半导体绪论 学习课件

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1、集成电路版图设计青岛科技大学 信息科学技术学院 硬件教研室课程内容v第一章：绪论v第二章：电路知识基础v第三章：集成电路制造工艺v第四章：版图设计基础v第五章：数字电路版图设计标准单元技 术v第六章：模拟电路版图教材和参考书v集成电路掩膜设计基础版图技术（清华 大学出版社）vCMOS集成电路版图概念、方法与工具 （电子工业出版社）v模拟电路版图的艺术v集成电路版图设计（机械工业出版社）v数字集成电路设计透视 （清华大学出版 社）v数字集成电路电路、系统与设计 （电子 工业出版社）第一章 绪论v1.1集成电路设计基础知识v1.2集成电路设计领域分析v1.3版图设计概念v1.4版图设计的技术1.1

2、集成电路设计基础知识v一、IC的发展概况v二、集成电路发展特点及规律v三、设计举例一、集成电路(IC)的发展概况v1947年由肖克利和 他的两助手布拉顿 、巴丁在贝尔实验 室工作时发明的点 接触式晶体管。v1956年为此获诺贝 尔物理学奖。一、集成电路(IC)的发展概况v美国德州 仪器公司 于1958年 发明了世 界上第一 块锗集成 电路，并 于2000年 获得诺贝 尔物理学 奖一、集成电路(IC)的发展概况v1961年，美国仙童半导体公司开发出世界上第一 块硅集成电路。v1962年，成功制造MOS集成电路。v1971年，全球第一个微处理器4004问世，采用 MOS工艺。v1988年，16MB

3、 DRAM问世，进入超大规模集成 电路阶段。（1cm2的硅片上集成有3500万个晶体 管）vSoB, SoC。二、集成电路发展特点及规律v集成电路工艺指标：v（1）特征尺寸。特征尺寸减小，导致电路 速度加快，晶体管密度增加。v（2）集成度。集成度的增加得益于晶体管 特征尺寸的减小。v（3）晶圆（wafer）尺寸。2002年，Intel 开始采用12英寸晶圆。二、集成电路发展特点及规律12英寸的晶圆集成电路按规模分类摩尔定律 Moores LawvGodon Moore 是Intel公司的创 始人之一，1956 年他曾对半导体 技术的发展作出 预言：集成电路 容量每18个月增 加一倍。半导体技术

4、发展蓝图集成电路设计的发展v(1） 20 世纪60 70 年代的初级集成电路 硬件设计时期。（集成电路的集成度为几百 门）v(2） 20 世纪70 80 年代的集成电路的软 件编程设计时期。v(3 ） 20 世纪80 90 年代的专用集成电路 （ Application Specific Integrated Circuit, ASIC）和系统集成设计时期。深亚微米和超深亚微米工艺对EDA 技 术的挑战v集成电路的发展经历了微米（特征尺寸 1m）、亚微米（特征尺寸1m）、深亚 微米（特征尺寸0.6m）发展阶段，进入 超深亚微米（特征尺寸0.1m）阶段v深亚微米集成电路设计面临的4 个方面的挑

5、战：缩小尺寸、增加集成度、提高系统性能 和降低功耗。深亚微米和超深亚微米工艺对EDA 技 术的挑战v互联线对集成电路速度的影响。v纳米（O.1m）工艺：连线主导电路性能 和可制造性v对EDA 设计工具的要求：以连线为基础， 能够将各种物理效应考虑在内VLSI设计要求v1、设计周期要求VLSI设计要求v2、设计成本要求v开发设计费用一般以人年计算，即开发过程 中的人数与时间的乘积。v设计时间在设计成本中占主要地位。v全定制和半定制设计方法的选择。VLSI设计要求v3、设计正确性及性能要求v设计的正确性是集成电路设计中最基本的要 求v设计失误会带来周期延误、直接经济损失等 。v4、设计过程集成化要

6、求vEDA 设计工具需要将整个集成电路设计过 程统一考虑，前后呼应，从全局的观点使系 统设计达到最优。VLSI设计要求v5、VLSI 设计可测试性要求v随着VLSI 功能的日趋复杂，测试费用所占 的比例明显增大。v虽然芯片测试是在VLSI 生产过程当中进行 的，为了减小测试所需要的资源，往往在电 路设计阶段就要考虑其可测试性、易测性的 问题。三、设计举例v功能描述 x=ab+ab 的逻辑图abx三、设计举例vCMOS与非门的 电路图三、设计举例vCMOS反相器的掩 膜版图PolysiliconInOutVDDGNDPMOS2lMetal 1NMOSContactsN Well三、设计举例vCM

7、OS反相器的结构图N阱VoVinVSSVDDP-SUB磷注入硼注入磷硅玻璃 PMOSPMOS管硅栅管硅栅NMOSNMOS管硅栅管硅栅三、设计举例第一章 绪论v1.1集成电路设计基础知识v1.2集成电路设计领域分析v1.3版图设计概念v1.4版图设计的技术1.2集成电路设计领域分析v集成电路设计者需要知道的知识包括：v系统知识v电路知识v工具知识v工艺知识IC 设计领域及其工种介绍v（一）模拟与混号信号电路设计v在 IC 设计领域中，模拟的人才最为缺乏， 但相对而言模拟 / 混合信号设计工程师的 人才养成也最为困难，一般而言最起码需要 2 3 年的经验才能完全上手。 v一般而言，具备电子背景的人

