Keywords: 微电子、硅基光电子、GSA、PDK、EDA
引
言
随着硅基光电子技术迅速成为通信和传感领域的颠覆性技术，光电子Process Design Kits (PDKs)的严格质量保证变得至关重要。硅基光电子技术可以利用微电子PDK质量流程的成熟经验，为光电子集成芯片（PIC）开发提供定制的方法论。
像全球半导体联盟(Global Semiconductor Alliance，GSA) 的混合信号PDK质量检查清单这样的行业标准，总结了验证混合信号PDK在关键方面的完整性和准确性的最佳实践[1]。笔者参与形成以检查清单为导向的质量保证方面的第一手经验，可以进一步贡献质量保证技术到光电子领域。本文论述了如何利用微电子PDK质量保证的成熟经验，通过经过验证的、可靠的PDK来促进硅基光电子技术的创新。
微电子PDK质量保证清单概述
标准化的质量保证清单，对确保可靠、高保真度PDK在微电子工艺技术的广泛采纳起到了关键作用。GSA论坛发布的混合信号PDK验证指南[1]中，涵盖了器件库的完整性验证、层映射和设计规则的正确性、紧凑模型的准确性，以及接口的一致性。详细的技术检查和自动化回归测试补充了手工审查。
像TSMC这样的领先晶圆厂有与GSA指南一致的广泛的专有检查清单，在交付客户PDK之前，都要进行严格的逐点质量保证。遵守清单可以实现首次设计的成功并最大限度地减少产品重製(respin)。这些微电子基准显示了标准化清单在系统化PDK验证和提供质量基线方面的巨大价值。随着硅基光电子技术的成熟，借鉴这样的技术可以增强PDK的保真度和可用性。
硅基光电子PDK质量的挑战
尽管硅基光电子技术利用了CMOS制造技术，但制造工艺集成和建模的复杂性导致了独特的PDK验证要求。然而,专门针对硅基光电子PDK定制的结构化QA方法论相对还不成熟。由于缺乏量化硅基光电子PDK质量的共识标准，导致出现了几个可靠性差距[2]:
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不完善的制造流程表述导致工艺层映射不准确。
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元件库不完整，缺少关键构件。
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紧凑型模型和链路仿真验证不足。
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设计流程的集成和互操作性问题。
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依赖人工检查，无法跨 PDK 版本扩展。
这些差距会严重阻碍硅基光电子集成芯片设计的生产力和工艺的采用。随着技术的不断快速发展，需要一个严格且适应性强的质量保证框架来验证PDK的完整性[3]。
从微电子到硅基光电子的PDK质量保证检查单映射
利用成熟的微电子PDK质量保证检查单可以为硅基光电子PDK量身定制的方法提供参考，但需要针对硅基光电子的特定需求进行关键调整[4]。
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技术表述：波导和调制器等光子层需要加强尺寸验证。制造的不均匀性要求扩大模型精度检查范围。
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器件库：涵盖光子专用构件，包括各种波导类型、光栅耦合器、环形谐振器、调制器和光电探测器。
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设计支持：需要对损耗、偏振相关性和频率响应等光学性能模型进行严格的鉴定。必须增加光连接和端口匹配检查。
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自动化：有必要通过脚本更多地使用自动检查，以处理大量的层数和元件变化。
通过增强微电子PDK检查清单以强调硅基光电子技术的特定要求，可以制定一个质量保证框架，在利用行业成熟度的同时提高硅基光电子PDK的保真度。
硅基光电子PDK质量保证
基于微电子已建立的质量保证清单，我们提出硅基光电子PDK质量保证清单，专门用于验证硅基光电子技术PDK的保真度和完整性[5]：
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基础架构：确认技术层与晶圆厂规范匹配。验证光子学版图规则和DRC检查的完整性和正确性。
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器件库：检查所需的硅基光电子构建模块的可用性，并确保其几何形状和材料经过工艺验证。确认模型的准确性。
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设计支持：严格根据晶圆厂数据资格认定光学性能模型。验证纳米级变异性的统计分布的纳入。
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自动化检查：开发定制脚本，自动化验证参数、连接性、尺寸公差和其他针对光子学的检查。
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跟踪与复用：保持详细的测试案例记录和与晶圆厂的对齐数据，以不断完善方法论。最大化框架的可重用性。
通过结合微电子QA的经验与针对光电子的定制，这种方法论将为提高硅基光电子PDK的可靠性提供一个高效、可适应且可扩展的方法，从而加速技术的成熟。
基础架构验证
