集成电路分析与设计0课件

集成电路分析与设计绪论本章概要概述集成电路发展集成电路的分类当前国际集成电路技术的发展趋势芯片的设计加工流程多项目晶圆计划电子设计自动化概述现代IC设计特点和要求1概述什么是集成电路IntegratedCircuit，缩写为ICIC是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，执行特定功能的电路或系统。1概述封装好的集成电路1概述微电子学微电子学:即微型电子学。随着集成电路技术的发展，整机、电路与元器件之间的界限已经突破。器件问题、电路问题和整机问题已经结合在一起，体现在一小块硅片上，这就形成了固体物理、器件工艺、电子学与计算机科学技术交叉的新技术学科—微电子学。1概述微电子学包含的技术领域系统和电路设计理论测试技术及数学基础研究新的制造工艺技术及其理论基础新材料的研究系统装配和封装技术研究器件物理、集成电路新结构及相关的物理研究2集成电路发展第一只晶体管第一只晶体管是1947年由美国Bell实验室的JohnBardeen、WilliamShockley和WalterBrattain三位发明的，他们共同获得1956年的诺贝尔物理学奖2集成电路发展第一块集成电路第一块集成电路，1958年美国TI公司的JackKilby发明，为一个集成振荡器，只有4个晶体管。他也因此在42年后（2000年）获得诺贝尔物理学奖1962年第一块双极型逻辑集成电路TTL电路（之后发明了ECL电路）由美国仙童公司发明motorola公司于1966年开发的3输入ECL逻辑门2集成电路发展新工艺的发明1950年奥尔（R.Ohl）和肖克莱（W.Shockley）发明离子注入技术1956年富勒（C.S.Fuller）发明扩散工艺1960年卢尔(H.H.Loor)和克里斯坦森(H.Christensen)发明了外延生长技术1970年斯皮勒(E.Spiller)和卡斯特兰尼(E.Castellani)发明了光刻工艺这些关键工艺的出现为晶体管从点接触结构向平面型结构过渡并使其集成化提供了基本的技术支持。2集成电路发展摩尔定律摩尔定律（Moore’sLaw）1965年摩尔预测说半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番1975年又提出修正说，芯片上集成的晶体管数量将每两年翻一番人们进一步总结得出，集成电路自发明以来，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。一个有关集成电路发展趋势的著名预言，该预言直至今日依然准确。2集成电路发展GordenMoore1965年Fairchild公司的电子工程师2005年Intel公司的名誉主席2集成电路发展IC集成度和特征尺寸发展曲线2集成电路发展微处理器：晶体管数2集成电路发展微处理器：晶体管数2集成电路发展微处理器：芯片尺寸2集成电路发展微处理器：门延迟2集成电路发展微处理器：功耗2集成电路发展Intel公司第一代微处理器—4004第一个微处理器Intel40041971年，美国Intel公司用NMOS实现2300个晶体管，主频108KHz10um工艺全定制手工设计2集成电路发展Intel公司微处理器—Pentium®42集成电路发展Intel公司微处理器—Pentium®62集成电路发展IntelPentium4微处理器2集成电路发展IntelItanium微处理器2集成电路发展集成电路发展里程碑2集成电路发展集成电路发展里程碑2集成电路发展晶体管数目2003年一年内制造出的晶体管数目达到1018个，相当于地球上所有蚂蚁数量的100倍2集成电路发展芯片制造水平2003年制造的芯片尺寸控制精度已经达到头发丝直径的1万分之一，相当于驾驶一辆汽车直行400英里，偏离误差不到1英寸！2集成电路发展晶体管的工作速度1个晶体管每秒钟的开关速度已超过1.5万亿次。如果你要用手开关电灯达到这样多的次数，需要2万5千年的时间！2集成电路发展半导体业的发展速度1978年巴黎飞到纽约的机票价格为900美元，需要飞7个小时。如果航空业的发展速度和半导体业一样的话，那么今天只需花费1美分，不到1秒钟即可到达！2集成电路发展晶体管的成本目前制造1个晶体管的成本大约与在1张报纸上印刷1个字母的成本相当！3集成电路的分类按器件结构双极集成电路：主要由双极型晶体管构成NPN型PNP型金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单极型晶体管)构成NMOSPMOSCMOS(互补MOS)双极-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极和MOS晶体管的集成电路。综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。3集成电路的分类按基片材料分类单片集成电路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GaAs等。混合集成电路

