集成电路设计流程与工艺流程.doc

超大规模集成电路课程论文 题目：集成电路设计生产及工艺流程 院 系： 物理与电子工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 年 级：三年级 学 号：2009111127 姓 名：汪星 指导老师：张婧婧 完成时间：2011年10月21日星期六集成电路设计生产及工艺流程作者：汪星指导老师：张婧婧（襄樊学院,物理与电子信息工程学院）摘要：集成电路IC（integrated circuit）是现代信息产业群的核心和基础，集成电路产业对国民经济、国家安全、人民生活和社会进步正在发挥着越来越重要的作用，因此发展我国集成电路产业对促进国民经济信息化的具有重要作用，也是信息产业发展的重中之重。集成电路设计业是集成电路产业中的一个重要环节，它是连接芯片制造和系统整机生产的纽带，是提升集成电路产品创新和整机功能的驱动器。关 键 词：发展趋势；工艺流程；IC design process and engineering technologyWriter:Wang XingDirector:Zhang Jingjing (School of Physics and Electronic Engineering,Xiangfan University)Abstract: IC (integrated circuit) industry group is the core of modern information and basis for the integrated circuit industry to the national economy, national security, peoples lives and social progress are playing an increasingly important role.Therefore, the development of national economy of Chinas IC industry has an important role of information technology, information industry is a top priority. IC design industry is an important part of industry, it is to connect the chip manufacturing and the whole production system link.IC is to enhance product innovation and drive the machine functions. In this chapter, the development of integrated circuit design first introduced the status quo and development trend, then introduced the modern IC design industry is mainly used in the design.Keywords:development tendency; technological process;0引 言集成电路简称IC，是信息产业的核心和先导，被世界各国列为国家战略工业之首。日本、韩国、台湾和今天中国大陆的经济起飞，无不是从IC工业开始。目前，中国集成电路产业已经形成了IC设计、制造、封装测试三业及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局,集成电路设计业是集成电路产业的源头，它是连接芯片制造和系统整机生产的纽带，是提升集成电路产品创新和整机功能的驱动器。因此发展我国集成电路产业是推动国民经济信息化的重要保证，也是信息产业发展的重中之重。1国内外IC的发展情况及发展趋现今世界上超大规模集成电路厂（台湾称之为晶圆厂，为叙述简便，本文以下也采用这种称谓）主要集 中分布于美国、日本、西欧 、新加坡及台湾等少数发达国家和地区，其中台湾地区占有举足轻重的地位。但由于近年来台湾地区历经地震、金融危机、政府更迭 等一系列事件影响，使得本来就存在资源匮乏、市场狭小、人心浮动的台湾岛更加动荡不安，于是乎就引发了一场晶圆厂外迁的风潮。而具有幅员辽阔、资源充足、巨大潜在市场、充沛的人力资源供给等各 方面优势的祖国大陆当然顺理成章地成为了其 首选的迁往地 。所以全国范围内的这股兴建晶圆厂的热潮就是在这种 背景下产生的。 我国IC设计业经过初步发展，产品已经开始呈现多元化。近几年在全国IC设计业销售额中，IC卡芯片所占比重一直在20%左右。其应用领域涵盖了交通、通信、银行、信息管理、石油、劳动保障、身份识别、防伪等诸多方面。主要设计企业有大唐微电子、中国化大、上海华虹、清华同方、复旦微电子等，目前他们的产品包括以8位MCU位基础的接触卡和非接触卡、32位CPU接触卡和非接触卡、RF模块及射频读写IC以及智能标签等芯片。 