集成电路设计

1、集成电路设计基础集成电路设计基础莫冰华侨大学电子工程系厦门市专用集成电路系统重点实验室 E-mail：2本课程简介l集成电路设计概诉集成电路设计概诉l集成电路材料、结构和理论集成电路材料、结构和理论l集成电路基本工艺集成电路基本工艺l集成电路器件工艺集成电路器件工艺lMOSMOS管的特性管的特性l集成电路器件及集成电路器件及SPICESPICE模型模型lSPICESPICE数模混合仿真程序的设计流程方法数模混合仿真程序的设计流程方法l集成电路版图设计集成电路版图设计l模拟集成电路基本单元模拟集成电路基本单元l数字集成电路基本单元数字集成电路基本单元l数字集成系统设计基础数字集成系统设计基础本课

2、程简介l考试成绩：平时成绩(30%)+期末成绩(70%)l平时成绩：不定期点名+不定期课堂测验 芯片，现代社会的基石 内存条 主板手机数码相机数码DV计算机集成电路 Integrated Circuit Integrated Circuit ，缩写，缩写ICIC IC IC是通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、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，源器件，按照一定的电路互连，“集成集成”在在一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装一块半导体晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路

3、或系统功能的在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。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l19461946年年1 1月，月，BellBell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. W. SchokleySchokley，J. BardeenJ. Bardeen、W. H. BrattainW. H. BrattainlBardeenBardeen提出了表面态理论，提出了表面态理论， SchokleySchokley给出了实现放大器的基给出了实现放大器的基本设想，本设想，BrattainBrattain设计了实验；设计

4、了实验；l19471947年年1212月月2323日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；l19471947年年1212月月2323日第一个点接触式日第一个点接触式NPN GeNPN Ge晶体管晶体管发明者：发明者： W. Schokley J. Bardeen W. BrattainW. Schokley J. Bardeen W. Brattain获得1956年Nobel物理奖集成电路的发明l19521952年年5 5月，英国科学家月，英国科学家G. W. A. DummerG. W. A. Dummer第一次提出第一次提出了集成电路的设想。了集成电

5、路的设想。l19581958年以德克萨斯仪器公司（年以德克萨斯仪器公司（TITI）的科学家基尔比）的科学家基尔比(Clair Kilby)(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19591959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1212个器件，个器件，用超声焊接引线将器件连起来。用超声焊接引线将器件连起来。集成电路的发明l平面工艺的发明平面工艺的发明19591959年年7 7月，月， 美国美国Fairchild Fairchild 公司的公

6、司的NoyceNoyce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导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直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。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l特

7、征尺寸：特征尺寸： 集成电路器件中最细线条的宽度，对集成电路器件中最细线条的宽度，对MOSMOS器件常指栅极所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。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）。波长）。l硅园片直径：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的管芯数保持在

8、300300个左右。个左右。 现代集成电路发展的特点：特征尺寸越来越小（特征尺寸越来越小（45nm45nm）硅圆片尺寸越来越大（硅圆片尺寸越来越大（8inch12inch8inch12inch）芯片集成度越来越大（芯片集成度越来越大（2000K2000K）时钟速度越来越高（时钟速度越来越高（ 500MHz500MHz）电源电压电源电压/ /单位功耗越来越低（单位功耗越来越低（1.0V1.0V）布线层数布线层数/I/0/I/0引脚越来越多（引脚越来越多（9 9层层/1200/1200）集成电路的发展 年份1989年1993年1997年2001年特征尺寸1.0m0.6m0.35m0.18m水平标志

9、微米（M）亚微米（SM）深亚微米（DSM）超深亚微米（VDSM）表表1 CMOS1 CMOS工艺特征尺寸发展进程工艺特征尺寸发展进程 集成电路的发展l小规模集成（小规模集成（SSISSI）中规模集成（中规模集成（MSIMSI）大大规模集成（规模集成（LSILSI）超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI)(VLSI)特大规模集成电路特大规模集成电路(ULSI)(ULSI)GSI SoCGSI SoC 。IC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)元件数元件数/芯片芯片102-103103-105105-1071

10、07-108特征线宽特征线宽(um)10-55-33-11速度功耗乘积速度功耗乘积(uj)102-1010-11-10-210-2栅氧化层厚度栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积芯片面积(mm2)150摩尔定律（Moores Law）lMin. transistor feature size decreases by 0.7X every three yearsTrue for at least 30 years! (Intel公司前董事长Gordon Moore首次于1965提出)l后人

11、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 Year of introductionTransistors400419712,250800819722,500808019745,0008086197829,0002861982120,0003861985275,000486DX 19891,180,000Pentium 19933,100,000Pentium II 19977,500,000Pentium III 199924,000,000Pen

