集成电路原理与设计补充

1、会计学1集成电路原理与设计补充集成电路原理与设计补充第1页/共110页2022-4-262返回第2页/共110页2022-4-263教材：教材： 甘学温，赵宝瑛等著，集成电路原理与设计，北京大学出版社，2006。参考书目：参考书目：Jan M. Rabaey等著，周润德等译，数字集成电路：电路、系统与设计(第2版)，电子工业出版社，2004年；Sung-Mo Kang等著，王志功等译，CMOS数字集成电路分析与设计(第3版)，电子工业出版社，2004年。第3页/共110页2022-4-264参考书目：参考书目：R. Jacob Baker等著，陈中建译，CMOS电路设计、布局与仿真，机械工业出

2、版社，2006年；Neil H. E. Weste, David Harris等著，CMOS大规模集成电路设计（英文版 第3版），影印本，机械工业出版社，2005年。返回第4页/共110页2022-4-265返回第5页/共110页2022-4-266课程介绍第6页/共110页2022-4-267第7页/共110页2022-4-268集成电路集成电路1 2元元电子产品电子产品10元元国民经济产值国民经济产值100元元?集成电路的战略地位首先表现在当代集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的国民经济的“食物链食物链”关系关系?进入信息进入信息化社会的判据：化社会的判据：半导体产值半导体产值占工农

3、业总产值的占工农业总产值的0.5%第8页/共110页2022-4-269据美国半导体协会（据美国半导体协会（SIA）预测）预测 电子信息服务业电子信息服务业 30万亿美元万亿美元相当于相当于1997年全世界年全世界GDP总和总和电子装备电子装备 6-8万亿元万亿元集成电路产值集成电路产值1万亿美元万亿美元GDP50万亿美元万亿美元2012年年第9页/共110页2022-4-2610第10页/共110页2022-4-2611世界世界GDPGDP增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：增长与世界集成电路产业增长情况比较（资料来源：ICEICE商业部）商业部） v抓住集成电路产业，就能促进抓住

4、集成电路产业，就能促进GDP高速增长高速增长第11页/共110页2022-4-2612我国台湾地区我国台湾地区60年代后期人均年代后期人均GDP200-300美元美元（1967年为年为267美元）美元）70-80年代大力发展集成电路产业年代大力发展集成电路产业90年代年代IT业高速发展业高速发展97年人均年人均GDP=13559美元美元返回第12页/共110页2022-4-2613第13页/共110页2022-4-2614第14页/共110页2022-4-2615第15页/共110页2022-4-2616优点是速度高、驱动能力强，优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较

5、大、集成度较低功耗低、集成度高，随着特征功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高尺寸的缩小，速度也可以很高第16页/共110页2022-4-2617第17页/共110页2022-4-2618IC规模的划分SSIMSILSIVLSIULSIGSI芯片所含元件数109芯片所含门数108此外，还有按其他标准的一些此外，还有按其他标准的一些IC分类，如按电路功能和所处理分类，如按电路功能和所处理信号的不同，可分数字或逻辑信号的不同，可分数字或逻辑IC（Digital/Logic IC）、模拟）、模拟IC（Analog IC）和数模混合）和数模混合IC（Digital-Analog Mixe

6、d IC）；根）；根据所采用晶体管的不同，又可分为双极型据所采用晶体管的不同，又可分为双极型IC和和MOS型型IC。返回第18页/共110页2022-4-2619第19页/共110页2022-4-2620返回第20页/共110页2022-4-2621特征尺寸从4m70nm的成比例减少的线条2. 特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度)，也可定义为最小线条宽度与线条间距之和的一半。减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺寸的减小主要取决于光刻技术的改

7、进。集成电路的特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产是0.18m、0.15 m 、0.13m工艺， Intel目前将大部分芯片生产制成转换到0.09 m 。下图自左到方给出的是宽度从4m70nm按比例画出的线条。由此，我们对特征尺寸的按比例缩小有一个直观的印象。返回第21页/共110页2022-4-2622尺寸从尺寸从2寸寸12寸成比例增加的晶圆寸成比例增加的晶圆3. 晶片直径(Wafer Diameter) 为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺

