웃 설계]

 

1.     효율적인 배치를 위한 기본적인 가이드

반도체 레이아웃에서는 소자나 레이어의 위치와 모양 그대로 마스크가 만들어지고, 그에 따라서 반도체 공정을 거쳐 웨이퍼를 위해서 pattern이 제작된다. 패턴 모양과 길이, 면적 등에 각별한 신경을 써야한다. 반도체 레이아웃 설계에서 기본적인 셀 또는 블록을 인스턴스로 불러서 효율적인 배치를 하기 위한 기본적인 guideline은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

-      analog 및 digital block 동작 특성을 파악하여 파워 소모, 노이즈 등을 고려

-      전체 area를 최소화하도록 불필요한 빈 공간이 없도록 배치

-      최단 거리의 배선을 위해서 단자의 위치를 고려하여 배치

-      matching이 중요한 레이아웃을 우선적으로 배치

-      bias 공급 블럭 또는 제어신호 공급 블록은 중앙부에 배치

-      되도록 직사각형에 가깝게 전체 모양을 조정

 

일반적으로 불필요한 면적의 낭비 없는 배치가 권장되지만 어떠한 기능 블록이 다른 기능 블록과 연관되어 있는 경우에는 인접한 블록에 따라 허용되는 면적의 형태가 달라질 수 있다.

 

전체적으로 남는 면적이 생기면 다음 그림과 같이 VDD와 GND 사이의 전원 안정화를 위한 캐패시터를 배치하거나 더미 셀을 넣어두면 좋다. 더미 셀이란 차후에 메탈 레이어만 수정하여 배선을 바꾸어 회로를 변경시킬 수 있도록 하는 기법으로서 메탈 레이어를 사용하여 NAND 셀 또는 플립-플롭 셀을 무력화시켜 놓는 방법이 주로 사용된다.

 

2.     배치 계획

반도체 레이아웃의 배치 계획은 크게 아날로그 블록, 디지털 블록, 그리고 입/출력 패드에 대한 내용을 구분할 수 있다. 배치는 전체 칩 면적, 전력 소모, 노이즈, 신호 및 전원 배선 등을 고려하여 진행되며 레이아웃이 진행되는 과정에서 필요에 따라 분석과 협의를 거쳐 배치 계획을 수정 보완하는 것이 일반적이다.

 

1)    아날로그 블록에 대한 배치 계획

아날로그 블록의 배치에서는 레이아웃의 면적보다는 전력 소모 및 노이즈에 대한 고려가 우선시 된다. 특히 고속의 동작이 요구되거나, 노이즈에 민감한 아날로그 블록의 안정적인 동작을 위해서는 주요 소자의 매칭 특성 및 바이어스 안정화, 노이즈의 차단/차폐 등이 중요하며, 인접 블록과의 상호 간섭 또한 반드시 고려해야 할 사항이다.

 

2)    디지털 블록에 대한 배치 계획

디지털 블록의 배치에서는 일반적으로 레이아웃의 면적을 최소화하려는 계획이 우선시된다. 특히 스탠다드 셀 방식으로 레이아웃 설계가 진행되는 경우 빈 공간이 생기지 않도록 유휴 면적을 최소화하는 것이 바람직하며 디지털 블록의 경우에는 배선이 많고 복잡하기 때문에 신호 및 전원 라인의 효율적인 배선을 고려한 배치 계획이 필수적이다.

 

3)    입/출력 패드를 고려한 배치 계획

패드 셀은 본딩 패드를 가지는 레이아웃 셀로서 보통 몇 개의 구조들을 결합하여 와이어 본딩, ESD 보호, 내부 회로에의 인터페이스 기능을 제공한다. 패드는 입력(input), 출력 (output), 양방향(bi-direction) 및 전원(power) 패드로 구성이 되며, 대부분의 일반적인 칩 설계에서 칩 주위의 둘레에 놓이며 패드 프레임이라고 한다.

 

[실습]

󰊲 아날로그 블록에 대한 배치 계획을 수립한다.

 

1. 전체 칩 다이(die)의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 전체 칩의 레이아웃 면적을 확인한다.

(2) 전체 칩의 공급 전압 및 전력 소모를 확인한다.

(3) 전체 칩의 핀 타입, 번호, 위치를 확인한다.

(4) 전체 칩의 주요 블록 특성을 확인한다.

(가) 고속(High Speed)의 동작을 요구하는 블록을 파악하고 확인한다.

(나) 저잡음(Low Noise) 특성을 요구하는 블록을 파악하고 확인한다.

(다) 매칭(Matching) 특성이 요구되는 블록을 파악하고 확인한다.

(5) 아날로그 블록 및 인접 디지털 블록 간의 신호 연결 인터페이스를 확인한다.

 

2. 아날로그 블록의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 아날로그 블록의 레이아웃 면적을 확인한다.

(2) 아날로그 블록의 공급 전압 및 전력 소모를 확인한다.

(3) 아날로그 블록의 주요 구성 요소 특성을 확인한다.

(가) 고속의 동작을 요구하는 블록을 파악하고 확인한다.

(나) 저잡음 특성을 요구하는 블록을 파악하고 확인한다.

(다) 매칭 특성이 요구되는 블록을 파악하고 확인한다.

(4) 아날로그 블록의 입력 신호, 출력 신호, 양방향 신호의 개수 및 위치를 확인한다.

(5) 아날로그 블록의 내부 신호 연결 인터페이스를 확인한다.

 

3. 아날로그 블록의 구성 소자(device) 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 소자에게 허용 가능한 레이아웃 면적을 확인한다.

(2) 소자의 공급 전압 및 전력 소모를 확인한다.

