第一章集成电路设计技术与工具

1集成电路设计技术与工具

山东科技大学

2参考书

《集成电路设计技术与工具》王志功等东南大学出版社《专用集成电路设计》【美】MichaelJohnSebastianSmith著虞惠华汤庭鳌等电子工业出版社《电子电路设计》DavidComer著王华奎等译电子工业出版社3集成电路产业及其设计方向的就业（苏州）长三角（广州、深圳）珠三角（北京）及环渤海大连四川成都西安浙江沿海考研及研究所集成电路生产线（代工foundry）集成电路封装、测试集成电路设计材料集成电路设计培训EDA及其产业集成电路设计公司4集成电路设计方向模拟集成电路 数字集成电路模数混合集成电路工艺、材料铜连接cmos锗硅(Si–Ge)SOIMEMS（微机电系统）5本课程的目的对集成电路的发展历史、现状和未来有一个比较清晰的认识较全面了解集成电路设计工艺掌握集成电路设计工具掌握集成电路基本单元的设计6主要内容集成电路简介集成电路材料与器件物理基础集成电路制造工艺集成电路版图设计与工具集成电路元器件及其SPICE模型集成电路仿真软件SPICE模拟集成电路晶体管级设计数字集成电路晶体管级设计集成电路模块级设计集成电路系统级设计简介集成电路封装集成电路测试7集成电路设计技术与工具

第1章集成电路设计导论1.1 集成电路的发展1.2 集成电路的分类1.3 集成电路设计步骤1.4 集成电路设计方法1.5 电子设计自动化技术概论8集成电路IntegratedCircuit，缩写IC

通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。9Intel英特尔公司最新的i7处理器显微照10各种封装好的集成电路111.1集成电路的发展集成电路的历程:1947-1948年:世界上第一只晶体三极管面世—--标志着电子管时代向晶体管时代的过度开始1950年:成功研制出结型晶体管1952年:英国皇家雷达研究所第一次提出“集成电路” 的设想1958年:美国德州仪器公司制造出世界上第一块集成电路—双极型晶体管集成电路1960年:世界上成功制造出第一块MOS集成电路121.1集成电路的发展

年份1989年1993年1997年2001年2006年特征尺寸1.0µm0.6µm0.35µm0.18µm90nm水平标志微米（M）亚微米（SM）深亚微米（DSM）超深亚微米（VDSM）纳米表1CMOS工艺特征尺寸发展进程

在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年，集成电路芯片的集成度每三年翻两番，而加工特征尺寸缩小倍。

这就是由Intel公司创始人之一GordonE.Moore博士1965年总结的规律，被称为“摩尔定律”。13器件结构类型集成度使用的基片材料电路的功能应用领域1.2集成电路的分类

14按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶体管（TTL）构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂15集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目按集成度分类类别数字集成电路模拟集成电路MOSIC双极ICSSI(小规模集成电路)<102<100<30MSI(中规模集成电路)10210310050030100LSI(大规模集成电路)1031055002000100300VLSI(超大规模集成电路)105107>2000>300ULSI(特大规模集成电路)107109GSI(巨大规模集成电路)>109按晶体管数目划分的集成电路规模

16单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有Ga、As等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路按使用的基片材料分类17数字集成电路(DigitalIC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路(AnalogIC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路，通常又可分为线性集成电路和非线性集成电路：线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。按电路的功能分类18标准通用集成电路：通用集成电路是指不同厂家都在同时生产的用量极大的标准系列产品。这类产品往往集成度不高，然而社会需求量大，通用性强。专用集成电路：根据某种电子设备中特定的技术要求而专门设计的集成电路简称ASIC，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。按应用领域分类19“自底向上”（Bottom-up）“自底向上”的设计路线，即自工艺开始，先进行单元设计，在精心设计好各单元后逐步向上进行功能块、子系统设计直至最终完成整个系统设计。在模拟IC和较简单的数字IC设计中，大多仍采用“自底向上”的设计方法。“自顶向下”（Top-down）其设计步骤与“自底向上”步骤相反。设计者首先进行行为设计；其次进行结构设计；接着把各子单元转换成逻辑图或电路图；最后将电路图转换成版图。1.3集成电路设计步骤20VLSI数字IC的设计流图模拟IC的设计流图21全定制方法（Full-CustomDesignApproach）半定制方法（Semi-CustomDesignApproach）门阵列法（GA：GateArray）门海法法（SOG：SeaofGates）标准单元法（SC：StandardCell）积木法（BB：BuildingBlock）可编程逻辑器件法（PLD：ProgrammableLogicDevice）1.4集成电路设计方法22适用于要求得到最高速度、最低功耗和最省面积的芯片设计版图设计时采用人工设计，对每个器件进行优化，芯片性能获得最佳，芯片尺寸最小设计周期长，设计成本高，适用于性能要求极高或批量很大的产品，模拟电路一、全定制方法23二、半定制方法门阵列设计法 门阵列是指在一个芯片上把形状和尺寸完全相同的单元排列成阵列，每个单元内部含有若干器件，单元之间留有高度固定的布线通道。门阵列方法的设计特点：设计周期短，设计成本低，适合设计适当规模、中等性能、要求设计时间短、数量相对较少的电路。 不足：设计灵活性较低；门利用率低；芯片面积浪费。24