8、寸为8吋，正在向12吋晶圆迈进。下图自左到右给出的是从2吋12吋按比例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印象。返回第22页/共110页2022-4-2623第23页/共110页2022-4-2624返回第24页/共110页2022-4-2625设计设计芯片检测芯片检测单晶、外单晶、外延材料延材料掩膜版掩膜版芯片制造芯片制造过程过程封装封装测试测试系统需求系统需求第25页/共110页2022-4-2626晶圆片多探针晶圆片多探针测试，坏的芯测试，坏的芯片打标记片打标记IC制造有以下制造有以下5个过程个过程硅晶圆片硅晶圆片晶圆处理制程晶圆处理制程打字、最后测试打字、最后测试封装封装布

9、满芯片的硅晶圆片布满芯片的硅晶圆片第26页/共110页2022-4-2627集成电路的设计过程：集成电路的设计过程： 设计创意设计创意 + + 仿真验证仿真验证集成电路芯片设计过程框架集成电路芯片设计过程框架是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（VHDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off第27页/共110页2022-4-2628 硅单晶片与加工好的硅片硅单晶片与加工好的硅片第28页/共110页2022-4-2629第29页/共110页2022-4-2630第30页/共110页2022-4-26

10、31Vsspoly 栅Vdd布线通道参考孔有源区N+P+集成电路的内部单元集成电路的内部单元第31页/共110页2022-4-2632返回第32页/共110页2022-4-2633第33页/共110页2022-4-2634第34页/共110页2022-4-2635 二战结束时，诸多半导体方面的研究成果为晶体管的发明作好了理论及实践理论及实践上的准备。1946年1月，依据战略发展思想，Bell实验室成立了固体物理研究组及冶金组，开展固体物理方面的研究工作。在系统的研究过程中，肖克莱肖克莱根据肖特基的整流理论，预言通过“场效应”原理，可以实现放大器，然而实验结果与理论预言相差很多。经过周密的分析，

11、巴丁巴丁提出表面态理论表面态理论，开辟了新的研究思路，兼之对电子运动规律的不断探索，经过多次实验，于1947年12月实验观测到点接触型晶体管放大现象。第二年1月肖克莱提出结型晶体管理论，并于1952年制备出结型锗晶体管，从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。第35页/共110页2022-4-2636第36页/共110页2022-4-2637蒸金箔蒸金箔塑料楔塑料楔金属金属基极基极锗锗发发射射极极集电极集电极0.005cm的间距的间距第37页/共110页2022-4-2638第38页/共110页2022-4-26391958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器

12、件，个器件，Ge晶片晶片获得获得2000年年Nobel物理奖物理奖第39页/共110页2022-4-2640 赫伯特赫伯特克勒默克勒默 杰克杰克基尔比基尔比 泽罗斯泽罗斯阿尔费罗阿尔费罗夫夫第40页/共110页2022-4-2641青年基尔比青年基尔比第一块集成电路第一块集成电路集成电路草图集成电路草图1958年年9月月12日，日，TI公司的公司的Jack S.Kilby在德州仪器半导体实验室在德州仪器半导体实验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足件都集合到只有一个曲别针大小（不足1

13、/2英寸见方）的半导体材英寸见方）的半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻）。容和八个电阻）。 Kilby本人也因此与赫伯特本人也因此与赫伯特克勒默和俄罗斯的克勒默和俄罗斯的泽罗斯泽罗斯阿尔费罗夫一起荣获阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物理学奖。年度诺贝尔物理学奖。Ge 衬底上的混合集成电路，衬底上的混合集成电路，美国专利号美国专利号3138743第41页/共110页2022-4-2642 1959 1959年年 美国仙童美国仙童/ /飞兆公司（飞兆公司（ FairchildsFairchilds

