集成电路设计基础知识

1、集成电路设计基础集成电路设计基础第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述华南理工大学华南理工大学 电子与信息学院电子与信息学院广州集成电路设计中心广州集成电路设计中心殷瑞祥殷瑞祥 教授教授第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展 ICIntegrated Circuit； 集成电路是电路的单芯片实现；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；集成电路是微电子技术的核心；1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展单片半导体材料单片半导体材料元件元件连线连线I/O工艺加工工艺加

2、工应用电路系统应用电路系统晶体管的发明晶体管的发明 1946年年1月，月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：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，提出了表面态理论， Schokley给出了实现给出了实现放大器的基本设想，放大器的基本设想，Brattain设计了实验；设计了实验； 1947年年12月月23日，第一次观测到了具有放大作用的日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；晶体管； 1947年年12月月23日第一个点接触式日第一个点接触式NPN Ge晶体管晶体管发明者：发明者： W. Sch

3、okley J. Bardeen W. Brattain1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路的发明集成电路的发明 1952年年5月，英国科学家月，英国科学家G. W. A. Dummer第一次第一次提出了集成电路的设想。提出了集成电路的设想。 1958年以德克萨斯仪器公司（年以德克萨斯仪器公司（TI）的科学家基尔比）的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于块集成电路，并于1959年公布了该结果。年公布了该结果。锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共12个器个

4、器件，用超声焊接引线将器件连起来。件，用超声焊接引线将器件连起来。1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路的发明集成电路的发明 平面工艺的发明平面工艺的发明1959年年7月，月， 美国美国Fairchild 公司的公司的Noyce发明第一发明第一块单片集成电路：块单片集成电路：利用二氧化硅膜制成平面晶体管，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导电膜作为元器件间的电连接(布线布线)。这是单片集成电路的雏形，是与现在的硅集成电路这是单片集成电路的雏形，是与现在的硅集成电路直接

5、有关的发明。将平面技术、照相腐蚀和布线技直接有关的发明。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。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（集成电路（IC）的发展）的发展第一块单片集成电路第一块单片集成电路集成电路发展史上的几个里程碑集成电路发展史上的几个里程碑 1962年年Wanlass、C. T. SahCMOS技术技术现在集成电路产业中占现在集成电路产业中占95%以上以上 1967年年Kahng、S. Sze 非挥发存储器非挥发存储器 1968年年Dennard单晶体管单晶体管DRAM 1971年年Intel公司生产出第一个公司生产出第一个微

6、处理器芯片微处理器芯片4004计算机的心脏计算机的心脏 目前全世界微机总量约目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽带连接和智能软件将泰克公司认为：微处理器、宽带连接和智能软件将是是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新。世纪改变人类社会和经济的三大技术创新。1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路的发展水平的标志集成电路的发展水平的标志 IC加工工艺的特征尺寸加工工艺的特征尺寸(MOS晶体管的最小栅长、最小金属线宽晶体管的最小栅长、最小

7、金属线宽) 集成度集成度（元件（元件/芯片）芯片） 生产生产IC所用的硅片的直径所用的硅片的直径（6、8、12英寸）英寸） 芯片的速度芯片的速度(时钟频率时钟频率)1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路的发展集成电路的发展 小规模集成（小规模集成（SSI）中规模集成（中规模集成（MSI）大规大规模集成（模集成（LSI）超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI)特大特大规模集成电路规模集成电路(ULSI)GSI SoC 。1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路的发展集成电路的发展1990年代以后年代以后, 工艺从亚微米工艺从亚微米(0.5到到1微米微米)深亚

8、微米深亚微米(小于小于0.5 m)超深亚微米超深亚微米(小于小于0.25 m ，目前已经到了，目前已经到了0.06 m)发展。其主要特点：发展。其主要特点： 特征尺寸越来越小（最小的特征尺寸越来越小（最小的MOS管栅长或者连线宽度）管栅长或者连线宽度） 芯片尺寸越来越大（芯片尺寸越来越大（die size） 单片上的晶体管数越来越多单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快时钟速度越来越快 电源电压越来越低电源电压越来越低 布线层数越来越多布线层数越来越多 I/O引线越来越多引线越来越多1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路发展规划（集成电路发展规划（1997）0.180.1