我国IC设计业的历史是以政府为主导，企业数量急速扩张的道路。面对世界发达国家和地区及IC列强，我国集成电路设计业无论在技术水平，还是经济规模都显得极其弱小。目前，虽然国内的IC设计公司很多，但经验规模和设计力量偏弱，主要盈利方式还是靠政府采购和行业用户，大多数IC设计公司难逃被淘汰和兼并的命运；此外，IC设计人才短缺是困扰全球IT业界的大问题，在信息产业蓬勃发展的中国显得更加突出。目前国内IC设计人员约4000人，2008年以前国内IC设计人员需求量约250000人。目前，美国Silicon Valley，IC 设计人员约4000000。我国IC设计行业发展任重而道远。2 IC设计的两种模式集成电路设计是指根据电路功能和性能的要求，在正确悬着系统弄个配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下，尽量减小芯片面积，降低设计成本，缩短设计周期，以保证全局优化，设计出满足要求的基础电路。自20世纪60年代中期集成电路产业在工业发达国家形成以来，为适应技术的发展和市场的需求，产业结构经历了三次大的变革，从三次变革中直接导致了集成电路设计业的形成。现在集成电路设计方法从大的方面可以分为两大类：正向设计和逆向设计(逆向工程)。2.1正向设计正向设计即根据产品确定的指标和要求，从电路原理或系统原理出发，通过查阅相关规定和标准，利用已有知识和能力来设计模块和电路，最后得到集成电路物理实现所需要的几何图形。一般认为正向设计具体包含了以下三种基本的设计方法：自下而上（bottom up）即结构设计方法，自上而下（top-down）设计方法和并行设计方法。仿真和调试过程是在高层次完成，避免设计反复，减少了逻辑仿真的工作量 设计过程反复较多，开发效率低，重复使用性差 。“自上向下”与“自下向上”的设计1 自下而上（bottom up）设计方法自下而上的设计方法是集成电路系统的基本设计方法，其基本思想是将复杂的系统逐层进行功能块划分和描述功能块的拓扑连接，直到用底层模块或部件来描述，当完成底层模块或部件的描述后，自下而上进行层次扩展和层次功能的仿真验证，从而完成整个系统的功能设计和验证。最后根据底层模块或部件的几何图形和拓扑关系完成布图设计和验证。虽然采用自下而上设计的系统结构清晰明了，但作为传统的系统硬件设计方法，在系统设计的早期就将系统人为地分为硬件和软件两部分，软件的开发受到硬件的严格限制，软件的设计和调试常常要在硬件设计完成之后。这种设计方法的一些缺点也是很明显，如要求设计者具有丰富的设计经验，设计过程反复较多，开发效率低，可移植性差，可继承性差，开发时间长，不易修改等等。2自上而下设计方法自上而下设计方法的思想是按从抽象到具体，从概念到实现的思路和次序进行设计的，从系统总体要求出发，自上而下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。具体实施时，首先从系统设计入手，在顶层进行功能方框图划分和结构设计，在方框图一级进行仿真和纠错，用硬件设计语言对高层次的系统行为级进行描述并在系统级进行验证，这时的设计与工艺无关。然后用逻辑综合化工具生成具体的门级逻辑电路的网表，具体过程如图所示。然后再通过布局、布线、版图设计等，得到最终生产所用的描述文件。采用自上而下的设计方法时，主要的仿真和调试过程是在高层次完成的，这有利于早期发现在结构设计上的错误，避免设计反复，同时也减少了逻辑仿真的工作量。图-1.1自上而下设计流程3并行设计方法随着工艺技术的发展，深亚微米（DSM）已经投入使用，系统级芯片的规模更大、更复杂，物理连线延迟、信号串扰和噪音等互连效应及功耗都成为影响超大规模集成电路（VLSI）产品性能的重要因素。在这种情况下，由于采用自上而下的设计方法与工艺无关的高层次行为功能设计时并不考虑物理上的互连效应和功耗等的影响，与实际情况差异较大，因而常常产生设计错误，并行设计方法正是面对这一挑战而提出来的。并行设计方法一开始就考虑产品在整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素。并行设计方法要求在进行层次功能设计的同时，进行层次物理设计规划或虚拟物理设计，充分利用各层次设计中的信息反馈，形成合理的约束集，并依此优化设计。2.2逆向设计（逆向工程）芯片反向设计（工程)是一种从人们设计的优秀芯片中提取技巧和知识的过程，是获取芯片工艺、版图、电路、设计思想等信息的一种手段。简单而言，芯片反向设计就是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理，实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉，可用来验证设计框架或者分析信息流在技术题，也可以助力新的芯片设计或者产品设计方案。通过这种逆向分析手段，我们可以帮助客户了解其他产品的设计,用于项目可行性研究、打开思路、寻找问题、成本核算等，比如：在进入新领域之前，评估、验证自己技术方案和设计思路的可行性；通过对市场上成熟产品的研究，协助解决关键性的技术问题；利用已有产品的市场资源等。