14、 ）的）的R.NoicyR.Noicy诺依斯开发出用于诺依斯开发出用于ICIC的的SiSi平面工艺技术，从而推动了平面工艺技术，从而推动了ICIC制造业的制造业的大发展。大发展。 1959年仙童年仙童公司公司制造的制造的IC 年轻时代的诺伊斯年轻时代的诺伊斯第42页/共110页2022-4-2643 60 60年代年代 TTLTTL、ECLECL出现并得到广泛应用。出现并得到广泛应用。19661966年年 MOS LSIMOS LSI发明（集成度高，功耗低）发明（集成度高，功耗低） 7070年代年代 MOS LSIMOS LSI得到大发展（出现集成化微处理器得到大发展（出现集成化微处理器，存储

15、器），存储器）VLSIVLSI，典型产品，典型产品64K DRAM 64K DRAM ，1616位位 MPUMPU 80 80年代年代 VLSIVLSI出现，使出现，使ICIC进入了崭新的阶段（其标进入了崭新的阶段（其标志为特征尺寸小于志为特征尺寸小于2 2 m m，集成度，集成度 10105 5 个元件个元件/ /片）片）典型产典型产品品4M DRAM(4M DRAM(集成度集成度 8 810106 6，芯片面积，芯片面积91mm91mm2 2，特征尺寸，特征尺寸0.8m0.8m，晶片直径，晶片直径150mm ) 150mm ) ，于，于8989年开始商业化生产，年开始商业化生产，9595年

16、达到生产顶峰。年达到生产顶峰。3.集成电路发展简史集成电路发展简史第43页/共110页2022-4-2644第44页/共110页2022-4-2645返回第45页/共110页2022-4-26461.摩尔定律摩尔定律定义：定义： 集成电路中的晶体管数集成电路中的晶体管数目（也就是集成度）大约每目（也就是集成度）大约每18个月翻一番。个月翻一番。1.6 集成电路的发展规律集成电路的发展规律Moores Law：The number of transistors per integrated circuit would double every 18 month.第46页/共110页2022-4-

17、2647第47页/共110页2022-4-2648第48页/共110页2022-4-2649返回第49页/共110页2022-4-2650第50页/共110页2022-4-2651第51页/共110页2022-4-2652CE等比例缩小定律等比例缩小定律出发点：如果在缩小尺寸的过程中能够保证器件内部的电场强度不变，则器件性能就不会退化。要求：要求：所有几何尺寸，包括横向和纵向尺寸，都缩小k倍；衬底掺杂浓度增大k倍；电源电压下降k倍。影响：集成度k2倍增长电路的速度增大k倍功耗降低了k2倍获得了异常优秀的结果，但是要求电源电压和器件尺寸以相同的比例缩小给电路的使用带来不便。第52页/共110页2

18、022-4-2653CV等比例缩小定律等比例缩小定律要求：所有几何尺寸都缩小k倍；电源电压保持不变；衬底掺杂浓度增大k2倍。影响：集成度增大k2倍电路的速度提高k2倍功耗k倍增大，功耗密度k3倍增加产生的问题：功耗及功耗密度增长很快强电场引起的载流子漂移速度饱和限制了器件驱动电流的增加，影响了等比例缩小带来的电路性能改善第53页/共110页2022-4-2654QCE等比例缩小定律等比例缩小定律要求：-器件尺寸k倍缩小，-电源电压/k倍（1k）变化，-衬底掺杂浓度增大k倍 耗尽层宽度和器件尺寸一样缩小，同时维持器件内部电场分布不变，但是电场强度增大倍第54页/共110页2022-4-2655第