12、tium 4 200042,000,000vIntel Intel 公司第一代公司第一代CPUCPU40044004电路规模：电路规模：2300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um最快速度：最快速度：108KHzvIntel Intel 公司公司CPUCPU386TM386TM电路规模：电路规模：275,000个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：1.5um最快速度：最快速度：33MHzvIntel Intel 公司最新一代公司最新一代CPUCPUPentium 4Pentium 4电路规模：电路规模：4千千2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺：生产工艺：0.13um最快速度：最快速度：2

13、.4GHz摩尔定律还能维持多久？l经过经过3030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？l集成电路的特征尺寸：集成电路的特征尺寸：l 130nm90nm60nm130nm90nm60nm45nm30nm?45nm30nm?量子效应量子效应l集成电路光刻集成电路光刻费用急剧增加费用急剧增加数十万甚至上数十万甚至上百万美元！百万美元！器件结构类型器件结构类型集成度集成度使用的基片材料使用的基片材料电路的功能电路的功能应用领域应用领域1.2 集成电路的分类一、按器件结构类

14、型分类1 1、双极集成电路双极集成电路通常由通常由NPNNPN和和PNPPNP两种类型的双极性性晶体管组成，两种类型的双极性性晶体管组成，优点：速度快，驱动能力强优点：速度快，驱动能力强缺点：功耗较大，集成度低缺点：功耗较大，集成度低2 2、金属、金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体(MOS)(MOS)集成电路：集成电路：主要由主要由MOSMOS晶体管构成晶体管构成 ，包含，包含NMOSNMOS和和PMOSPMOS中的一种或两种类型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优点：输入阻抗高，功耗低，抗干扰能力强且适合大规模集成CMOSCMOS：包含互补的：包含

15、互补的NMOSNMOS和和PMOSPMOS两类器件，静态功耗几乎为零，输出逻辑两类器件，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）为当前集成电路的主流之一）3 3、双极、双极-MOS(BiMOS)-MOS(BiMOS)集成电路：集成电路：是同时包括双极和是同时包括双极和MOSMOS晶体管的集成电路。综合了双极和晶体管的集成电路。综合了双极和MOSMOS器件两者器件两者优点，但制作工艺复杂。优点，但制作工艺复杂。 管芯中大部分采用管芯中大部分采用CMOSCMOS，

16、外围接口采用双极，外围接口采用双极型型BipolarBipolar，做到功耗低、密度大，电路输出驱动电流大，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集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目类类 别别数字集成电路数字集成电路模拟集成电路模拟集成电路MOS ICMOS IC双极双极ICICSSISSI10102 21001003020002000300300ULSIULSI10107 710109 9GSIGSI10109 9按晶体管数目划分的集成电路规模按晶体管数目划分的集成电路规模 二、按集成度分类 单片集成电路单片集成电路 是指电路中所有的元器件都

17、制作在同一块半导体基片上的集成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，除此之外还有外还有GaAsGaAs等。等。 混合集成电路混合集成电路 1.1.厚膜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的集成电路2.薄膜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用真空蒸发、溅射、光刻

18、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 数字集成电路数字集成电路(Digital IC)(Digital IC)： 是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进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。行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。 模拟集成电路模拟集成电路(Analog IC)(

19、Analog IC)： 是指处理模拟信号是指处理模拟信号( (连续变化的信号连续变化的信号) )的集成电路，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、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。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。非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。 数模混合集成电路数模混合集成电路(Digital - Analog IC) (Digital - Analog IC) ： 例如例如 数模数模(D/A)(D/A)转换器和模

20、数转换器和模数(A/D)(A/D)转换器等。转换器等。四、按电路的功能分类v 标准通用集成电路标准通用集成电路 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的标准系列产品. .这类产品往往集成度不高这类产品往往集成度不高, ,然而社会需然而社会需求量大求量大, ,通用性强通用性强. .7474系列系列,4000,4000系列系列, Memory, Memory芯片，芯片，CPU CPU 芯片等芯片等v 专用集成电路专用集成电路 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成电

21、路简称ASICASIC，其特点是集成度较高功能较多，功耗，其特点是集成度较高功能较多，功耗较小，封装形式多样。较小，封装形式多样。玩具狗芯片；玩具狗芯片； 通信卫星芯片；通信卫星芯片；计算机工作站计算机工作站CPUCPU中存储器与微处理器间的接口芯片中存储器与微处理器间的接口芯片五、按应用领域分类1.3 无生产线集成电路设计技术Fabless IC Design TechniqueIDM与Fabless集成电路实现l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

22、制造 (IDM(IDM，Integrated Device Manufacture)Integrated Device Manufacture)的的集成电路实现模式。集成电路实现模式。l近十年以来，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（FablessFabless）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。LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位Relation of F