8、学习模拟与混 合信号领域的知识会比较容易进入状态，若 非相关科系的话，则必须强化理论基础以及 实作能力，方能与科班出身的学员竞争。IC 设计领域及其工种介绍v（二）数字电路设计传统的电路设计工作是一项需要累积丰 富经验以及长期努力的专业性工作，除了电 子科系科班出身的从业人员之外，其它工程 背景的人士很难跨越。v但是近年来，各种消费性电子产品的生命周 期不断缩短，而系统的功能性和复杂度却不 断攀升，许多的功能需要使用相当程度的特 定背景知识和足够复杂的算法才能具体描述 。IC 设计领域及其工种介绍v（三）集成电路布局设计 所谓的集成电路布局（ Layout ）是指配合 芯片设计规划，作必要功能

9、的电路布局。v虽然大部分的公司要求布局工程师必须是电 子、电机、信息相关科系出身，绝大多数都 是进了公司以后在从头学起，多半是要靠经 验累积，因此各领域的布局人才一直是处于 需求大于供给的状态。半导体设计公司的职务及工作内容生产线技术员：部分的公司则因设有产品测 试部门，因此需要生产线的作业员。学历要 求多为高中职以上毕业。 品管工程师：学历为大学以上，主要工作为 进行半导体产品的质量管理作业。行销、企划工程师：多数公司要求新进人员 的学历为企管硕士。其工作范围大致包括产 品规划、企划、市场研究等。半导体设计公司的职务及工作内容v业务工程师：多数公司要求新进人员个性以积极 主动为佳。主要工作领

10、域为进行公司相关产品业 务的拓展，因此，外语能力的要求较高。v产品研发工程师：多数公司要求新进人员的学历 为大学以上电子、电机相关系所毕业，主要是进 行半导体产品的设计与开发工作。v电路设计工程师：多数公司要求新进人员最好能 熟悉 CAD/CAM 的操作，以利于在工作站、 PC 上 进行电路设计工作。半导体设计公司的职务及工作内容vCAD 工程师：多数公司会要求新进人员要熟悉 IC 设计方 法及设计软件。 v应用工程师：主要工作为进行 IC 产品的应用开发工作。v封装工程师：主要工作为进行公司所需封装技术的研究开 发，有的是要与其后段的封装厂商进行搭配。v测试工程师：在 IC 设计公司中，这部

11、分的工作包括有前 段的测试与后段的成品测试工作，目前而言，前段的测试 仍多在晶圆厂内部进行，后段的成品测试工作则部分采用 外包、部分由自己公司来自行进行测试。v软件工程师：主要工作为进行公司所设计的硬件产品之软 件开发，例如驱动程序等。当前国际集成电路技术的发展趋势集成电路的特征尺寸向深亚微米发展。当前国际集成电路技术的发展趋势晶圆的尺寸增加，当前的主流晶圆的尺寸为8英 寸和12英寸。当前国际集成电路技术的发展趋势 集成电路的规模不断提高。集成电路的速度不断提高。集成电路的复杂度不断提高，SoC成为开发的 目标。数模混合电路设计向电路设计工程师提出更高 的挑战。当前国际集成电路技术的发展趋势集

12、成电路制造能力与设计能力之间的剪刀差。当前国际集成电路技术的发展趋势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。工艺线建设投资的费用越来越高。集成电路的掩模费很贵。每套掩模的寿命有限 。工艺线走代工（Foundry）的经营道路。电路设计、工艺制造和封状的分立运行。无生产线集成电路设计技术fablessChiplessFoundry芯片 工艺文件版图文件集成电路设计与制造的主要流程框架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From 吉利久教授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

13、否否是Sing off第一章 绪论v1.1集成电路设计基础知识v1.2集成电路设计领域分析v1.3版图设计概念v1.4版图设计的技术1.3版图设计概念v版图设计就是按照线路的要求和一定的工艺 参数，设计出元件的图形并进行排列互连， 以设计出一套供IC制造工艺中使用的光刻掩 膜版的图形，称为版图或工艺复合图。v版图设计依据：一定功能的电路结构；一定 的工艺规则；可制造性1.3版图设计概念v版图设计是制造IC的基本条件，版图设计是 否合理对成品率、电路性能、可靠性影响很 大。v版图设计错了，就一个电路也做不出来。v版图设计不合理，则电路性能和成品率将受 到很大影响。1.3版图设计概念v版图设计必须与线路设计、工艺设计、工艺 水平适应。v版图设计者必须熟悉工艺条件、器件物理、 电路原理以及测试方法。第一章 绪论v1.1集成电路设计基础知识v1.2集成电路设计领域分析v1.3版图设计概念v1.4版图设计的技术1.4版图设计技术v自动化技术：半定制，标准单元技术v手工技术：全定制，一般用于高性能数字电 路或者模拟电路