第1章 集成电路设计概述课件

集成电路设计*2目录第1章集成电路设计概述第2章集成电路材料、结构与理论第3章集成电路基本工艺第4章集成电路器件工艺第5章MOS场效应管的特性第6章集成电路器件及SPICE模型第7章SPICE数模混合仿真程序设计流程及方法第8章集成电路版图设计与工具第9章模拟集成电路基本单元第10章数字集成电路基本单元与版图第11章集成电路数字系统设计基础第12章集成电路的测试和封装*3第一章集成电路设计概述1.1集成电路的发展1.2集成电路设计流程及设计环境1.3集成电路制造途径1.4集成电路设计知识范围*4认识晶圆和集成电路*5裸片*6键合(连接到封装的引脚)*7封装，成品*8应用*91.1集成电路的发展1.2集成电路设计流程及设计环境1.3集成电路制造途径1.4集成电路设计知识范围*101947年12月16日,美国贝尔实验室(Bell-Lab),WilliamShockley领导的研究小组发现了晶体管效应。☆1948年6月向全世界公布。1956年，W.Shockley,JohnBardeen,WalterBrattain获诺贝尔物理奖,‘fortheirresearchesonsemiconductorsandtheirdiscoveryofthetransistoreffect’图1.1最原始的点接触式晶体管1.1集成电路的发展*11硅时代的飞跃—集成电路的诞生Fig1.2JackKilby’sfirstIntegratedCircuits(IC)oftheworld*12表1.1集成电路工艺、电路规模和产品的发展概况P-IV,手机芯片等P-III专用处理器,虚拟现实机,灵巧传感器16位32位微处理器,复杂外围电路8位微处理器,ROMRAM计数器复接器加法器平面器件:逻辑门触发器结型晶体管和二极管结型晶体管典型产品>50M>10M1M-10M20K-1M1K-20K100-1K1011产品芯片上大约晶体管数目SOCGSIULSIVLSILSIMSISSI分立元件晶体管工艺200320001990198019711966196119501947年份*13摩尔定律(Moore’sLaw)Moore'slaw:thenumberofcomponentsperICdoublesevery18months.Moore'slawholdtothisday.*14Intel的CPU验证摩尔定律*15Fig1.4Intel4004Micro-Processorby1971the4004thefirst4-bitmicroprocessorwasinproduction.The4004wasa3chipsetwitha2kbitROMchip,a320bitRAMchipandthe4bitprocessoreachhousedina16pinDIPpackage.The4004processorrequiredroughly2,300transistorstoimplement,usedasilicongatePMOSprocesswith10µmlinewidths,hada108kHzclockspeedandadiesizeof13.5mm2.*16IntelPentium(II)---1997Fig1.50.35µmCMOSdiesize:209mm2*1780年代以后—DRAM的发展表1.2*1812英寸(300mm)0.09微米是目前量产最先进的CMOS工艺线关心工艺线*19集成电路技术发展趋势1)特征尺寸：微米亚微米深亚微米，目前的主流工艺是0.35、0.25和0.18m，0.15和0.13m,90nm,65nm,45nm已开始走向规模化生产；2)电路规模：SSISOC；3）晶圆的尺寸增加,当前的主流晶圆的尺寸为8英寸,正在向12英寸晶圆迈进；4）集成电路的规模不断提高,先进的CPU(P-IV)已超过4000万晶体管,DRAM已达Gb规模；*205）集成电路的速度不断提高,人们已经用0.13m

CMOS工艺做出了主时钟达2GHz的CPU；>10Gbit/s的高速电路和>6GHz的射频电路；6）集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统SoC(System-on-Chip)成为开发目标；7）设计能力落后于工艺制造能力；8）电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无生产线（Fabless）和无芯片（Chipless）集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件。集成电路技术发展趋势*211.1集成电路的发展1.2集成电路设计流程及设计环境