23、&F(无生产线与代工的关系)国内主要Foundry(代客户加工)厂家国内新建Foundry(代客户加工)厂家l上海上海中芯国际：中芯国际：8 8”,0.25,0.25 m, 2001.10m, 2001.10；1212英寸英寸宏宏 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, 已建已建l台积电台积电TSMCTSMC在松江建厂在松江建厂l北京北京首钢首钢NECNEC筹建筹建8 8”,0.25,0.25 m ml天津天津Motolora, Motolora, 8 8”,0.25,0.25 m

24、ml联华联华UMCUMC在苏州建厂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)美国美国欧洲欧洲韩国韩国新加坡新加坡台湾台湾芯片工程与多项目晶圆计划lMany ICs for dif

25、ferent projects are laid on one macro-IC and fabricated on waferslThe costs of masks and fabrication is divided by all users. Thus, the cost paid by a single project is low enough especially for R&DlThe risk of the ICs R&D becomes low Single IC Macro-IC MPW (layout) (layout/masks)(wafermacro

26、-chip single chip)Chip1Chip1Chip6Chip2Chip5Chip4Chip3$30 000$30 000100M),(100M),当加上编程电当加上编程电压时，则建立低电阻压时，则建立低电阻(500)(500)，处于永久的导通状态，因而是一次性编程的，处于永久的导通状态，因而是一次性编程的2.U/EPROM2.U/EPROM编程器件，即紫外线擦除编程器件，即紫外线擦除/ /电可编程电可编程器件，大多数器件，大多数FPGAFPGA和和CPLDCPLD用这种编程方式，用这种编程方式， 在器件外壳上有透明的石英窗口，用紫外线在器件外壳上有透明的石英窗口，用紫外线（或（或

27、X X射线）照射，即可完成擦除操作。射线）照射，即可完成擦除操作。3.E2PROM3.E2PROM编程器件，即电擦写编程器件。编程器件，即电擦写编程器件。GALGAL器器件用这种编程方式件用这种编程方式4.SRAM4.SRAM编程器件。编程器件。XilinxXilinx公司的公司的FPGAFPGA是这类器是这类器件的代表件的代表输入电路输入电路 与与 阵列阵列 或或 阵列阵列输出电路输出电路.可编程逻辑器件的结构可编程逻辑器件的结构与阵列和或阵列是与阵列和或阵列是PLD器件的主体，逻辑函数靠它们实现器件的主体，逻辑函数靠它们实现可编程逻辑器件的结构可编程逻辑器件的结构与或阵列在与或阵列在PLD

28、PLD器件中只能实现组合逻辑电路的功能，器件中只能实现组合逻辑电路的功能，PLDPLD器件的时序电路器件的时序电路功能则由包含触发器或寄存器的逻辑宏单元实现，宏单元也是功能则由包含触发器或寄存器的逻辑宏单元实现，宏单元也是PLDPLD器件中的器件中的一个重要的基本结构。一个重要的基本结构。宏单元的作用：宏单元的作用：（1 1）提供时序电路需要的寄存器或触发器）提供时序电路需要的寄存器或触发器（2 2）提供多种形式的输入）提供多种形式的输入/ /输出方式输出方式 （3 3）提供内部信号反馈，控制输出逻辑极性）提供内部信号反馈，控制输出逻辑极性（4 4）分配控制信号，如寄存器的时钟和复位信号，三态

29、门的输出使能信号）分配控制信号，如寄存器的时钟和复位信号，三态门的输出使能信号A B C&YY=AC(a)ACB1Y(b)Y=A+C1Y(c)Y1=AY2=AAY1Y2可编程逻辑器件设计方法概念：概念： 用户通过生产商提供的通用器件，自行进行现场编程和制造，用户通过生产商提供的通用器件，自行进行现场编程和制造，或者通过对或者通过对“与与”、“或或”矩阵进行掩膜编程，构造所需的专用集成矩阵进行掩膜编程，构造所需的专用集成电路电路器件名器件名“与与”矩阵矩阵“或或”矩矩阵阵输出电路输出电路PROMPROM固定固定可编程可编程固定固定PLAPLA可编程可编程可编程可编程固定固定PALPAL可编程可编程固定固定固定固定GALGAL可编程可编程固定固定可由用户组态可由用户组态四种简单四种简单PLD器件的比较器件的比较 A211A11A0&11D2D111D011 或或 阵列阵列 与与 阵列阵列WOW1W2W3W4W5W6W7固定固定“与与”阵列阵列可编程可编程“或或”阵列阵列固定固定“与与”阵列阵列DCBAA11B1C1DY0Y1Y2m2m3m6m7m10m12m13m14可编程可编程“或或”阵列阵列1312mm CAY 0CBAY 1DCBDCBADCBAY276320)()()(mmmmDCBACDBADBCABCDADDCBADDBCABBCAY13121