集成电路设计概述

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。
集成电路芯片（裸片）显微照片
集成电路芯片键合 （连接到封装的引脚）
各种封装好的集成电路
1.1
Ø
集成电路的发展
v 集成电路的出现
1947-1948年：公布了世界上第一支（点接触）晶体 三极管—标志电子管时代向晶体管时代过渡。因此 1956年美国贝尔实验室三人（William Shockley) Water Brattain 、John bardeen）获诺贝尔奖 1950年：成功制出结型晶体管 1952年：英国皇家雷达研究所第一次提出“集成电路” 的设想 1958年：美国德克萨斯仪器公司的Jack Kilby制造出 世界上第一块集成电路（双极型-1959年公布） （2000年获诺贝尔物理学奖） 1960年：制造成功MOS集成电路
1.3 集成电路设计流程及设计环境
2. IDM与Fabless集成电路实现 集成电路发展的前三十年中，设计、制造和封 装都是集中在半导体生产厂家内进行的，称之 为一体化制造(IDM，Integrated Device Manufacture)的集成电路实现模式。 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（Fabless）集成 电路设计提供了条件，为微电子领域发展知识 经济提供了条件。
1.3 集成电路设计流程及设计环境
1.无生产线集成电路设计技术 随着集成电路发展的过程，其发展的总趋 势是革新工艺、提高集成度和速度。 设计工作由有生产线集成电路设计到无生 产线集成电路设计的发展过程。 无生产线（Fabless）集成电路设计公司。 如美国有200多家、台湾有100多家这样的 设计公司。
芯片，现代社会的基石
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集成电路
Integrated Circuit ，缩写IC(相对 分立器件组成的电路而言) IC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、 电感等无源器件，按照一定的电路互连， “集成”在一块半导体晶片（如硅或砷化镓） 上，封装在一个外壳内，执行特定电路或 系统功能的一种器件。
>5× 10
7
Soc >8× 108 >8× 107 2009 Core i5
>5× 106 2003 P4 CPU
集成电路的发展
表1.2 CMOS工艺特征尺寸发展进程 年份 特征尺 寸 水平标 志 1989年 1.0µm 微米 （M） 1993年 0.6µm 亚微米 （SM） 1997年 0.35µm 2001年 0.18µm 2009 32nm
Ø Ø
Ø
Ø
最原始的点接触式晶体管
世界上第一块集成电路
集成电路的发展
从此IC经历了：
n n n
SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI
现已进入到：
n n n
小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI) 超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI） VLSI使用最频繁，其含义往往包括了ULSI和GSI。中文 中把VLSI译为超大规模集成，更是包含了ULSI和GSI的意 义。
2. 晶片直径(Wafer Diameter)
为了提高集成度，可适当增大芯片面积。然而，芯片面积的 增大导致每个圆片内包含的芯片数减少，从而使生产效率降 低，成本高。采用更大直径的晶片可解决这一问题。晶圆的 尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8英寸，12英寸晶圆已 经开始量产。下图自左到右给出的是从2英寸～12英寸按比 例画出的圆。由此，我们对晶圆尺寸的增加有一个直观的印 象。
按使用的基片材料分类
• 单片集成电路
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，除此之外还有GaAs等。
• 混合集成电路
厚膜集成电路 薄膜集成电路
按电路的功能分类
Ø 数字集成电路(Digital IC)： 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。 Ø 模拟集成电路(Analog IC)： 是指处理模拟信号(连续变化的信号)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 ： 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。 非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路。 Ø 数模混合集成电路(Digital - Analog IC) ： 例如 数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等。
集成电路的发展
表1.1 集成电路工艺、电路规模 和产品发展状况
工艺 元件 数 门数 年代 典型 产品 SSI <102 <10 1961 集成 门、触 发器 MSI 102 ~ 10 3 10 ~ 102 1966 计数器 加法器 LSI 103 ~ 104 102 ~ 103 1971 8bMCU ROM RAM VLSI 104 ~ 106 103 ~ 105 1980 16-32bit MCU ULSI 106 ~ 107 105 ~ 106 1990 DSP GSI >107 >106 2000 P3 CPU SoC
v集成电路今后的发展趋势
Ø
特征尺寸：微米→亚微米→深亚微米→ 纳米， 目前的主流工艺是90nm和45nm ，32nm已 开始走向规模化生产； 电路规模：SSI→SOC； 晶圆的尺寸增加, 当前的主流晶圆的尺寸为8英 寸, 已经迈进12英寸晶圆； 集成电路的规模不断提高, 最先进的CPU(Core i7)已超过14亿晶体管, DRAM已达Gb规模；
双极-MOS(BiMOS)集成电路：是同时包括双极和 MOS晶体管的集成电路。综合了双极和MOS器件两 者的优点，但制作工艺复杂。
按集成度分类