是指将多个半导体集成电路裸片或半导体集成电路芯片与分离元器件通过一定的工艺集成到一块绝缘基板上，构成一个完整的、更复杂的功能器件。该功能器件最终被封装在一个管壳中作为一个整体使用。也称为二次集成电路。一般分为：厚膜集成电路薄膜集成电路3集成电路的分类按集成度分类类别数字集成电路(门)模拟集成电路(晶体管数)MOSIC双极ICSSI<102<100<30MSI10210310050030100LSI1031055002000100300VLSI105107>2000>300ULSI107109GSI>1093集成电路的分类按电路功能数字集成电路(DigitalIC)：

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)：

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、模数(A/D)转换器、电压-频率转换器、频率-电压转换器等等。3集成电路的分类按定制方式全定制集成电路：

是指电路功能按照特定需求设计好、出厂后引脚定义和功能不可改变的电路。如ASIC和通用IC。半定制集成电路：

是指出厂以后不具备确定的电路功能，需要用户重新设计编程后才能够确定电路功能的集成电路。典型应用是一些可编程集成电路，如FPGA和CPLD等。3集成电路的分类按应用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。4当前国际集成电路技术的发展趋势集成电路制造技术进程路标美国半导体协会给出的集成电路制造技术进程路标：4当前国际集成电路技术的发展趋势集成电路技术发展趋势集成电路特征尺寸向深亚微米发展，目前的规模化生产已经从0.15/0.13um工艺迈向90nm工艺,估计到2009年左右70nm工艺将迈向规模化。晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸由8英寸已经迈向12英寸。集成电路的规模不断提高，CPU(P4)已经超过4000万晶体管，DRAM已达Gb规模。集成电路的速度不断提高，采用0.13umCMOS工艺实现的CPU主时钟已超过2GHz,实现的超高速数字电路速率已超过10Gb/s,射频电路的最高工作频率已超过6GHz。4当前国际集成电路技术的发展趋势集成电路技术发展趋势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。模拟数字混合集成向电路设计工程师提出挑战。由于集成电路器件制造能力按每3年翻两番，即每年58%的速度提升，而电路设计能力每年只以21%的速度提升，电路设计能力明显落后于器件制造能力，且其鸿沟（gap）呈现越来越变宽的趋势。集成电路产业连续几十年的高速增长和巨额利润导致世界范围内集成电路生产线的大量建设，目前已经出现过剩局面。4当前国际集成电路技术的发展趋势集成电路技术发展趋势工艺线建设投资费用越来越高。目前一条8英寸0.35um工艺线的投资约20亿美元，一条12英寸0.09um工艺线的投资将超过100亿美元。如此巨额投资已非单独一个公司，甚至一个发展中国家所能单独负担的。制造集成电路的掩膜很贵。根据SemaTech报告：“一套130nm逻辑器件工艺的掩膜大约需要75万美元，一套90nm的掩膜将需160万美元，一套65nm的掩膜将高达300万美元”。然而，每套掩膜的寿命有限，一般只能生产1000个晶圆。4当前国际集成电路技术的发展趋势集成电路技术发展趋势工艺线投资的高成本和设计能力的普遍落后，导致多数工艺线走向代工（代客户加工，Foundry）的经营道路。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,为微电子领域发展提供了条件。5芯片的设计加工流程无生产线集成电路设计技术早期数字电路以其基本单元数量少，易于大规模集成而占主导地位，其发展的总趋势是革新工艺，提高集成度和速度。在此过程中，电路设计大多在制造单位内部的设计部门进行。这样的设计是有生产线集成电路设计。随着集成电路规模的爆炸式扩展，模拟数字混合集成系统的广泛需要，知识密集型的芯片设计变得比技术密集型的芯片制造重要起来。另一方面，集成电路生产的高额利润前景引发了众多生产线在世界各地的建造，从而导致集成电路产业生产能力的剩余。这样就促进了集成电路设计的发展并使得不少设计公司应运而生。这些设计公司拥有设计人才和技术，但不拥有生产线，成为无生产线（Fabless）集成电路设计公司。5芯片的设计加工流程无生产线集成电路设计公司在国外,目前有很多这样的无生产线集成电路设计公司。仅美国硅谷就有200多家Fabless集成电路设计公司，其中有50多家上市公司。我国台湾地区这样的大中型设计公司就有100多家。目前国内IC设计公司有近500家，从业人员约有2万多人，主要分布在全国四个区域的国家7个IC设计产业化基地。其中，以上海为重心的长三角地区企业数约有200多家；以北京为重心的京津环渤海地区有100家左右；以深圳为重心的珠三角地区有80家左右；另外，以西安、成都、重庆和武汉为重心的中西部地区有五、六十家。5芯片的设计加工流程中国IC设计公司排名2005年中国IC设计公司排名（前十）5芯片的设计加工流程中国IC设计公司排名2008年中国IC设计公司排名（中国半导体行业协会）5芯片的设计加工流程代工方式芯片设计单位和工艺制造单位的分离，即芯片设计单位可以不拥有生产线而存在和发展，而芯片制造单位致力于工艺实现，即代客户加工（简称代工）方式。代工方式已成为集成电路技术发展的一个重要特征。5芯片的设计加工流程大陆代工厂代工（Foundry）厂家很多，如：无锡上华上海先进半导体公司首钢NEC上海华虹NEC中芯国际上海宏力5芯片的设计加工流程境外代工厂5芯片的设计加工流程代工厂排名2005年全球晶圆代工厂排名（前十）5芯片的设计加工流程代工厂排名2009年全球晶圆代工厂排名（前十）5芯片的设计加工流程设计与代工厂的关系5芯片的设计加工流程PDK文件首先，代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件PDK（PocessDesignKits)通过因特网传送给设计单位。PDK文件包括：工艺电路模拟用的器件的SPICE参数，版图设计用的层次定义，设计规则，晶体管、电阻、电容等元件和通孔（VIA）、焊盘等基本结构的版图，与设计工具关联的设计规则检查（DRC）、参数提取（EXT）和版图电路对照（LVS）用的文件。5芯片的设计加工流程电路设计设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掌握的电路与系统知识的基础上，利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具，进行电路设计、电路仿真（或称模拟）和优化、版图设计、设计规则检查DRC、参数提取和版图电路图对照LVS，最终生成通常称之为GDS-Ⅱ格式的版图文件。再通过因特网传送到代工单位。

