集成电路新设计基础知识

第一章集成电路设计概述1.1集成电路（IC）的发展集成电路（IC）的发展IC——IntegratedCircuit；集成电路是电路的单芯片实现；集成电路是微电子技术的核心；1.1集成电路（IC）的发展单片半导体材料元件连线I/O工艺加工应用电路系统晶体管的发明1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验；1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；1947年12月23日第一个点接触式NPNGe晶体管

发明者：W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖1.1集成电路（IC）的发展获得1956年Nobel物理奖集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想。1958年以德克萨斯仪器公司（TI）的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。

锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共12个器件，用超声焊接引线将器件连起来。获得2000年Nobel物理奖1.1集成电路（IC）的发展获得2000年Nobel物理奖集成电路的发明平面工艺的发明

1959年7月，美国Fairchild公司的Noyce发明第一块单片集成电路：

利用二氧化硅膜制成平面晶体管，

用淀积在二氧化硅膜上和二氧化硅膜密接在一起的导电膜作为元器件间的电连接(布线)。

这是单片集成电路的雏形，是与现在的硅集成电路直接有关的发明。将平面技术、照相腐蚀和布线技术组合起来，获得大量生产集成电路的可能性。1.1集成电路（IC）的发展第一块单片集成电路集成电路发展史上的几个里程碑1962年Wanlass、C.T.Sah——CMOS技术

现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze——非挥发存储器1968年Dennard——单晶体管DRAM1971年Intel公司生产出第一个微处理器芯片4004——计算机的心脏目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽带连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新。1.1集成电路（IC）的发展集成电路的发展水平的标志IC加工工艺的特征尺寸

(MOS晶体管的最小栅长、最小金属线宽)集成度

（元件/芯片）生产IC所用的硅片的直径

（6、8、12英寸）芯片的速度

(时钟频率)1.1集成电路（IC）的发展集成电路的发展小规模集成（SSI）→中规模集成（MSI）→大规模集成（LSI）→超大规模集成电路(VLSI)→特大规模集成电路(ULSI)→GSI→SoC。1.1集成电路（IC）的发展集成电路的发展1990年代以后,工艺从亚微米(0.5到1微米)→深亚微米(小于0.5m)→超深亚微米(小于0.25m

，目前已经到了0.06m)发展。其主要特点：特征尺寸越来越小（最小的MOS管栅长或者连线宽度）芯片尺寸越来越大（diesize）单片上的晶体管数越来越多时钟速度越来越快电源电压越来越低布线层数越来越多

I/O引线越来越多1.1集成电路（IC）的发展集成电路发展规划（1997）年份1997199920012003200620092012最小线宽(mm）0.250.180.150.130.100.070.01DRAM容量256M1G1G~4G4G16G64G256G晶体管数量(M)112140762005201400芯片尺寸(mm2)300340385430520620750时钟频率(MHz)750120014001600200025003000金属层数66～7777～88～99最低供电电压(V)1.8-2.51.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6最大硅片直径(mm)2008吋30012吋30012吋30012吋30012吋45018吋45018吋1.1集成电路（IC）的发展集成电路工艺特征尺寸1.1集成电路（IC）的发展单个芯片上的晶体管数1.1集成电路（IC）的发展集成电路芯片面积1.1集成电路（IC）的发展集成电路的电源电压1.1集成电路（IC）的发展集成电路的时钟频率1.1集成电路（IC）的发展摩尔定律（Moore’sLaw）Min.transistorfeaturesizedecreasesby0.7Xeverythreeyears——Trueforatleast30years!

(Intel公司前董事长GordonMoore首次于1965提出)后人对摩尔定律加以扩展：

集成电路的发展每三年工艺升级一代；集成度翻二番；特征线宽约缩小30％左右；逻辑电路（以CPU为代表）的工作频率提高约30％。1.1集成电路（IC）的发展Intel公司CPU发展1.1集成电路（IC）的发展Intel公司CPU发展Yearofintroduction Transistors4004 1971 2,2508008 1972 2,5008080 1974 5,0008086 1978 29,000286 1982 120,000386 1985 275,000486DX 1989 1,180,000Pentium®

1993 3,100,000PentiumII 1997 7,500,000PentiumIII 1999 24,000,000Pentium4 2000 42,000,000单片集成电路晶体管数1.1集成电路（IC）的发展特征尺寸1.1集成电路（IC）的发展艾滋病毒红血球细胞变形虫人类头发丝巴克球电源电压1.1集成电路（IC）的发展平均每个晶体管价格1.1集成电路（IC）的发展摩尔定律还能维持多久？经过30多年，集成电路产业的发展证实了摩尔定律的正确性，但是摩尔定律还能有多长时间的生命力？集成电路的特征尺寸：

130nm→90nm→60nm→45nm→30nm→?量子效应集成电路光刻

费用急剧增加1.1集成电路（IC）的发展数十万甚至上百万美元！第一章集成电路设计概述1.2当前国际集成电路

技术发展趋势1.2当前国际集成电路技术发展趋势#1关心工艺线12英寸(300mm)0.09微米是目前量产最先进的CMOS工艺线1.2当前国际集成电路技术发展趋势1.2当前国际集成电路技术发展趋势#2

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已开始走向规模化生产；电路规模：SSISOC；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；集成电路的规模不断提高,最先进的CPU(P-IV)已超过4000万晶体管,DRAM已达Gb规模；1.2当前国际集成电路技术发展趋势1.2当前国际集成电路技术发展趋势#3集成电路的速度不断提高,人们已经用0.13mCMOS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；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；设计能力落后于工艺制造能力；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.1.2当前国际集成电路技术发展趋势第一章集成电路设计概述1.3

无生产线集成电路设计技术FablessICDesignTechniqueIDM与Fabless集成电路实现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。1.3无生产线集成电路设计技术FablessandFoundry:DefinitionWhatisFabless? ICDesignbasedonfoundries,i.e. ICDesignunitwithoutanyprocessownedbyitself.WhatisFoundry? ICmanufactorypurelysupportingfablessICdesigners,i.e. ICmanufactorywithoutanyICdesignentityofitself.1.3无生产线集成电路设计技术LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位RelationofF&F(无生产线与代工的关系)1.3无生产线集成电路设计技术①②③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,CICICC…)FICD1FICD2FICD3FICD4FICDnVICMVICMRelationofFICD&VICM&Foundry1.3无生产线集成电路设计技术RelationofFICD&VICM&FoundryDesignkitsFablessICDesign+FoundryICManufactureFablessFoundryVICM1.3无生产线集成电路设计技术第一章集成电路设计概述1.4代工工艺国内主要Foundry(代客户加工)厂家1.4代工工艺国内新建Foundry(代客户加工)厂家上海

中芯国际：8”,0.25m,2001.10

宏力：8”,0.25m,2002.10

华虹-II：8”,0.25m,筹建台积电TSMC

在松江建厂北京

首钢NEC筹建8”,0.25m天津

Motolora,8”,0.25m联华UMC

在苏州建厂1.4代工工艺境外可用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1.4代工工艺第一章集成电路设计概述1.5

芯片工程与多项目晶圆计划1.5芯片工程与多项目晶圆计划ManyICsfordifferentprojectsarelaidononemacro-ICandfabricatedonwafersThecostsofmasksandfabricationisdividedbyallusers.Thus,thecostpaidbyasingleprojectislowenoughespeciallyforR&DThe