门阵列法设计流程图

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门海设计法

门海设计技术是把由一对不共栅的P管和N管组成的基本单元铺满整个芯片（除I/O区外），基本单元之间无氧化隔离区，布线通道不确定，宏单元连线在无用器件区上进行。 门海方法的设计特点：门利用率高，集成密度大，布线灵活，保证布线布通率。 不足：仍有布线通道，增加通道是单元高度的整数倍，布线通道下的晶体管不可用。26标准单元法标准单元法是指从标准单元库中调用事先经过精心设计的逻辑单元，并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再按功能要求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，形成所需的专用电路。27标准单元设计法与门阵列法的异、同点：(1)在门阵列法中逻辑图是转换成门阵列所具有的单元或宏单元，而标准单元法则转换成标准单元库中所具有的标准单元。(2)门阵列设计时首先要选定某一种门复杂度的基片，因而门阵列的布局和布线是在最大的门数目、最大的压焊块数目、布线通道的间距都确定的前提下进行的。标准单元法则不同，它的单元数、压焊块数取决于具体设计的要求，而且布线通道的间距是可变的，当布线发生困难时，通道间距可以随时加大，因而布局和布线是在一种不太受约束的条件下进行的。(3)门阵列设计时只需要定制部分掩膜版，而标准单元设计后需要定制所有的各层掩膜版。28与门阵列法相比，标准单元法有明显的优点：(1)芯片面积的利用率比门阵列法要高。芯片中没有无用的单元，也没有无用的晶体管。(2)可以保证100％的连续布通率。(3)单元能根据设计要求临时加以特殊设计并加入库内，因而可得到较佳的电路性能。(4)可以与全定制设计法相结合。在芯片内放入经编译得到的宏单元或人工设计的功能块。标准单元法也存在不足：(1)原始投资大：单元库的开发需要投入大量的人力物力；当工艺变化时，单元的修改工作需要付出相当大的代价，因而如何建立一个在比较长的时间内能适应技术发展的单元库是一个突出问题。(2)成本较高：由于掩膜版需要全部定制，芯片的加工也要经过全过程，因而成本较高。只有芯片产量达到某一定额(几万至十几万)，其成本才可接受。29积木块法又称通用单元设计法。与标准单元不同之处是：第一，它既不要求每个单元（或称积木块）等高，也不要求等宽。每个单元可根据最合理的情况单独进行版图设计，因而可获得最佳性能。设计好的单元存入库中备调用。第二，它没有统一的布线通道，而是根据需要加以分配。通用单元法示意图30可编程逻辑器件设计方法

是指用户通过生产商提供的通用器件自行进行现场编程和制造，或者通过对“与”、“或”矩阵进行掩膜编程，得到所需的专用集成电路器件名“与”矩阵“或”矩阵输出电路PROM固定可编程固定PLA可编程可编程固定PAL可编程固定固定GAL可编程固定可由用户组态四种简单PLD器件的比较311.5电子设计自动化技术概论

随着IC集成度的不断提高，IC规模越来越大、复杂度越来越高，采用CAD辅助设计是必然趋势。第一代IC设计CAD工具出现于20世纪60年代末70年代初，但只能用于芯片的版图设计及版图设计规则的检查。第二代CAD系统随着工作站(Workstation)的推出出现于80年代。其不仅具有图形处理能力，而且还具有原理图输入和模拟能力。如今CAD工具已进入了第三代，称之为EDA系统。其主要标志是系统级设计工具的推出和逻辑设计工具的广泛应用。32工作站平台上的主流EDA软件简介：1）CandenceEDA软件Candence公司为IC设计者提供了丰富的设计工具，包括：数字系统模拟工具Verilog-XL；电路图设计工具Composer；电路模拟工具AnalogArtist；射频模拟工具SpectreRF；版图编辑器VirtuosoLayout；布局布线工具Preview；版图验证工具Dracula等332）SynopsysEDA软件Synopsys公司在EDA业界以它的综合工具而称著。Synopsys倡高层设计，使用该公司的综合工具，现今已有八成的ASIC是由高层设计的，它支持VHDL全集，允许概念级验证，可以自动生成特定艺的门级网表。Synopsys公司2002年合并了Avant！公司(徐建国)之后，拥有了一系列深亚微米ASIC设计的专业化工具，包括优秀的模拟工具Hspice，使得底层设计能力得到了提升。343）MentorEDA软件具有EDA全线产品，包括：设计图输入；数字电路设计工具；模拟电路分析工具；数/模混合电路分析工具；逻辑综合工具；故障分析模拟工具；PCB设计；ASIC设计与校验；(CALIBRE)自动测试矢量生成（ATPG）；系统设计工具；数字信号处理（DSP）工具；FPGA设计等。(modelsim)354）ZeniEDA软件

