集成电路技术简介

张长春副教授[e-mail]集成电路技术简介©2014NJUPT2Confidentiall集成电路与微电子微电子广义与狭义材料与物理器件与工艺电路与系统集成电路设计工艺电路系统工具©2014NJUPT3Confidentiall内容集成电路的出现集成电路的产业分工集成电路的分类集成电路的设计集成电路制造集成电路的封装集成电路的测试©2014NJUPT4Confidentiall电子管vs.晶体管•最早的电子计算机18000个电子管，1500个继电器，占地150m2,重30吨，耗电140kW©2014NJUPT5Confidentiall电子管vs.晶体管©2014NJUPT6Confidentiall分立vs集成©2014NJUPT7Confidentiall第一个晶体管JohnBardeenWilliamBradfordShockleyWalterHouserBrattain第一个晶体管1947年12月23日贝尔实验室©2014NJUPT8Confidentiall1958年第一块集成电路：12个器件，Ge晶片Kilby,TI公司2000年诺贝尔物理奖第一块集成电路©2014NJUPT9Confidentiall摩尔定律IC上可容纳的晶体管数目，约每18个月便会增加一倍，性能也提升一倍微米时代3um-2um-1.2um-亚微米时代0.8um-0.5um-深亚微米时代0.35um-0.25um-0.18um-0.13um-纳米时代90nm-65nm-45nm-32nm©2014NJUPT10Confidentiall集成电路的尺寸©2014NJUPT11ConfidentiallUSB闪存汽车电子音响设备DVD播放器手机电视游戏机视频电话流媒体高清影像各种IC相关产品无处不在©2014NJUPT12Confidentiall3C概念其他,729.7,22%计算机类,1329.4,40%通信类,613.4,18%消费类,669.5,20%集成电路市场按整机应用划分，可分为计算机类、消费类、通信类等不同类别。这三类占了整个市场的78%。集成电路市场产品构成©2014NJUPT13Confidentiall内容集成电路的出现集成电路的产业分工集成电路的分类集成电路的设计集成电路制造集成电路的封装集成电路的测试©2014NJUPT14Confidentiall产业链整机系统提出应用需求集成电路设计•计算机与网络、通信（有线、无线、光通信、卫星通信）•数字音视频（电视机、视盘机DVD、MP3播放器、音响……）•IC卡（身份认证）与电子标签、汽车电子、生物电子、工业自动化…•EDA工具、服务器、个人计算机(PC)、工程技术人员……集成电路制造•厂房、动力、材料（硅片、化合物半导体材料）、专用设备、仪器（光刻机、刻蚀机、注入机…©2014NJUPT15Confidentiall集成电路封装集成电路测试•划片机、粘片机、键合机、包封机、切筋打弯机、芯片、塑封料、引线框架、金丝………•测试设备、测试程序、测试夹具、测试探针卡、测试、分选、包装……集成电路应用•电脑及网络、通信及终端（手机）、电视机、DVD、数码相机、其他©2014NJUPT16ConfidentiallTestAssemblyFoundryIDMFabICDesignIPVendorSystemSystemICDesignIDMFabTestAssemblyFoundrySystemICDesignIDMFabAssemblyTestSystemICDesignIDMFabAssemblyTestSystemICDesignIDMFabAssemblyTest1970年代之前1980年代至1990年代1990年代之後SystemIC-ASSPIC-ASICSOC-IP系統廠商為主IDM廠商為主Fabless為主晶圓代工為主IP廠商為主产业分工©2014NJUPT17Confidentiall产业分工IC产业主要由设计业、制造业、封测业组成设计封装测试制造除此之外，还有半导体材料、设备、设计软件工具等附加产业©2014NJUPT18Confidentiall0.010.11101980198519901995200020052010微米芯片复杂度栅长58%/年20%/人年设计产率差距增大10G1G100M10M1M100K10K1K集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率Fabless&Foundry©2014NJUPT19Confidentiall•无生产线（Fabless）：IC设计单位不拥有生产线。拥有设计人才和技术•代工（Foundry）：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。•流片：完成芯片的流水式加工，将版图数据定义的图形最终有序地固化到芯片上的过程。Fabless&Foundry©2014NJUPT20Confidentiall无生产线与代工（F&F）的关系图Fabless&Foundry©2014NJUPT21Confidentiall•Step1：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。•Step2：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。