5芯片的设计加工流程加工掩膜与流片代工单位根据设计单位提供的GDS-Ⅱ格式的版图数据，首先制作掩模（Mask），将版图数据定义的图形固化到铬板等材料的一套掩模上。一张掩模一方面对应于版图设计中的一层或多层图形，另一方面对应于芯片制作中的一道或多道工艺。在一张张掩模的参与下，工艺工程师完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序的固化到芯片上。这一过程通常简称为“流片”。5芯片的设计加工流程参数测试和性能评估设计单位对芯片进行参数测试和性能评估。符合技术要求时，进入系统应用。从而完成一次集成电路设计、制造和测试与应用的全过程。否则再进行改进和优化，才能进入下一次循环直至成功。5芯片的设计加工流程集成电路设计流程6多项目晶圆计划MPW技术（1）多项目晶圆MPW（multi-projectwafer)技术服务是一种为降低芯片开发成本的流片方式。MPW技术把几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片（Macro-Chip）上然后以步进的方式排列到一到多个晶圆上，制版和硅片加工费用由几十种芯片分担，极大地降低芯片研制成本，在一个晶圆上可以通过变换版图数据交替布置多种宏芯片。6多项目晶圆计划MPW技术（2）6多项目晶圆计划芯片工程（1）F&F(FablessandFoundry)模式充分体现了分工合作的现代化大生产潮流。工业发达国家通过组织无生产线IC设计的芯片计划来促进集成电路设计的专业发展、人才培养、技术研究和中小企业产品开发，而取得成效。这种芯片工程通常由大学或研究所作为龙头单位负责人员培训、技术指导、版图汇总、组织芯片的工艺实现，性能测试和封装。大学教师、研究生、研究机构、中小企业作为工程受益群体，自愿参加，并付一定费用。6多项目晶圆计划芯片工程（2）7电子设计自动化概论CAD发展概况第一代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，目前最著名的EDA软件有：Cadence、Synopsys和Mentor等。7电子设计自动化概论Cadence简介Cadence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Diva、Dracula等7电子设计自动化概论Synopsys简