第1章微电子概论概述

第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系第1章概述上课：32学时实验：12学时学分：2.52013-2014第一学期课程代码05086397QQ群：集成电路设计技术与工具集成电路设计集成电路设计基础集成电路设计与九天EDA工具应用《微电子概论》郝跃，电子工业出版社第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系参考书n1．（加）DanClein著，邓红辉王晓蕾耿罗锋译.CMOSICLayoutConcepts,MethodologiesandTools，CMOS集成电路版图——概念、方法与工具，电子工业出版社，2006-01.n2．模拟电路版图的艺术TheArtofAnalogLayout--AlanHastingsn3．CMOSCircuitDesign,Layout,andSimulation--R.JacobBaker,HarryW.Li,DavidE.Boycen4．DesignofAnalogCMOSIntergrateCircuits--BehzadRazavin5．边计年等编著.数字系统设计自动化（第2版）.清华大学出版社，2005-7-1n6．AnalysisandDesignofAnalogIntegratedCircuitsP.R.GraynDesignofAnalogCMOSIntergrateCircuits模拟CMOS集成电路设计BehzadRazavin7．CMOSAnalogCircuitDesignPhillipE.Allen第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系3第一章概述1.1集成电路的发展1.2集成电路设计流程及设计环境1.3集成电路制造途径1.4集成电路设计知识范围第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系认识晶圆和集成电路第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系裸片第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系键合(连接到封装的引脚)第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系7封装，成品第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系8应用第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系微电子技术是当代信息技术的一大基石。1947年美国贝尔实验室的WilliamB.Shockley（肖克利），WalterH.Brattain（波拉坦）和JohnBardeen（巴丁）发明了晶体管，他们为此获得了1956年的诺贝尔物理学奖。图1.1是代表这一具有划时代意义的点接触式晶体管的照片。1.1集成电路（IC）的发展第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系图1.1最原始的点接触式晶体管第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系WhyVLSI?1958年12月12日，在德州仪器公司（TI）从事研究工作的JackKilby（克尔比）发明了世界上第一块集成电路IC（IntegratedCircuits），为此他在42年后获得了2000年的诺贝尔物理学奖。图1.2给出JackKilby发明的世界上第一块集成电路（IC）照片。以上两项革命性的发明推进人类社会进入微电子时代和信息时代，表1.1列出1947年以来集成电路相关工艺技术、电路规模和产品的发展概况。第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系图1.2JackKilby发明的世界上第一块集成电路第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系表1.1集成电路相关工艺技术、电路规模和产品的发展概况第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系13摩尔定律(Moore’sLaw)Moore'slaw:thenumberofcomponentsperICdoublesevery18months.Moore'slawholdtothisday.第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系Moore’sLaw图1.3集成电路规模按摩尔定律发展的趋势第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系图1.4英特尔公司1971年推出的第一代微处理器4位的40004芯片图1.4为英特尔公司1971年推出的型号为4004的第一代4位微处理器的芯片照片。它含有2300只晶体管，芯片面积为13.5mm2，封装在一个16针的双列直插DIP塑料管壳内。采用了10m线宽的PMOS4004工艺，时钟频率为108kHz。Intel4004Micro-Processor第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系IntelPentium(II)---1997图1.5为英特尔公司1997年推出的型号为Pentium（奔腾）II的微处理器的芯片照片，它含有7500000只晶体管，芯片面积为209mm2，采用了0.35m线宽一层多晶硅加四层金属的CMOS工艺，时钟频率为233300MHz。图1.5英特尔公司1997年推出的Pentium（奔腾）II微处理器芯片第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系图1.6为英特尔公司2000年推出的型号为Pentium（奔腾）4的微处理器的芯片照片，有42000000只晶体管，采用了0.18m的CMOS工艺，时钟频率为1.5GHz。图1.6英特尔公司2000年推出的Pentium（奔腾）4微处理器芯片第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系反映集成电路发展速度的另一大类芯片存储器:静态随机存储器SRAM、动态随机存储器DRAM、只读存储器ROM，电可擦除可编程只读存储器E2PROM、快闪存储器FlashMemory等。它们的特点是电路规整，容量大，更依赖于工艺。表1.2列出了DRAM的发展情况。[1]SRAM主要用于制造Cache。速度快，集成度低，无需刷新[2]DRAM用于通常的数据存取。我们常说内存有多大，主要是指DRAM的容量。[3]目前主板上的BIOS大多使用FlashMemory制造，翻译成中文就是“闪动的存储器”，通常把它称作“快闪存储器”，简称“闪存”。