19、55页/共110页2022-4-2656 沿着Moore定律发展,必然会提出微电子加工尺度和器件尺度的缩小有无极限的问题.对于加工技术极限,主要是光刻精度，随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光）的发展和电子束投影曝技术的发展。现在看来，这一极限在近期内将不会影响芯片的进步。另一方面，来自器件结构（MOS）晶体管的某些物理本质上的限制，如量子力学测不准原理和统计力学热涨落等，可能会使MOSFET缩小到一定程度后不能再正常工作，这就有可能改变今日硅芯片以CMOS为基础的局面。 第56页/共110页2022-4-2657 为了突破MOS器件的物理极限，发展下一代微电子芯片微电子芯片，科技界正

20、在研究各种可能的新一代微电子器件，包括：单电子晶体管、量子隧道器件、分子器件（或统称纳电子学）、厚膜器件和功能器件等等。如果它们中有所突破，那么只要信息化社会发展有需要，微电子芯片仍将沿着Moore定律发展。 第57页/共110页2022-4-26582、片上芯片（、片上芯片（SOC）：微电子由集成电路（）：微电子由集成电路（IC）向集成系统（）向集成系统（IS）发展）发展 片上芯片（System On a Chip）的概念是20世纪90年代提出来的，它的目标是为了克服多芯片集成系统所产生的一些困难，通过提高芯片集成的系统功能以获得更高的系统性能。 例如，现在的CPU芯片已可做到延时小于几十p

21、s皮秒的工作速度，可是如果存储器芯片仍是分离于CPU，则由于存取时间及访址延时等限制，这一高速度在计算系统中根本就不能发挥出来。这就要求把它们有机地集成到一个芯片上去。又如，即便使用光束传输信号，其延时也有3.3皮秒/毫米。所以把高速传输的信号引出芯片，通过PCB来将多芯片集成系统的方法显然已不可行。第58页/共110页2022-4-2659 实际上，即使是封装与芯片压焊块间的连线，由于寄生效应，今后在高速芯片中也要被取消。而采用所谓芯片尺寸封装（CSP），即封装的大小与芯片大小相一致而直接采用倒装焊，显然也会大大限制引出线的数目。实际上也只有把更多功能集成到一个芯片上才能解决今后的管脚数“爆

22、炸”、测试困难和成本高等一系列问题。 由此可见，SOC是微电子芯片进一步发展的必然方向。90年代以来，SOC已成为微电子芯片技术发展的热点，现在其市场占IC总市场份额的10%以上，预估，21世纪初期可达50%以上。现在的SOC发展还在初级阶段，需解决一系列工艺（如DRAM、Flash与Logic技术的兼容）、设计（如IP模块智权模块，又称IP核Intellectual-Property Core）技术和设计方法、测试策略及可测试性等技术课题。 第59页/共110页2022-4-2660 现在的SOC芯片有三种主要类型，一种是以MPU为核心，集成各种存储器、控制电路、时钟电路，乃至I/O和A/D

23、、D/A功能于一个芯片上；另一种是以DSP为核心，多功能集成为SOC；再一种则是上两种的混合或者把系统算法与芯片结构有机地集成为SOC。它们在IP利用率、通用性、芯片利用率、性能以及设计周期等方面各具优缺点，因此当前兼容共存。 第60页/共110页2022-4-26613、赋予微电子芯片更多的、赋予微电子芯片更多的“灵气灵气” 微机械电子系统（MEMS）和微光电机系统（MOEMS），生物芯片（biochip）等是20世纪90年代初快速热起来的新技术，被称为硅半导体技术或微电子技术的又一次革命。它的核心是把电子信息系统中的信息获取、信息执行与当前信息处理等主要功能集成于一个芯片上（它们在当前的计