严格验证基本PDK基础架构对于确保硅基光电子芯片的准确技术基础至关重要。必须检查PDK层的定义是否符合工艺厂的规格[5]。 应确认硅波导、植入/掺杂区、金属、通孔和绝缘体的层。必须全面验证波导宽度、弯曲半径、光栅耦合器尺寸和晶圆边缘公差等光电子特定布局规则[5]。检查必须确保可制造的几何形状和干净的DRC结果。还必须结合假填充生成和根据制造工艺特性校准的CMP模型，以优化布局密度均匀性[5]。自动基础架构检查辅以有针对性的人工审核是最大限度提高PDK保真度的关键。以微电子为基础对光电子特定的层和规则进行定制。
器件库验证
彻底验证光电子器件库的完整性和准确性对于可靠的硅基光电子芯片设计至关重要。必须确认各种波导类型、弯曲、耦合器、谐振器、光栅和锥度等基本构件与制造厂的几何形状相匹配[6]。参数化单元应在整个几何范围内进行检查。包括调制器和光电探测器在内的有源元件需要对材料、关键尺寸和制造工艺的一致性进行广泛验证[6]。工艺厂的测量数据应验证紧凑型模型的准确性。必须验证无源器件在各种工作条件下的预期光学性能[3]。定制脚本可自动进行参数扫描，以实现高效鉴定。光端口和接口连接性的特定检查也必不可少。自动化EDA工具流程可促进批量布局生成和DRC验证。
链路设计支持确认
链路仿真模型和设计约束的全面验证对于实现准确、可靠的硅基光电子芯片设计非常重要。紧凑型模型必须根据代工厂的测量数据进行严格校准和鉴定，包括损耗、偏振相关性、波长响应和制造变异性等关键参数。如果有大量的表征数据，神经网络等先进的行为建模技术有可能提高模型的准确性[7]。应验证与用于系统级建模、统计分析和多物理场协同仿真的仿真器之间的互操作性。光连接性检查和自动参数扫描有助于验证。必须确认波导最小弯曲半径、光波导绕线和光栅耦合器间距等光电子特定约束[7]。结合自动化检定和针对模型、模拟和约束的定向手动抽查，可以最大化设计支持的保真度[8]。
结论
隨著硅基光电子技术迅速发展，对PDK的严格质量保证对持续的技术进步至关重要。本文提出通过增强已在微电子PDK中得到验证的QA清单来定制针对硅基光电子技术的PDK。彻底验证光电子特定的基础架构、器件和设计支持要求将提高PDK的保真度，增强设计信心，并加速创新。提供了一个高效、可扩展且可适应的方法，促进行业的成熟度，同时满足硅基光电子特定的需求。
晶圆厂和EDA合作伙伴之间的紧密合作将是不断完善和采纳这些更为结构化的PDK QA技术的关键，特别是当硅基光电子技术在复杂性上逐步扩展。通过从一开始就验证其可靠性和完整性，高质量的PDK将释放硅基光电子在通讯、计算、医疗和更多领域中的巨大和多样化的潜力。
[1] Global Semiconductor Alliance, "Mixed Signal PDK Quality Checklist," Ver. 4.0, July 2013. [Online]. Available: https://www.gsaglobal.org/technical-resources/.
[2] W. Bogaerts and L. Chrostowski, "Silicon photonics circuit design: methods, tools and challenges," Laser & Photonics Reviews, vol. 12, no. 4, p. 1700237, 2018.
[3] L. Chrostowski and M. Hochberg, Silicon Photonics Design: From Devices to Systems, Cambridge University Press, 2015.
[4] E. Timurdogan et al., "APSUNY Process Design Kit (PDKv3.0): O, C and L Band Silicon Photonics Component Libraries on 300mm Wafers," 2019 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), San Diego, CA, USA, 2019, pp. 1-3.
[5] T.S.-Y. Chen, "Silicon Photonics Process Design Kit (PDK) Creation Checklist," Latitude Design Automation, 2023.
[6] S. Y. Siew et al., "Review of Silicon Photonics Technology and Platform Development", Journal of Lightwave Technology, vol. 39, no. 13, pp. 4374-4389, July1, 2021.
[7] Ansys Lumerical, "How to Design Foundry-Compatible Custom Photonic Components," Ansys. [Online]. Available: https://www.ansys.com/blog/design-foundry-compatible-photonic-components. [Accessed: 2023].
[8] Latitude Design Automation, "PIC Studio Suite," Latitude Design Automation. [Online]. Available: https://latitudeda.com/solution/product. [Accessed: 2023].
文章转载自微信公众号：北京光博会订阅号