这种存储器可以直接通过调节主板上的电压来对BIOS进行升级操作。不加电的情况下数据也不会丢失。第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系表1.2动态存储器容量、芯片面积、工艺和价格发展惰况第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系当前国际集成电路技术发展趋势表1.3列出了世纪之交时美国半导体协会给出的集成电路制造技术进程路标（Roadmap）第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系表1-3集成电路制造技术进程路标制造工艺的微米是指IC内电路与电路之间的距离-线宽或沟道长度第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系集成电路技术发展趋势1.特征尺寸：微米亚微米深亚微米，目前的主流工艺是0.35、0.25和0.18m，0.15和0.13m已开始走向规模化生产；90nm工艺正在推出。图1.7自左到右给出的是宽度从4m70nm按比例画出的线条。由此，我们对特征尺寸的按比例缩小有—个直观的印象。4m2m1m0.5m0.25m0.13m70nm图1.7特征尺寸从4m-70nm的成比例减小的线条第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系图1.8尺寸从2英寸12英寸成比例增加的晶圆2晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8英寸，正在向12英寸晶圆迈进。图1.8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。通过图1.9中以人的脸面相对照，我们可以对一个12英寸晶圆的大小建立一个直观的印象。第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系图1.9一个12英寸晶圆与人脸大小的对比第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系12英寸(300mm)0.09微米是目前量产最先进的CMOS工艺线关心工艺线第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系3集成电路的规模不断提高，CPU（P4）已超过4000万晶体管，DRAM已达Gb规模，SSISOC；。4集成电路的速度不断提高，采用0.13mCMOS工艺实现的CPU主时钟已超过2GHz，实现的超高速数字电路速率已超过10Gb/s，射频电路的最高频率已超过6GHz。5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。第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系6模拟数字混合集成电路向设计工程师提出挑战。7由于集成电路器件制造能力按每3年翻两番，即每年58%的速度提升，而电路设计能力每年只以21%的速度提升，电路设计能力明显落后于其器件制造能力，且其鸿沟（gap）呈现越来越变宽的趋势。8集成电路产业连续几十年的高速增长和巨额利润导致世界范围内集成电路生产线的大量建设，目前已经出现过剩局面。9工艺线建设投资费用越来越高。目前一条8英寸0.35m工艺线的投资约20亿美元，但在几年内一条12英寸0.09m工艺线的投资将超过100亿美元。如此巨额投资已非单独一个公司，甚至一个发展中国家所能单独负担的。第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系10制造集成电路的掩膜很贵。根据SemaTech报告，“一套130nm逻辑器件工艺的掩膜大约需75万美元，一套90nm逻辑器件工艺的掩膜大约需165万美元，一套65nm逻辑器件工艺的掩膜大约需300万美元。”然而每套掩膜的寿命有限，一般只能生产1000个晶圆。11工艺线投资的高成本和设计能力的普遍落后，导致多数工艺线走向代工（代客户加工，Foundry）的经营道路。12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，为微电子领域发展提供了条件。第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系1.1集成电路的发展1.2集成电路设计流程及设计环境1.3集成电路制造途径1.4集成电路设计知识范围第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系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，IntegratedDeviceManufacture）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。第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系FablessandFoundry:Definition无生产线与代工:定义WhatisFabless?ICDesignbasedonfoundries,i.e.ICDesignunitwithoutanyprocessownedbyitself.WhatisFoundry?ICmanufactorypurelysupportingfablessICdesigners,i.e.ICmanufactorywithoutanyICdesignentityofitself第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系RelationofF&F(无生产线与代工的关系)LayoutChipDesignkitsInternetFoundryFabless设计单位代工单位第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系首先，代工单位将经过前期开发确定的一套工艺设计文件PDK（ProcessDesignKits）通过因特网传送（或光盘等媒质邮寄）给设计单位，这是一次信息流过程。PDK文件包括工艺电路模拟用的器件的SPICE参数，版图设计用的层次定义、设计规则、晶体管、电阻、电容等元件和通孔（via）、焊盘等基本结构的版图，与设计工具关联的设计规则检查DRC（DesignRulecheck）、参数提取（EXTraction）和版图电路图对照LVS（Layout-vs-Schematic）用的文件。ProcessDesignKits第1章微电子概论合肥工业大学计算机学院电子系设计单位根据研究项目提出的技术指标，在自己掌握的电路和系统知识基础上，利用PDK提供的工艺数据和CAD/EDA工具，进行电路设计、电路仿真（或称之为“模拟”）和优化、版图设计、设计规则检查DRC、参数提取和版图电路图对照LVS，最终生成通常以—种称之为G