ä 集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 类 别 SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI 数字集成电路 MOS IC 双极IC <102 <100 102103 100500 103105 105107 107109 >109 按晶体管数目划分的集成电路规模 5002000 >2000 模拟集成电路 <30 30100 100300 >300
vIntel 公司第一代CPU—4004
电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz
vIntel 公司CPU—386TM
电路规模：275,000个晶体管 生产工艺：1.5um 最快速度：33MHz
vIntel 公司 CPU—Pentium® 4
电路规模：4千2百万个晶体管 生产工艺：0.13um 最快速度：2.4GHz
v集成电路单片集成度和最小特征尺寸的发展曲线
vIC在各个发展阶段的主要特征数据
发展 阶段 主要特征 元件数/芯片 特征线宽(um) 速度功耗乘积 (uj) 栅氧化层厚度 (nm) 结深(um) 芯片面积 (mm2) 被加工硅片直 径(mm) 102-103 10-5 102-10 120-100 2-1.2 <10 50-75 103-105 5-3 10-1 100-40 1.2-0.5 10-25 100-125 105-107 3-1 1-10-2 40-15 0.5-.02 25-50 150 107-108 <1 <10-2 15-10 0.2-.01 50-100 >150 MSI (1966) LSI (1971) VLSI (1980) ULSI (1990)
Ø Ø
Ø
v集成电路今后的发展趋势
Ø
Ø
Ø Ø
集成电路的速度不断提高, 人们已经用0.13 μmCMOS工艺做出了主时钟达 2GHz的 CPU ；>10Gbit/s的高速电路和>6GHz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SoC(System-on-Chip)成为开发目标； 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 无生产线（Fabless）和无芯片（Chipless） 集成电路设计提供了条件，为微电子领域发展 知识经济提供了条件。
Year of introduction 1971 1972 1974 1978 1982 1985 1989 1993 1997 1999 2000
Transistors 2,250 2,500 5,000 29,000 120,000 275,000 1,180,000 3,100,000 7,500,000 24,000,000 42,000,000
尺寸从2英寸～12英寸成比例增加的晶圆
3.DRAM 的容量
RAM (Random-Access Memory)－随机存 取存储器 分为动态存储器DRAM (Dynamic )和静态存储 器SRAM(Static)
摩尔定律
一个有关集成电路发展趋势的著名预 言，该预言直至今日依然准确。
集成电路自发明四十年以来，集成电路芯 片的集成度每三年翻两番 ，而加工特征尺寸缩 小 2 倍。 即由Intel公司创始人之一Gordon E. Moore 博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。
描述集成电路工艺技术水平的 三个技术指标
1. 特征尺寸 (Feature Size) / （Critical Dimension） 特征尺寸定义为器件中最小线条宽度(对MOS器件而言，通常 指器件栅电极所决定的沟道几何长度) 减小特征尺寸是提高集成度、改进器件性能的关键。特征尺 寸的减小主要取决于光刻技术的改进。集成电路的特征尺寸 向深亚微米发展，目前的规模化生产是90nm、45nm工 艺， Intel目前将大部分芯片生产工艺转换到32 nm 。
集成电路设计
学习本课程的目的
认识集成电路的发展历史、现状和未来 了解集成电路设计工艺 熟悉集成电路设计工具 掌握集成电路基本单元的设计 打好集成电路设计基础
参考教材： 集成电路设计（第二版） 王志功 电子 工业出版社 考查方式：考试（闭卷） 平时30%，考试70%
第1章 集成电路设计导论
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 集成电路的发展 集成电路的分类 集成电路设计流程及设计环境 集成电路制造途径 集成电路设计方法 集成电路设计步骤 集成电路设计需要的知识范围 电子设计自动化技术概论
vIntel 公司CPU芯片集成度的发展
Intel’s CPU 4004 8008 8080 8086 286 386™ processor 486™ DX processor Pentium® processor Pentium II processor Pentium III processor Pentium 4 processor
1.2
集成电路的分类
器件结构类型 n 集成度 n 使用的基片材料 n 电路的功能 n 应用领域
n
按器件结构类型分类
双极集成电路：主要由双极型晶体管构成
n n
NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路
金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS 晶体管(单极型晶体管)构成
n n n
NMOS PMOS CMOS(互补MOS)
按应用领域分类
v 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 的标准系列 产品。这类产品往往集成度不高 ，然而社会 需求量大，通用性强。 v 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 集成电路简称ASIC，其特点是集成度较高功能较多，功 耗较小，封装形式多样。
深亚微米 超深亚微 纳米 （DSM） 米（VDSM） （nm）
集成电路发展的特点：
Ø Ø Ø
Ø
特征尺寸越来越小（22nm） 硅圆片尺寸越来越大（8inch~12inch） 芯片集成度越来越大（>2000K）
时钟速度越来越高（ >3000MHz）
Ø Ø
电源电压/单位功耗越来越低（1.0V） 布线层数/I/0引脚越来越多（9层/>1200）