(3) 주요 구성 소자의 동작 특성을 확인한다.

(가) 고속의 동작을 요구하는 소자를 파악하고 확인한다.

(나) 저잡음 특성을 요구하는 소자를 파악하고 확인한다.

(다) 매칭 특성이 요구되는 소자를 파악하고 확인한다.

 

4. 아날로그 블록의 배치 계획을 확인한다.

(1) 아날로그 및 디지털 블록의 전원 특성을 고려한 배치 계획을 확인하고 필요시 수정

보완한다.

(2) 아날로그 및 디지털 블록의 잡음 특성을 고려한 배치 계획을 확인하고 필요시 수정

보완한다.

(3) 유휴 면적을 최소화하도록 배치가 되었는지 확인하고 필요시 수정 보완한다.

(4) 서로 연결될 신호 배선의 최적화가 가능하도록 배치가 되었는지 확인하고 필요시 수정 보완한다.

 

󰊲 디지털 블록에 대한 배치 계획을 수립한다.

 

1. 전체 칩 다이(die)의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 전체 칩의 레이아웃 면적을 확인한다.

(2) 전체 칩의 공급 전압 및 전력 소모를 확인한다.

(3) 전체 칩의 핀 타입, 번호, 위치를 확인한다.

(4) 전체 칩의 주요 블록 특성을 확인한다.

(가) 고속의 동작을 요구하는 블록을 파악하고 확인한다.

(나) 저잡음 특성을 요구하는 블록을 파악하고 확인한다.

(다) 매칭 특성이 요구되는 블록을 파악하고 확인한다.

(5) 디지털 블록 및 인접 아날로그 블록 간의 신호 연결 인터페이스를 확인한다.

 

2. 디지털 블록의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 디지털 블록의 레이아웃 면적을 확인한다.

(2) 디지털 블록의 공급 전압 및 전력 소모를 확인한다.

(3) 디지털 블록의 주요 구성 요소를 확인한다.

(가) 고속의 동작을 요구하는 블록을 파악하고 확인한다.

(나) 저잡음 특성을 요구하는 블록을 파악하고 확인한다.

(다) 매칭 특성이 요구되는 블록을 파악하고 확인한다.

(4) 디지털 블록의 입력 신호, 출력 신호, 양방향 신호의 개수 및 위치를 확인한다.

(5) 디지털 블록의 내부 신호 연결 인터페이스를 확인한다.

 

3. 디지털 블록의 로직 셀(logic cell) 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 로직 셀에게 허용 가능한 레이아웃 면적을 확인한다.

(2) 로직 셀의 공급 전압 및 전력 소모를 확인한다.

(3) 주요 로직 셀의 동작 요구 특성을 확인한다.

(가) 고속의 동작을 요구하는 로직 셀을 파악하고 확인한다.

(나) 저잡음 특성을 요구하는 로직 셀을 파악하고 확인한다.

(다) 매칭 특성이 요구되는 로직 셀을 파악하고 확인한다.

 

4. 디지털 블록의 배치 계획을 확인한다.

(1) 디지털 및 아날로그 블록의 전원 특성을 고려한 배치 계획을 확인하고 필요시 수정

보완한다.

(2) 디지털 및 아날로그 블록의 잡음 특성을 고려한 배치 계획을 확인하고 필요시 수정

보완한다.

(3) 유휴 면적을 최소화하도록 배치가 되었는지 확인하고 필요시 수정 보완한다.

(4) 서로 연결될 신호 배선의 최적화가 가능하도록 배치가 되었는지 확인하고 필요시 수정 보완한다.

 

󰊳 입/출력 패드(Pad)를 고려한 배치 계획을 수립한다.

 

1. 전체 칩 다이(die)의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 전체 칩의 레이아웃 면적을 확인한다.

(2) 전체 칩의 공급 전압 및 전력 소모를 확인한다.

(3) 전체 칩의 핀 타입, 번호, 위치를 확인한다.

(4) 전체 칩의 주요 입/출력 신호 특성을 확인한다.

(가) 고속의 동작을 요구하는 입/출력 신호 핀을 파악하고 확인한다.

(나) 저잡음 특성을 요구하는 입/출력 신호 핀을 파악하고 확인한다.

(다) 매칭 특성이 요구되는 입/출력 신호 핀을 파악하고 확인한다.

 

2. 전원 패드의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 전원 패드의 위치 및 면적을 확인한다.

(2) 전원 패드의 공급 전압 및 전력 소모를 확인한다.

(3) 전원 패드의 보호 회로를 확인한다.

(4) 전원 패드의 내부 연결 인터페이스를 확인한다.

 

3. 입력 패드의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 입력 패드의 위치 및 면적을 확인한다.

(2) 입력 패드의 동작 주파수 및 잡음 특성을 확인한다.

(3) 입력 패드의 보호 회로를 확인한다.

(4) 입력 패드의 내부 연결 인터페이스를 확인한다.

 

4. 출력 패드의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 출력 패드의 위치 및 면적을 확인한다.

(2) 출력 패드의 동작 주파수 및 부하(load) 특성을 확인한다.

(3) 출력 패드의 보호 회로를 확인한다.

(4) 출력 패드의 내부 연결 인터페이스를 확인한다.

 

5. 양방향 패드의 정보를 파악하고 확인한다.

(1) 양방향 패드의 위치 및 면적을 확인한다.

(2) 양방향 패드의 동작 주파수 및 연결 특성을 확인한다.

(3) 양방향 패드의 보호 회로를 확인한다.

(4) 양방향 패드의 내부 연결 인터페이스를 확인한다.