微电子学概论第五章

微电子学概论第五章第1页，课件共23页，创作于2023年2月集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求功能设计逻辑设计电路设计掩模版图设计计算机仿真第2页，课件共23页，创作于2023年2月集成电路的设计过程:设计创意+仿真验证集成电路芯片设计过程框架是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化——网表时序仿真布局布线——版图后仿真否是否否是完成—设计业—第3页，课件共23页，创作于2023年2月引言半导体器件物理基础：包括PN结的物理机制、双极管、MOS管的工作原理等器件小规模电路大规模电路超大规模电路甚大规模电路电路的制备工艺：光刻、刻蚀、氧化、离子注入、扩散、化学气相淀积、金属蒸发或溅射、封装等工序集成电路设计：另一重要环节，最能反映人的能动性结合具体的电路，具体的系统，设计出各种各样的电路掌握正确的设计方法，可以以不变应万变，随着电路规模的增大，计算机辅助设计手段在集成电路设计中起着越来越重要的作用第4页，课件共23页，创作于2023年2月引言

什么是集成电路？(相对分立器件组成的电路而言)

把组成电路的元件、器件以及相互间的连线放在单个芯片上，整个电路就在这个芯片上，把这个芯片放到管壳中进行封装，电路与外部的连接靠引脚完成。什么是集成电路设计？根据电路功能和性能的要求，在正确选择系统配置、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，设计出满足要求的集成电路。第5页，课件共23页，创作于2023年2月

设计的基本过程功能设计逻辑和电路设计版图设计集成电路设计的最终输出是掩膜版图，通过制版和工艺流片可以得到所需的集成电路。设计与制备之间的接口：版图第6页，课件共23页，创作于2023年2月设计特点和设计信息描述设计特点(与分立电路相比)对设计正确性提出更为严格的要求测试问题版图设计：布局布线分层分级设计(Hierarchicaldesign)和模块化设计

高度复杂电路系统的要求什么是分层分级设计？将一个复杂的集成电路系统的设计问题分解为复杂性较低的设计级别，这个级别可以再分解到复杂性更低的设计级别；这样的分解一直继续到使最终的设计级别的复杂性足够低，也就是说，能相当容易地由这一级设计出的单元逐级组织起复杂的系统。一般来说，级别越高，抽象程度越高；级别越低，细节越具体第7页，课件共23页，创作于2023年2月从层次和域表示分层分级设计思想域：行为域：集成电路的功能结构域：集成电路的逻辑和电路组成物理域：集成电路掩膜版的几何特性和物理特性的具体实现层次：系统级、算法级、寄存器传输级(也称RTL级)、逻辑级与电路级第8页，课件共23页，创作于2023年2月第9页，课件共23页，创作于2023年2月设计信息描述

分类内容语言描述(如VHDL语言、Verilog语言等)功能描述与逻辑描述功能设计功能图逻辑设计逻辑图电路设计电路图设计图版图设计符号式版图,版图举例：x=a’b+ab’；CMOS与非门；CMOS反相器版图第10页，课件共23页，创作于2023年2月什么是版图？一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关第11页，课件共23页，创作于2023年2月设计流程理想的设计流程(自顶向下：TOP-DOWN）

系统功能设计，逻辑和电路设计，版图设计

逻辑和电路描述系统性能编译器系统性能指标性能和功能描述逻辑和电路编译器几何版图描述版图编译器制版及流片统一数据库第12页，课件共23页，创作于2023年2月典型的实际设计流程

需要较多的人工干预某些设计阶段无自动设计软件，通过模拟分析软件来完成设计各级设计需要验证第13页，课件共23页，创作于2023年2月典型的实际设计流程1、系统功能设计目标：实现系统功能，满足基本性能要求过程：功能块划分，RTL级描述，行为仿真

功能块划分

RTL级描述（RTL级VHDL、Verilog)

RTL级行为仿真：总体功能和时序是否正确第14页，课件共23页，创作于2023年2月功能块划分原则：既要使功能块之间的连线尽可能地少，接口清晰，又要求功能块规模合理，便于各个功能块各自独立设计。同时在功能块最大规模的选择时要考虑设计软件可处理的设计级别第15页，课件共23页，创作于2023年2月

算法级：包含算法级综合：将算法级描述转换到

RTL级描述综合：通过附加一定的约束条件从高一级设计层次直接转换到低一级设计层次的过程逻辑级：较小规模电路第16页，课件共23页，创作于2023年2月实际设计流程系统功能设计输出：语言或功能图软件支持：多目标多约束条件优化问题无自动设计软件仿真软件：VHDL仿真器、Verilog仿真器第17页，课件共23页，创作于2023年2月实际设计流程2、逻辑和电路设计概念：确定满足一定逻辑或电路功能的由逻辑或电路单元组成的逻辑或电路结构过程：A.数字电路：RTL级描述

逻辑综合

逻辑网表

逻辑模拟与验证，时序分析和优化难以综合的：人工设计后进行原理图输入，再进行 逻辑模拟第18页，课件共23页，创作于2023年2月

电路实现（包括满足电路性能要求的电路结构和元件参数)：调用单元库完成；

没有单元库支持：对各单元进行电路设计，通过电路模拟与分析，预测电路的直流、交流、瞬态等特性，之后再根据模拟结果反复修改器件参数，直到获得满意的结果。由此可形成用户自己的单元库第19页，课件共23页，创作于2023年2月单元库：一组单元电路的集合

经过优化设计、并通过设计规则检查和反复工艺验证，能正确反映所需的逻辑和电路功能以及性能，适合于工艺制备，可达到最大的成品率。单元库可由厂家提供，可由用户自行建立第20页，课件共23页，创作于2023年2月

B.模拟电路：尚无良好的综合软件

RTL级仿真通过后，根据经验进行电路设计

逻辑和电路设计的输出：网表（元件及其连接关系）或逻辑图、电路图软件支持：逻辑综合、逻辑模拟、电路模拟、时序分析等软件(EDA软件系统中已集成)

第21页，课件共23页，创作于2023年2月实际设计流程3.版图设计概念：根据逻辑与电路功能和性能要求以及工艺水平要求来设计光刻用的掩膜版图，

IC设计的最终输出。什么是版图？一组相互套合的图形，各层版图相应于不同的工艺步骤，每一层版图用不同的图案来表示。版图与所采用的制备工艺紧密相关第22页，课件共23页，