1.3集成电路制造途径1.4集成电路设计知识范围*22集成电路发展的前三十年中，设计、制造和封装都是集中在半导体生产厂家内进行的，称之为一体化制造(IDM，IntegratedDeviceManufacture)的集成电路实现模式。近十年以来，电路设计、工艺制造和封装开始分立运行，这为发展无生产线（Fabless）集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件。IDM与Fabless集成电路实现*23FablessandFoundryDefinitionWhatisFabless? ICDesignbasedonfoundries,i.e. ICDesignunitwithoutanyprocessownedbyitself.WhatisFoundry? ICmanufactorypurelysupportingfablessICdesigners,i.e. ICmanufactorywithoutanyICdesignentityofitself.*24RelationofF&F(无生产线与代工的关系)LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位*25RelationofFICD&VICM&Foundry无生产线IC设计-虚拟制造-代工制造FoundryIFoundryIIFICD:FablessICDesignerVICM:VirtualICManufacture(虚拟制造)

(MOSIS,CMP,VDEC,CIC,ICC…)FICD1FICD2FICD3FICD4FICDnVICMVICM*26FablessICDesign+FoundryICManufactureFablessFoundryDesignkits*27ProcessDesignKitsPDKstandsforProcessDesignKits.It’sabstractdefinitioniseverythingaCircuitDesigndevelopmentteamneedstoknowaboutaprocesstechnologytododevice-leveldesignasviewedthroughtheCadenceelectronicdesignenvironment.Adesignenvironmentthatincludesschematicsymbols,simulationmodels,andlayoutgeneration.LayoutSchematic

L=2W=10Model:2.5VNPNSimulation*281.1集成电路的发展1.2集成电路设计流程及设计环境1.3集成电路制造途径1.4集成电路设计知识范围*29国内可用Foundry(代客户加工)厂家*30国内在建、筹建Foundry(代客户加工)厂家上海:“中芯”，8”,0.25m,2001.10“宏力”，8”,0.25m,2002.10“华虹-II”，8”,0.25m,筹建台积电(TSMC),已宣布在松江建厂北京:首钢NEC,8”,0.25m,筹建天津:Motolora,8”,0.25m,动工苏州:联华(UMC),已宣布在苏州建厂*31表1.4境外可用Foundry工艺厂家Peregrine(SOI/SOS)Vitesse(GaAs/InP)IBM/Jazz(SiGe)OMMIC(GaAs)Win(稳懋)(GaAs)Agilent(CMOS)AMS(CMOS/BiCMOS)UMC(联华)(CMOS/BiCMOS)OrbitSTM(CMOS/BiCMOS)Dongbu(东部)Chartered(特许)(CMOS/BiCMOS)TSMC(台积电)(CMOS/BiCMOS)美国欧洲韩国新加坡台湾*32芯片工程与多项目晶圆计划ManyICsfordifferentprojectsarelaidononemacro-ICandfabricatedonwafersThecostsofmasksandfabricationisdividedbyallusers.Thus,thecostpaidbyasingleprojectislowenoughespeciallyforR&DTheriskoftheIC’sR&Dbecomeslow SingleIC Macro-IC MPW (layout) (layout/masks) (wafermacro-chipsinglechip)*33多项目晶圆技术(MPW)Chip1Chip1Chip6Chip2Chip5Chip4Chip3$30000$30000<$5000*34表1.5射光所已开辟的的代工渠道和工艺

*35清华大学设计的电路南通工学院设计的电路东南大学射光所应用MPW制作芯片情况以多项目晶圆形式完成了0.35微米CMOS、0.25微米CMOS、0.18微米CMOS和砷化镓等工艺的多批次共100多种集成电路的设计、制造和测试。山东大学设计的电路*36集成电路设计技术的内容国内外可用生产线资源(工艺,价格,服务)的研究和开发可用生产线工艺文件(Tech-files)的建立元件库(Cell-libraries)的开发具有知识产权的单元电路、系统内核(IP-cores)功能模块的开发和利用系统芯片(SoC)设计多项目晶圆的开发与工艺实现芯片测试系统和方法的研究*37MeasurementSystemofUltra-High-SpeedICsDCSupplierR&S10MHz-40GHzSignalSourceAgilent83484AAgilent86100A

Cost:US$400000ProbeStation*381.1集成电路的发展1.2集成电路设计流程及设计环境1.3集成电路制造途径1.4集成电路设计知识范围*391.4集成电路设计需要的知识范围1)系统