1-1集成电路版图设计概述

第一章集成电路设计概述1.1集成电路（IC）的发展芯片，现代社会的基石PDA：掌上电脑内存条手机计算机主板数码相机集成电路IntegratedCircuit，缩写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，执行特定电路或系统功能的一种器件。集成电路芯片显微照片集成电路芯片键合各种封装好的集成电路晶体管的发明•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.Brattain•Bardeen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。第一块单片集成电路集成电路中几个重要的参数•特征尺寸：集成电路器件中最细线条的宽度，对MOS器件常指栅极所决定的沟导几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸。反映了集成电路版图图形的精细程度，特征尺寸的减少主要取决于光刻技术的改进（光刻最小特征尺寸与曝光所用波长）。•硅园片直径：考虑到集成电路的流片成品率和生产成本，每个硅园片上的管芯数保持在300个左右。现代集成电路发展的特点：特征尺寸越来越小（45nm）硅圆片尺寸越来越大（8inch~12inch）芯片集成度越来越大（2000K）时钟速度越来越高（500MHz）电源电压/单位功耗越来越低（1.0V）布线层数/I/0引脚越来越多（9层/1200）集成电路的发展年份1989年1993年1997年2001年特征尺寸1.0µm0.6µm0.35µm0.18µm水平标志微米（M）亚微米（SM）深亚微米（DSM）超深亚微米（VDSM）表1CMOS工艺特征尺寸发展进程集成电路的发展•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。工艺SSIMSILSIVLSIULSIGSISoC元件数102102~103103~104104~106106~1071075×107门数1010~102102~103103~105105~1061065×106年代1961196619711980199020002003典型产品集成门、触发器计数器加法器8bMCUROMRAM16-32bitMCUDSPP3CPUP4CPUIC在各个发展阶段的主要特征数据发展阶段主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数/芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽(um)10-55-33-11速度功耗乘积(uj)102-1010-11-10-210-2栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积(mm2)1010-2525-5050-100被加工硅片直径(mm)50-75100-125150150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％。Intel公司CPU发展Intel公司CPU发展YearofintroductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,0003861985275,000486DX19891,180,000Pentium®19933,100,000PentiumII19977,500,000PentiumIII199924,000,000Pentium4200042,000,000Intel公司第一代CPU—4004电路规模：2300个晶体管生产工艺：10um最快速度：108KHzIntel公司CPU—386TM电路规模：275,000个晶体管生产工艺：1.5um最快速度：33MHzIntel公司最新一代CPU—Pentium®4电路规模：4千2百万个晶体管生产工艺：0.13um最快速度：2.4GHz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数十万甚至上百万美元！–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集成电路的分类一、按器件结构类型分类1、双极集成电路通常由NPN和PNP两种类型的双极性性晶体管组成，优点：速度快，驱动能力强缺点：功耗较大，集成度低2、金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管构成，包含NMOS和PMOS中的一种或两种类型优点：输入阻抗高，功耗低，抗干扰能力强且适合大规模集成CMOS：包含互补的NMOS和PMOS两类器件，静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为高低电源电压、上升和下降时间处于同数量级（广泛应用，成为当前集成电路的主流之一）3、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。管芯中大部分采用CMOS，外围接口采用双极型Bipolar，做到功耗低、密度大，电路输出驱动电流大集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类别数字集成电路模拟集成电路MOSIC双极ICSSI10210030MSI10210310050030100LSI1031055002000100300VLSI1051072000300ULSI107109GSI109按晶体管数目划分的集成电路规模二、按集成度分类•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。•混合集成电路厚膜集成电路用丝网漏印、高温烧结成膜、等离子喷涂等厚膜技术将组成电路的电子元器件以膜的形式制作在绝缘基片上所构成的集成电路薄膜集成电路用真空蒸发、溅射、光刻为基本工艺的薄膜技术三、按使用的基片材料分类混合集成电路：从半导体集成电路、厚膜集成电路、薄膜集成电路、分立元器件中任取两种或两种以上电路封装在一个模块中完成一定的电路功能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)转换器和模数(A/D)转换器等。四、按电路的功能分类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。74系列，4000系列,Memory芯片，CPU芯片等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。玩具狗芯片；通信卫星芯片；计算机工作站CPU中存储器与微处理器间的接口芯片五、按应用领域分类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LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位RelationofF&F(无生产线与代工的关系)①②③国内主要Foundry(代客户加工)厂家厂家工艺备注华晶上华0.6mCMOS4mBiCMOS纯代工,已可用上海先进1mCMOS已可用上海贝岭CMOS已可用华虹NEC0.5/0.35mCMOS已可用华越2m双极性硅已可用首钢NEC1.2/0.8mCMOS可用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”,0.25m,2001.10宏力：8”,0.25m,2002.10华虹-II：8”,0.25m,筹建•台积电TSMC在松江建厂•北京首钢NEC筹建8”,0.25m•天津Motolora,8”,0.25m•联华UMC在苏州建厂境外可用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芯片工程与多项目晶圆计划•ManyICsfordifferentprojectsarelaidononemacro-ICandfabricatedonwafers•Thecostsofmasksandfabricationisdividedbyallusers.Thus,thecostpaidbyasingleprojectislowenoughespeciallyforR&D•TheriskoftheIC’sR&DbecomeslowSingleICMacro-ICMPW(layout)(layout/masks)(wafermacro-chipsinglechip)Chip1Chip1Chip6Chip2Chip5Chip4Chip3$30000$30000$5000MPW:cost多项目晶圆技术降低研发成本集成电路设计需要的知识范围•系统知识计算机/通信/信息/控制学科•电路知识更多的