芯谷芯片反向设计服务包括网表/电路图反向提取、电路层次化整理、逻辑功能分析、版图提取与设计、设计规则检查调整、逻辑版图验证、单元库替换以及工艺尺寸的缩放等方面。网表/电路图反向提取。在芯片反向设计中，网表/电路图的提取是个很大的课题，网表提取的质量和速度直接影响后续整理、仿真、LVS等方方面面的工作。我们在总结众多成功案例的基础上，依托自主研发的软件应用，可准确、快速、高质量地进行网表/电路图的提取。3芯片生产工艺流程芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序 （ Wafer Fabrication）、 晶圆针 测工 序（ Wafer Probe）、 构装工 序（Packaging）、测试工序（Initial Test and Final Test）等几个步骤。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段（Front End）工序，而构装工序、测试工序为后段（Back End）工序。3.1、晶圆处理工序 ：本工序的主要工作是在晶圆上制作电 路及电子元件（如晶体管、电容、逻 辑开 关等），其处理程序通常与产 品种类和所使用的技术有关，但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗，再在其表面进行氧化及化学气相沉积，然后进行涂膜、曝光、显影、蚀 刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤，最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。3.2、晶圆针测工序 ：经过上道工序后，晶圆上就形成了一个个的小格，即晶粒，一般情况下，为便于 测试，提高 效率，同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品；但也可根据需要制作几种不同品种、规格 的产品。在用 针测（Probe）仪对每 个晶粒检测其电气特性，并将不合格的晶粒标上记号后，将晶圆切开 ，分割成一颗颗单独的晶粒 ，再按其电气特性分类，装入不同的托盘 中，不合格的晶粒则舍弃。3.3、构装工序：就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，并 把晶粒 上蚀刻出的一些引接 线端与基座底部伸出的 插脚连接，以作为与外界电路板连接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封死。其目的是用以保护晶粒避免受到机械刮 伤或高温破坏 。到此才算制成了一块集成电路芯片（即我们在电脑里可以看到的那些黑色或褐色 ，两边或四边带有许多插脚或引线的矩形 小块）。3.4、测试工序：芯片制造的最后一道工序为测试，其又可分为一般测试和特殊测试，前者是 将封装 后的芯片置于各种环境下测试其电气特性，如消耗功率、运行速度、耐压 度等。经测试后的芯片 ，依其电气特性划分为不同等级。而特殊测试则是根据客户特殊需求 的技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性的专门测试，看是否能满足客户的特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定作降级品或废品。 4 IC逆向设计工程技术从下图中我们不难看出，在实现整个IC逆向设计的过程中涉及到很多相关的工程技术，如DRC、LVS验证等， 下面几节我们将从三个大的方面：版图分析、设计规则以及设计验证来对相关的工程技术进行介绍。芯片化学解剖、处理、分析、显微拍照将芯片进行贴图、标线进行版图工艺分析根据特定工艺进行版图设计提取电路逻辑图并仿真分析根据特定生产线进行DRC验证电路与版图比较（LVS）从版图提取SPICE网表进行晶体管级的仿真输出标准的GDSII文件 图-1.2 IC逆向设计流程 4.1版图分析集成电路的版图定义为制造集成电路时所用的掩模版上的几何图形，这些几何图形包括阱、有源区、多晶硅、N+和P+注入、接触孔以及金属层等。进行版图分析的主要目的有：一方面判断出版图使用的工艺，另一方面从版图中提取电路逻辑图，以进行相应的电路仿真。下面分别对一些常见的IC工艺加以介绍，并对如何从版图提取电路加以分析。4.2IC工艺分析IC工艺的发展是紧随着器件的发展而发展的，同时它又反作用于器件的发展，采用不同的制造工艺，器件在物理特性方面就有差异，最后表现在集成电路上就是采用不同工艺的集成电路有不同的性能，适用于不同的应用领域。现在IC工艺主要有两大主流，分别是双极工艺和MOS工艺，因为双极工艺和MOS工艺各有各的优势，因此还出现了结合两者优点而发展起来的BICMOS工艺。