9、50.130.100.070.01256M1G1G4G4G16G64G256G晶体管数量晶体管数量(M)112140762005201400芯片尺寸芯片尺寸(mm2)300340385430520620750时钟频率时钟频率(MHz)750120014001600200025003000金属层数金属层数6677778899最低供电电压最低供电电压(V)1.8-2.51.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6最大硅片直径最大硅片直径(mm)2008吋吋30012吋吋30012吋吋30012吋吋30012吋吋45018吋吋45018吋吋1.1 集成电路（集

10、成电路（IC）的发展）的发展集成电路工艺特征尺寸集成电路工艺特征尺寸1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展单个芯片上的晶体管数单个芯片上的晶体管数1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路芯片面积集成电路芯片面积1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路的电源电压集成电路的电源电压1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展集成电路的时钟频率集成电路的时钟频率1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展摩尔定律（摩尔定律（Moores Law） Min. transistor feature size decreases by 0.7X every

11、 three yearsTrue for at least 30 years! (Intel公司前董事长公司前董事长Gordon Moore首次于首次于1965提出提出) 后人对摩尔定律加以扩展：后人对摩尔定律加以扩展：集成电路的发展每三年集成电路的发展每三年 工艺升级一代；工艺升级一代； 集成度翻二番；集成度翻二番； 特征线宽约缩小特征线宽约缩小30左右；左右； 逻辑电路（以逻辑电路（以CPU为代表）的工作频率提高约为代表）的工作频率提高约30。1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展Intel公司公司CPU发展发展1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展Intel公司公司C

12、PU发展发展 Year of introductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,0003861985275,000486DX 19891,180,000Pentium 19933,100,000Pentium II 19977,500,000Pentium III 199924,000,000Pentium 4 200042,000,000单片集成电路晶体管数单片集成电路晶体管数1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展特征尺寸特征尺寸1.1 集成电路（集成电路（I

13、C）的发展）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电源电压1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展平均每个晶体管价格平均每个晶体管价格1.1 集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展摩尔定律还能维持多久？摩尔定律还能维持多久？ 经过经过30多年，集成电路产业的发展证实了摩尔定律的多年，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？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：集成电路的特征尺寸： 130nm90nm60nm45nm30nm?量子效应量子效应 集成电路光刻集成电路光刻费用急剧增加费用急剧增加1.1

14、集成电路（集成电路（IC）的发展）的发展数十万甚至上数十万甚至上百万美元！百万美元！第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.2 当前国际集成电路当前国际集成电路技术发展趋势技术发展趋势 1.2 当前国际集成电路技术发展趋势当前国际集成电路技术发展趋势 #1关心工艺线关心工艺线12英寸英寸(300mm) 0.09微米是目前微米是目前量 产 最 先 进 的量 产 最 先 进 的CMOS工艺线工艺线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当前国际集成电路技术发展趋势 #2 特征尺寸：微米特征尺寸：微米亚微米亚微米深亚微米，目前的主深亚微米，目前的主流工艺是流

15、工艺是0.35、0.25和和0.18 m，0.15和和 0.13 m已开已开始走向规模化生产；始走向规模化生产； 电路规模：电路规模：SSISOC； 晶圆的尺寸增加晶圆的尺寸增加, 当前的主流晶圆的尺寸为当前的主流晶圆的尺寸为8英寸英寸, 正在向正在向12英寸晶圆迈进；英寸晶圆迈进； 集成电路的规模不断提高集成电路的规模不断提高, 最先进的最先进的CPU(P-IV)已已超过超过4000万晶体管万晶体管, DRAM已达已达Gb规模；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集成电路的速度不断提高, 人们

16、已经用人们已经用0.13 m CMOS工艺做出了主时钟达工艺做出了主时钟达2GHz的的CPU ； 10Gbit/s的高速电路和的高速电路和6GHz的射频电路；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；成为开发目标； 设计能力落后于工艺制造能力；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电路设计、工艺制造、封装的分立运行为发展无生产线产线(Fabless)和无芯片和无芯片(Chipless)集成电路设计提供集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识经济