•Step3：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。•Step4：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”•Step5：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。Fabless&Foundry©2014NJUPT22Confidentiall67%13%18%2%AsiaNorthAmericaJapanEuropeFoundry业务地区分布Fabless&Foundry©2014NJUPT23ConfidentiallMPW：将几到几十种工艺上兼容的芯片拼装到一个宏芯片上然后以步进的方式排列到一到多个晶圆上MPW意义：•降低研制成本•MPW技术服务中心成为虚拟中心为无生产线IC和代工制造之间建立信息流和物流的多条公共渠道多项目晶圆（MPW）计划©2014NJUPT24ConfidentiallMPW技术降低成本多项目晶圆（MPW）计划©2014NJUPT25ConfidentiallMPW技术服务中心成为虚拟中心FICD1FICD1FICD1FICD1FICD1MPWFoundryⅠFoundryⅡFoundryⅢ多项目晶圆（MPW）计划©2014NJUPT26Confidentiall•1956年五校在北大联合创建半导体专业；•1977年北京大学诞生第一块大规模集成电路；•1982年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组；•80年代：初步形成三业分离状态，制造业、设计业、封装业；•2001年：成立7个国家集成电路产业化基地•北京、上海、深圳、杭州、无锡、西安、成都我国微电子技术的发展©2014NJUPT27Confidentiall我国半导体产业主要集聚地区©2014NJUPT28Confidentiall67%17%13%3%上海江苏北京浙江我国IC制造骨干企业地区分布我国微电子技术的发展©2014NJUPT29Confidentiall内容集成电路的出现集成电路的产业分工集成电路的分类集成电路的设计集成电路制造集成电路的封装集成电路的测试©2014NJUPT30Confidentiall集成电路的分类数字集成电路模拟集成电路射频集成电路微波/毫米波集成电路定制(CustomDesign)人工设计，设计周期长，高性能，高集成度微处理器，模拟电路，IP核…标准单元(StandardCell)预先设计好的标准单元，设计周期短，性能较好专用电路(ASIC)可编程逻辑器件(FPGA/PLD)预先生产的芯片，设计周期最短，低研发成本原形验证(Prototyping)，可重构计算根据电路类型：根据设计方法：©2014NJUPT31Confidentiall©2014NJUPT32Confidentiall集成电路设计方法的比较全定制标准单元可编程逻辑器件单片成本低高开发费用高低开发周期长短©2014NJUPT33Confidentiall内容集成电路的出现集成电路的产业分工集成电路的分类集成电路的设计集成电路制造集成电路的封装集成电路的测试©2014NJUPT34Confidentiall模拟集成电路设计流程模拟电路设计晶体管级原理图设计前仿真布局布线(Layout)物理规则验证(DRC:DesignRuleCheck)与电路图一致性验证(LVS:Layoutvs.Schematic)寄生参数提取(PE:ParasiticalExtraction)后仿真GDSII文件CMOS、双极(Bipolar)、Bi-CMOS©2014NJUPT35Confidentiall数字集成电路设计流程数字电路设计Verilog/VHDL进行行为级功能设计行为级功能仿真综合(Synthesis)门级verilog仿真布局布线(LAYOUT)物理规则验证(DRC:DesignRuleCheck)与电路图一致性验证(LVS:Layoutvs.Schematic)GDSII文件CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)数字集成电路设计流程©2014NJUPT36Confidentiall电路设计抽象级别使能电路上电复位电路发送控制电路输出驱动电路基准源共模反馈电路偏置电路ENABLEENABLEDINOUT1OUT2结构级系统级晶体管级器件物理级©2014NJUPT37Confidentiall内容集成电路的出现集成电路的产业分工集成电路的分类集成电路的设计集成电路制造集成电路的封装集成电路的测试©2014NJUPT38Confidentiall©2014NJUPT39Confidentiall集成电路材料©2014NJUPT40Confidentiall集成电路制造©2014NJUPT41Confidentiall集成电路制造数字电路数模混合电路现代模拟电路现代IC设计绝大多数采用CMOS工艺©2014NJUPT42Confidentiall集成电路制造Metal-1IMD-10.18umprocessStructure0.18umprocessStructureMetal-3HDPoxidePassivationPESiNA-SiPwellNAPTNwellPAPTVTPPolyPSDNSDNSDNSDPSDPSD