4.3 设计规则版图绘制是要根据一定的设计规则来进行的，所谓的设计规则就是不管制造工艺的每一步出现什么样的偏差都能保证正确制造晶体管和各种连接的一套规则，虽然设计规则有很多，但具体的可以分为四大类：1最小宽度：掩模板上定义的几何图形的宽度（和长度）必须大于一个最小值，该值是由光刻和工艺的水平决定的。比如，若矩形多晶硅连线的宽度太窄，那么由于制造偏差的影响，可能导致多晶硅的断开。 2最小间距：在同一层掩模板上，各图形之间的间隔必须大于最小间距，比如，两条多晶硅连线之间间隔太小，就可能造成短路；在某些情况下，不同层的掩模图形的间隔也必须大于最小间距，比如，一条多晶硅连线靠近晶体管的源或漏区时，此时必须要有一最小间距来保证包围晶体管的注入区与该多晶硅连线不会发生交叠。3最小包围：有时候，某些层次的掩模板是必须做在另一些层次的掩模板里面的，比如，一些器件必须做在N阱里面，这时，N阱在环绕器件时就应有足够的余量，以确保即使在出现制造偏差时，器件部分始终在N阱里面。4最小延伸：有些图形在其它图形的边缘外还应至少延长一个最小长度，以确保一些边缘区能正常工作。在设计一个版图时，需要定义好几个版图层次，只有每个版图层次都符合设计规则，整个版图才能符合设计规则。图-1.5为多晶硅层需要满足的设计规则，当然设计规则是随着厂家的不同而不同的，我们这里只是举个例子，其它层次需要满足的设计规则原理上和多晶硅层是一样的，可以照此类推。图-1.3A: 代表在N沟道器件内，多晶硅的最小宽度；B：代表在P沟道器件内，多晶硅的最小宽度；C：代表多晶硅之间的最小距离；D：代表多晶硅门超出场区的最短距离；E：代表在场区上的多晶硅到注入区边缘的距离；F：代表多晶硅门到注入区边缘的距离； 当完成一个版图的绘制时，一定要进行验证，如验证版图的每个层次是否都符合设计规则等，下一节我们将具体介绍设计验证。4.4 设计验证 上一节提到版图设计要符合一定的设计规则，因此版图设计完以后一定要对它进行设计规则检查（DRC检查），但是编辑好的版图即使通过了设计规则的检查，还是有可能存在错误。这些错误不是由于违反了设计规则，而是可能与实际线路图不一致造成。版图中少连了一根铝线这样的小毛病对整个芯片来说是致命的，所以编辑好的版图还要通过LVS（Layout Versus Schematic）验证， 下面分别就在如何进行DRC和LVS验证进行介绍。4.5 DRC验证设计规则检查用于检查版图和几何设计规则的一致性，根据设计规则的内容，我们知道DRC检查无非就是检查版图是否符合上一节中讲述的四大方面的设计规则。下面具体介绍做DRC验证的步骤：1编写DRC文件：DRC文件是一组用UNIX文本编辑器（Text Editor）编写的ASCII文件，它识别设计中的各层及Dracula执行的检验操作。Dracula的DRC文件由描述块、输入层块以及操作块构成。描述块：这部分描述了Dracula所运行的图形系统、输入输出文件名、主单元名、图形单位比例因子、分辨率等，其格式如下：PRIMARY= TOP ； 要验证模块名称PROGRAM2DIR = ； 验证工具的路径SYSTEM= GDS2 ； 版图数据格式INDISK= top. gds ； 版图数据文件RESOLUTION = 0. 01 MIC ； 版图分辨率PRINTFILE = 1vs ； 定义打印输出文件的名字MODE = EXEC NO ； 定义操作模式 KEEP DATA=INQUERY ； 把验证结果保存到INQUERY中输入层块：将系统的版图层号或层名与在本文文件中定义的符号名联系起来，此块指定的内容有：输入层号、层名、掩膜版顺序、输出层等，如下所示： NW= 1 ； 定义N 阱PN = 2 ； 定义有源区POLY= 3 ； 定义多晶硅层MET = 4 ； 定义金属层NPLU = 5 ； 定义N +PPLU = 6 ； 定义P +CONT = 8 ； 定义接触孔SUBSTRATE = SUB 100 ； 定义衬底操作块：这部分定义了要进行的检查操作，这部分往往包含逻辑运算（logical operation）,利用已有的层经过一定的逻辑运算（and,or，not,xor）,取出需要检查的层的图形，以进行DRC,检查操作包括检查图形的长度（length）、宽度（width）、间距（spacing）等。下面这一小段演示一下如何写操作块部分： not P_diff B_diff collect; and P_diff base emitter;width metal1 lt 8 output drc1;ext base lt 6 output drc1 2;enc hole lt 4 output drc1 3; 2编译规则文件：规则文件编写完成后，用PDRACULA对其进行编译，PDRACULA完成的工作包括：检查规则文件有无语法上的错误；编译无误的规则文件，将其存入文件，文件包含着递交给Dracula的命令。3运行：在命令窗口中输入并回车。4查看输出结果：当在描述块中设计KEEP DATA=INQUERY时，运行完毕，便可到版图编辑窗口中查看输出信息，并根据相应信息修改版图。4.6 LVS验证LVS