集成电路设计与制造的主要流程（PPT77页）

集成电路设计与制造的主要流程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集成电路的设计过程：设计创意+仿真验证功能要求行为设计（VHDL）Singoff集成电路芯片设计过程框架From吉利久教授是行为仿真综合、优化——网表时序仿真布局布线——版图后仿真否是否否是—设计业—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。设计的基本过程（举例）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：版图主要内容IC设计特点及设计信息描述典型设计流程典型的布图设计方法及可测性设计技术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)、逻辑级与电路级系统级行为、性能描述CPU、存储器、控制器等芯片、电路板、子系统算法级I/O算法硬件模块、数据结构部件间的物理连接RTL级状态表ALU、寄存器、MUX微存储器芯片、宏单元逻辑级布尔方程门、触发器单元布图电路级微分方程晶体管、电阻、电容管子布图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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，版图设计硅编译器siliconcompiler(算法级、RTL级向下）门阵列、标准单元阵列等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(Synopsys,Ambit)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。元件门元胞宏单元（功能块）基于单元库的描述：层次描述单元库可由厂家提供，可由用户自行建立B.模拟电路：尚无良好的综合软件RTL级仿真通过后，根据设计经验进行电路设计原理图输入电路模拟与验证模拟单元库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)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版图设计过程：由底向上过程主要是布局布线过程布局：将模块安置在芯片的适当位置，满足一定目标函数。对级别最低的功能块，是指根据连接关系，确定各单元的位置，级别高一些的，是分配较低级别功能块的位置，使芯片面积尽量小。布线：根据电路的连接关系（连接表）在指定区域（面积、形状、层次）百分之百完成连线。布线均匀，优化连线长度、保证布通率。版图设计过程大多数基于单元库实现（1）软件自动转换到版图，可人工调整（规则芯片）（2）布图规划（floorplanning)工具布局布线工具（place&route）布图规划：在一定约束条件下对设计进行物理划分，并初步确定芯片面积和形状、单元区位置、功能块的面积形状和相对位置、I/O位置，产生布线网格，还可以规划电源、地线以及数据通道分布（3）全人工版图设计：人工布图规划，提取单元，人工布局布线（由底向上：小功能块到大功能块）版图验证与检查DRC：几何设计规则检查ERC：电学规则检查LVS：网表一致性检查POSTSIM：后仿真（提取实际版图参数、电阻、电容，生成带寄生量的器件级网表，进行开关级逻辑模拟或电路模拟，以验证设计出的电路功能的正确性和时序性能等)，产生测试向量软件支持：成熟的CAD工具用于版图编辑、人机交互式布局布线、自动布局布线以及版图检查和验证设计规则IC设计与工艺制备之间的接口制定目的：使芯片尺寸在尽可能小的前提下，避免线条宽度的偏差和不同层版套准偏差可能带来的问题，尽可能地提高电路制备的成品率什么是设计规则？考虑器件在正常工作的条件下，根据实际工艺水平(包括光刻特性、刻蚀能力、对准容差等)和成品率要求，给出的一组同一工艺层及不同工艺层之间几何尺寸的限制，主要包括线宽、间距、覆盖、露头、凹口、面积等规则，分别给出它们的最小值，以防止掩膜图形的断裂、连接和一些不良物理效应的出现。布图设计方法（布图风格划分）全定制设计方法、半定制设计方法、可编程逻辑器件以及基于这些方法的兼容设计方法设计方法选取的主要依据：设计周期、设计成本、芯片成本、芯片尺寸、设计灵活性、保密性和可靠性等最主要的：设计成本在芯片成本中所占比例芯片成本CT：ynCVCCPDT小批量的产品：减小设计费用；大批量的产品：提高工艺水平，减小芯片尺寸，增大圆片面积全定制设计版图设计时采用人工设计，对每个器件进行优化，芯片性能获得最佳，芯片尺寸最小设计周期长，设计成本高，适用于性能要求极高或批量很大的产品，模拟电路符号式版图设计：用一组事先定义好的符号来表示版图中不同层版之间的信息，通过自动转换程序转换举例：棍图：棍形符号、不同颜色不必考虑设计规则的要求；设计灵活性大符号间距不固定，进行版图压缩，减小芯片面积VDDVss专用集成电路（ASIC：Application-SpecificIntegratedCircuit）（相对通用电路而言）针对某一应用或某一客户的特殊要求设计的集成电路批量小、单片功能强：降低设计开发费用主要的ASIC设计方法：门阵列设计方法：半定制标准单元设计方法：定制掩膜版方法积木块设计方法：定制可编程逻辑器件设计方法门阵列设计方法（GA方法）概念：形状和尺寸完全相同的单元排列成阵列，每个单元内部含有若干器件，单元之间留有布线通道，通道宽度和位置固定，并预先完成接触孔和连线以外的芯片加工步骤，形成母片根据不同的应用，设计出不同的接触孔版和金属连线版，单元内部连线及单元间连线实现所需电路功能母片半定制技术门阵列结构单元区结构：举例：六管CMOS单元由该结构实现三输入或非门输入/输出单元：芯片四周举例：图5.16，输入、输出、电源输入保护(防止栅击穿)：嵌位二极管、保护电阻输出驱动：宽长比大的器件（梳状或马蹄状）寄存器传输级行为描述逻辑网表逻辑模拟制版/流片/测试/封装设计中心Foundry向Foundry提供网表布局布线掩膜版图版图检查/网表和参数提取/网表一致性检查后仿真产生测试向量行为仿真逻辑图综合生成延迟文件单元库门阵列设计过程门阵列方法的设计特点：设计周期短，设计成本低，适合设计适当规模、中等性能、要求设计时间短、数量相对较少的电路不足：设计灵活性较低；门利用率低；芯片面积浪费门海设计技术：一对不共栅的P管和N管组成的基本单元铺满整个芯片，布线通道不确定（可将基本单元链改成无用器件区走线），宏单元连线在无用器件区上进行门利用率高，集成密度大，布线灵活，保证布线布通率仍有布线通道，增加通道是单元高度的整数倍，布线通道下的晶体管不可用激光扫描阵列：特殊的门阵列设计方法对于一个特殊结构的门阵列母片，片上晶体管和逻辑门之间都有电学连接，用专门的激光扫描光刻设备切断不需要连接处的连线，实现ASIC功能。只需一步刻铝工艺，加工周期短；采用激光扫描曝光，省去了常规门阵列方法中的制版工艺。但制备时间较长。一般用于小批量(200～2000块)ASIC的制造作业：1.试述带单元库的数字集成电路的典型设计流程。2.试述IC设计的主要特点。标准单元设计方法（SC方法）一种库单元设计方法概念：从标准单元库中调用事先经过精心设计的逻辑单元，并排列成行，行间留有可调整的布线通道，再按功能要求将各内部单元以及输入/输出单元连接起来，形成所需的专用电路芯片布局：芯片中心是单元区，输入/输出单元和压焊块在芯片四周，基本单元具有等高不等宽的结构，布线通道区没有宽度的限制，利于实现优化布线。标准单元库：标准单元库中的单元是用人工优化设计的，力求达到最小的面积和最好的性能，完成设计规则检查和电学验证描述电路单元在不同层级的属性的一组数据逻辑符号（L）：单元名称与符号、I/O端：用于逻辑图功能描述电路结构、电学指标拓扑版图（O）：拓扑单元名、单元宽度高度、I/O位置及名称掩膜版图（A）举例：不同设计阶段调用不同描述标准单元库主要包括与非门、或非门、触发器、锁存器、移位寄存器加法器、乘法器、除法器、算术运算单元、FIFO等较大规