24、算机系统中是分立的）。 第61页/共110页2022-4-2662 从机械、光学、化学和生物等机、器件或系统来看，除了微型化以外，它还赋予这些器件和系统以一定的处理智能。 从电子信息系统芯片看，这一技术等于把原来的电脑芯片集成了五官和四肢，并使之成为一个有机体，所以说这使芯片增加了“灵气”。硅MEMS（包括光机电、生物机电、化学机电与系统）发展的根据是：硅不仅是很优秀的电子材料，而且，作为半导体，它也是对各种环境能作出灵敏反应的很好的传感器材料，它的屈服强度、杨氏模量、热膨胀性能等均不亚于不锈钢。因此，它还是很好的机械材料。 第62页/共110页2022-4-2663 在微电子工艺技术基础上，

25、通过多年的研究开发，现在，把整个MEMS系统集成于一个芯片上的“灵巧”芯片技术已经逐渐成熟，MEMS各类器件和系统的年产值已经达到以百亿美元计的水平。在实验室中或小批研制中已出现了如微型化学实验室芯片、微光学平台芯片，乃至包括DNA芯片在内的各种生物芯片等等。这些芯片不仅由于其“微”（体积小），更因其反应速度快，能耗和材料消耗少，以及更符合环保条件等而备受注视。各种灵巧芯片无疑在21世纪将大展威力，成为促进信息社会迅速发展的又一技术支柱。 如果在过去40年人们可以用制作的工艺尺寸（如用多少微米或亚微米技术）的精细度来标志微电子芯片的水平，那么在今后的40年里，人们更需用芯片具有多大“灵气”来描

26、述其先进性了。 第63页/共110页2022-4-2664第64页/共110页2022-4-2665第65页/共110页2022-4-2666人才培养人才培养: :北大，清华，复旦大学，浙江大学，西安交北大，清华，复旦大学，浙江大学，西安交通大学，上海交通大学，华中科技大，电子科技大通大学，上海交通大学，华中科技大，电子科技大，西安电子科技大，西安电子科技大, ,华南理工大学华南理工大学, ,哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学, ,西北工业大学西北工业大学, ,上海同济大学上海同济大学, ,北京航空航天大学北京航空航天大学, ,东南大学。东南大学。15个个IC人才培养基地人才培养基地Peking U

27、niversity第66页/共110页2022-4-2667第67页/共110页2022-4-2668第68页/共110页2022-4-2669北京上海无锡杭州深圳西安成都全国共有全国共有7个个IC产业化基地产业化基地设计业已经有设计业已经有典型产品出现典型产品出现：嵌入式嵌入式CPU:方舟方舟,龙芯龙芯. GPU: 中星微中星微(世界市场份额世界市场份额40%)ICIC卡卡: : 华大华大, ,清华同方清华同方, ,大唐等大唐等. .国内市场国内市场1010亿件亿件第69页/共110页2022-4-2670第70页/共110页2022-4-2671第71页/共110页2022-4-2672第

28、72页/共110页2022-4-2673第73页/共110页2022-4-2674第74页/共110页2022-4-2675第75页/共110页2022-4-2676第76页/共110页2022-4-2677第77页/共110页2022-4-2678第78页/共110页2022-4-2679第79页/共110页2022-4-2680第80页/共110页2022-4-26814. 我国微电子发展展望我国微电子发展展望第81页/共110页2022-4-2682第82页/共110页2022-4-2683第83页/共110页2022-4-2684第84页/共110页2022-4-2685第85页/共1

29、10页2022-4-2686第86页/共110页2022-4-2687第87页/共110页2022-4-2688第88页/共110页2022-4-2689第89页/共110页2022-4-2690第90页/共110页2022-4-2691中国中国IC设计产业分布图设计产业分布图第91页/共110页2022-4-2692 *到到2010年总投资量年总投资量600亿美元，建成亿美元，建成20 40条条生产线，生产线，200个设计公司及个设计公司及20家封装家封装/测试厂测试厂 *带动上海带动上海700亿美元相关产业发展，成为第一亿美元相关产业发展，成为第一大产业大产业第92页/共110页2022-4-2693第93页/共110页2022-4-2694第94页/共110页2022-4-2695第95页/共110页2022-4-2696第96页/共110页2022-4-2697第97页/共110页2022-4-26