17、提供了条件了条件，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第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.3 无生产线集成电路设计技术无生产线集成电路设计技术Fabless IC Design TechniqueIDM与与Fabless集成电路实现集成电路实现 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，称之为一体化是集中在半导体生产厂家内进行的，称之为一体化制造制造 (IDM，Integrated Device Manufacture)的集的集成电路实现模式。成电路实现模式。 近十年

18、以来，电路设计、工艺制造和封装开始分立近十年以来，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（运行，这为发展无生产线（Fabless）集成电路设）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计提供了条件，为微电子领域发展知识经济提供了条件。条件。1.3 无生产线集成电路设计技术Fabless and Foundry: DefinitionWhat is Fabless?IC Design based on foundries, i.e.IC Design unit without any process owned by itself.What is Foundry?IC

19、 manufactory purely supporting fabless IC designers, i.e.IC manufactory without any IC design entity of itself.1.3 无生产线集成电路设计技术LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位Relation of F&F(无生产线与代工的关系无生产线与代工的关系)1.3 无生产线集成电路设计技术无生产线无生产线IC设计设计- -虚拟制造虚拟制造- -代工制造代工制造Foundry IFoundry IIFICD: fable

20、ss IC designerVICM: virtual IC manufacture(虚拟制造虚拟制造) ( MOSIS, CMP, VDEC, CIC ICC)FICD 1FICD 2FICD 3FICD 4FICD nVICMVICMRelation of FICD&VICM&Foundry1.3 无生产线集成电路设计技术Relation of FICD&VICM&FoundryDesignkitsFabless IC Design + Foundry IC ManufactureFablessFoundryVICM1.3 无生产线集成电路设计技术第一章第一

21、章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.4 代工工艺代工工艺国内主要国内主要Foundry(代客户加工代客户加工)厂家厂家1.4 代工工艺国内新建国内新建Foundry(代客户加工代客户加工)厂家厂家 上海上海中芯国际：中芯国际：8 8”,0.25,0.25 m, 2001.10m, 2001.10宏宏 力：力：8 8”,0.25,0.25 m, 2002.10m, 2002.10华虹华虹 -II-II：8 8”,0.25,0.25 m, m, 筹建筹建 台积电台积电TSMCTSMC在松江建厂在松江建厂 北京北京首钢首钢NECNEC筹建筹建8 8”,0.25,0.25 m m 天津天津Moto

22、lora, Motolora, 8 8”,0.25,0.25 m m 联华联华UMCUMC在苏州建厂在苏州建厂1.4 代工工艺境外可用境外可用Foundry工艺厂家工艺厂家Peregrine(SOI/SOS)Vitesse(GaAs/InP)IBM/Jazz(SiGe)OMMIC(GaAs)Win(稳懋稳懋)(GaAs)Agilent(CMOS)AMS(CMOS/BiCMOS)UMC(联华联华)(CMOS/BiCMOS)OrbitSTM(CMOS/BiCMOS)Dongbu(东部东部)Chartered(特许特许)(CMOS/BiCMOS)TSMC(台积电台积电)(CMOS/BiCMOS)美国

23、美国欧洲欧洲韩国韩国新加坡新加坡台湾台湾1.4 代工工艺第一章第一章 集成电路设计概述集成电路设计概述1.5 芯片工程与多项目晶圆计划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芯片工程与多项目晶圆计划Many ICs for different projects are laid on one macro-IC and fabricated on wafersThe costs of masks and fabrication is divided by all users. Thus, the cost paid by a single project is low enoug

24、h especially for R&DThe risk of the ICs R&D becomes low Single ICMacro-IC MPW (layout) (layout/masks)(wafermacro-chip single chip)1.5 芯片工程与多项目晶圆计划Chip1Chip1Chip6Chip2Chip5Chip4Chip3$30 000$30 00050万元万元 单独获得单独获得CIDC支持支持多套多套Panda20005万元万元 高校联合参加高校联合参加“中国芯片中国芯片”工程工程多套完整的国内外多套完整的国内外EDA工具工具10万元万元(?) 最低可能的一套可设计最低可能的一套可设计IC软件软件: 2000元元(!)(DSCH+Microwind)1.5 1.5 芯片工程与多项目晶圆计划芯片工程与多项目晶圆计划集成电路设计技术的内容集成电路设计技