九天（Zeni）系统是熊猫（Panda）系统的改进版。熊猫系统是我国在80年代后期自主开发的面向全定制和半定制大规模集成电路而设计的，具有可支持10万元件规模设计能力的大型集成电路计算机辅助设计系统。九天（Zeni）系统包含3个子系统，覆盖了集成电路设计的主要过程，包括：基于语言的和基于图形的设计输入，各个级别的设计正确性的模拟验证（ZeniVDE）；交互式的物理版图设计（ZeniPDT）；版图正确性验以及CAD数据库（ZeniVERI）。36

Silvaco公司的EDA软件包括了工艺计算机辅助设计TCAD（TCAD：TechnologyComputerAidedDesign）和基于PDK（ProcessDesignKits）的定制ICCAD设计流程所需要的所有工具。其中TCAD产品使得器件工程师可以通过基于物理的仿真来进行设计和预测半导体器件的制作及性能，具有一个易于使用、模块化的平台。该产品中的工艺仿真系统Athena提供半导体工艺的仿真，用于模拟半导体材料的注入、扩散、刻蚀、淀积、光刻、氧化以及硅化等过程。器件仿真系统Atlas提供半导体器件的电气、光学和热学特性的仿真，用于MOS器件、双极型器件、HEMT、HBT、Laser、VCSEL、LED、CCD等多种器件的仿真和建模。ICCAD产品提供了与Hspice完全兼容的模拟电路仿真器SmartSpice；基于谐波平衡的仿真器SmartSpiceRF；Expert版图编辑器以及GuardianDRC、LVS和LPE物理验证工具等。书中涉及的集成电路工艺和前端设计仿真都是基于该工具软件的。5）SilvacoEDA软件

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受到IC制造工艺极限条件和具体工艺要求的限制，IC版图设计在移交制造厂家前必须进行一系列的版图验证，以保确芯片的成品率。版图数据基本验证有：设计规则检查（DRC）：最小线宽、最小图形间距、最小接触孔尺寸、栅和源漏区的最小交叠等。电气规则验证（ERC）：检测有没有电路意义的连接错误，如短路、开路、孤立布线、非法器件等，介于设计规则与行为级分析之间，不涉及电路行为。电路与版图一致性验证（LVS）：从版图提取出的电路网表与从原理图得到的网表进行比较，检查两者是否一致。主要用于保证进行电路功能和性能验证之前避免物理设计错误。集成电路版图验证简介

38Silvaco精确、完整的EDA软件研发快速满足客户需求

Silvaco自1984年在美国硅谷创立以来，致力于EDA软件的研发，目前无论是在传统Si/SiGe半导体，TFT/OLED面板，太阳能电池，先进材料的制程与元件模拟，和在类比，数码，混合信号，RFIC电路设计的SPICE演算，及各种材料元件模型参数的萃取等，均有非常精确与完整的软件可供使用。日前有监于台湾电子产业正面临技术升级与生产成本的挑战，急需提升其整体研发的实力，Silvaco台湾分公司更与台大电机系合作，捐赠了50套Simucad全系列SOC设计软件于教学研究之用。Silvaco台湾区副总经理杜启平表示，希望能利用精确的计算机模拟技术，大幅减少芯片下线与元件制程研究的成本及时间，让有限的经费能做更有效率的应用。Silvaco是少数拥有完整IC设计流程的EDA软件公司，在美国，英国都设有研发中心，拥有百余名研发团队持续开发更准确的物理模型以及更快速的算法。在各主要半导体生产国家都设有分公司，直接提供应用工程师，与客户沟通快速解决问题，并友援售后服务。39GeraldC.Hsu(徐建国先生)原Avant!Corporation（先驱微电子公司）董事长、总经理兼首席执行官，现任美国广媒集团(BroadMediaGroup)主席、董事长、CEO。徐建国先生拥有丰富的管理经验和工程科学背景，并被聘为浙江大学计算机学院顾问教授。

美国BroadMediaGroup董事长Mr.Gerald.Hsu简介:GeraldC.Hsu(徐建国先生)原Avant!Corporation（先驱微电子公司）董事长、总经理兼首席执行官，现任广媒集团(BroadMediaGroup)主席、董事长、CEO。

徐先生拥有丰富的管理经验和工程科学背景，在商场上，作风极为强势，不论敌我，均公认其为最佳的市场行销人才。徐先生兴趣极为广泛，十七年内读过七行：应用数学、土木结构、机械力学、海洋工程、财务、市场等系。毕业以后工作领域也横跨七种行业，从航天工程、核能电厂、造船厂，到计算机硬件、应用软件业、机械设计及半导体。进入EDA(电子设计自动化)界前，曾创办过四家公司。1982年，赴硅谷发展手提电脑事业，四年后卖出所持公司股份。1988年，进入太阳微(SunMicroSystems)