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微电子及集成电路发展简介微电子及集成电路发展简介重庆大学重庆大学通信工程学院通信工程学院胡盛东胡盛东 集成电路是指通过一系列工艺，在单片半导体材料集成电路是指通过一系列工艺，在单片半导体材料上（硅或者砷化镓）加工出许多元器件上（硅或者砷化镓）加工出许多元器件(有源和无源的有源和无源的)，这些元器件按照一定要求连接起来，作为一个不可分，这些元器件按照一定要求连接起来，作为一个不可分割的整体执行某一特定的功能；割的整体执行某一特定的功能；集成电路是电路的单芯片实现；集成电路是电路的单芯片实现；微电子工业是国民经济信息化的基石微电子工业是国民经济信息化的基石 集成电路是微电子技术的核心；集成电路是微电子技术的核心；如果以单位质量的如果以单位质量的“钢钢”对国民生产总值的贡献为对国民生产总值的贡献为1 1来计算，则小轿车为来计算，则小轿车为5 5，彩电为，彩电为3030，计算机为，计算机为10001000，而，而集成电路则高达集成电路则高达20002000。集成电路的发展历程集成电路的发展历程 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：1）1947194719481948年，年，晶晶体管的发明体管的发明 1946年年1月，月，Bell实验室正式成立半导体研究小组：实验室正式成立半导体研究小组：W.SchokleyW.Schokley，J.BardeenJ.Bardeen、W.H.Brattain W.H.Brattain Bardeen提提出了表面态理论，出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本给出了实现放大器的基本设想，设想，Brattain设计了实验；设计了实验；1947年年12月月23日，第一次观测到了具有放大作用的日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管；晶体管；晶体管的发明晶体管的发明1947年年12月月23日日第一个点接触式第一个点接触式NPN Ge晶体管晶体管发明者：发明者：W.Schokley J.Bardeen W.Brattain获得获得1956年年Nobel物理奖物理奖晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿集成电路的发展历程集成电路的发展历程 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：1）1947194719481948年，年，晶晶体管的发明体管的发明2）19581958年，年，集成电路集成电路的发明的发明 1952年年5月月，英英国国科科学学家家G.W.A.Dummer第第一一次次提出了集成电路的设想。提出了集成电路的设想。1958年年以以德德克克萨萨斯斯仪仪器器公公司司（TI）的的科科学学家家基基尔尔比比(Clair Kilby)为为首首的的研研究究小小组组研研制制出出了了世世界界上上第第一一块块集集成电路，并于成电路，并于1959年公布了该结果。年公布了该结果。集成电路的发明集成电路的发明 1958年世界上第一块集成电路：年世界上第一块集成电路：锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，锗衬底上形成台面双极晶体管和电阻，总共总共1212个器件，用个器件，用超声焊接引线将器件连起来。超声焊接引线将器件连起来。获得获得获得获得20002000年年年年NobelNobel物理奖物理奖物理奖物理奖集成电路的发展历程集成电路的发展历程 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：1 1）1947194719481948年，年，晶晶体管的发明体管的发明2 2）19581958年，年，集成电路的发明集成电路的发明3 3）19591959年，平面工艺的发明年，平面工艺的发明 19591959年年7 7月月，美美国国Fairchild Fairchild 公公司司的的NoyceNoyce发发明明第第一一块块单单片片集集成成电电路路，利利用用二二氧氧化化硅硅膜膜制制成成平平面面晶晶体体管管，并并用用淀淀积积在在二二氧氧化化硅硅膜膜上上的的、和和二二氧氧化化硅硅膜膜密密接接在在一一起起的的导导电电膜膜作作为为元元器器件件间间的的电电连连接接(布布线线)。这这是是单单片片集集成成电电路路的的雏雏形形，是是与与现现在在的的硅硅集集成成电电路路直直接接有有关关的的发发明明。由由此此，将将平平面面技技术术、照照相相腐腐蚀蚀和和布布线线技技术术组组合合起来，获得大量生产集成电路的可能性。起来，获得大量生产集成电路的可能性。集成电路的发展历程集成电路的发展历程 半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现与发展半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：半导体集成电路的出现和发展经历了以下过程：1 1）1947194719481948年，年，晶晶体管的发明体管的发明2 2）19581958年，年，集成电路的发明集成电路的发明3 3）19591959年，平面工艺的发明年，平面工艺的发明4 4）19601960年，成功制造了第一块年，成功制造了第一块MOSMOS集成电路。集成电路。自从集成电路诞生以来，经历了小规模（自从集成电路诞生以来，经历了小规模（SSI）、中规模（）、中规模（MSI）、）、大规模（大规模（LSI）的发展过程，目前已进入超大规模（）的发展过程，目前已进入超大规模（VLSI）和甚大规）和甚大规模集成电路（模集成电路（ULSI）阶段，是一个）阶段，是一个“system on a chip”（SOC)的时的时代代1970年：大规模集成电路（年：大规模集成电路（LSI，103 105 元件或元件或 102 5103等等效门效门）1959年：中小规模集成电路（年：中小规模集成电路（IC）1977年：超大规模集成电路（年：超大规模集成电路（VLSI，以，以 64K DRAM、16位位 CPU 为代表为代表）1986年：巨大规模集成电路（年：巨大规模集成电路（ULSI，以，以 4M DRAM 为代表为代表，8106 元件，元件，91 mm2，0.8 m，150 mm ）1995年：年：GSI（以（以1G DRAM 为代表，为代表，2.2109 元件，元件，700 mm2，0.18 m，200 mm，2000 年开始商业化生产）年开始商业化生产）集成电路发展的特点集成电路发展的特点集成电路的发展特点主要表现在：集成电路的发展特点主要表现在：特征尺寸越来越小；芯片尺寸越来越大；单片上的晶体管数越来越多；时钟速度越来越快；电源电压越来越低；布线层数越来越多；输入/输出(I/O)引脚越来越多。年份年份19971997199919992001200120032003200620062009200920122012最小线宽最小线宽(mm）0.250.250.180.150.130.100.070.01DRAMDRAM容量容量256M1G1G4G4G16G64G256G晶体管数量(M)112140762005201400芯片尺寸(mm2)300340385430520620750时钟频率(MHz)750120014001600200025003000金属层数6677778899最低供电电压(V)1.8-2.51.5-1.81.2-1.51.2-1.50.9-1.20.6-0.90.5-0.6最大硅片直径(mm)200300300300300450450 集成电路发展规划（集成电路发展规划（集成电路发展规划（集成电路发展规划（19971997）工艺特征尺寸单个芯片上的晶体管数芯片面积电源电压 时钟频率金属布线层数0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 91010199719971999199920012001200320032006200620092009金属层数金属层数金属层数金属层数图1-1 各阶段集成电路产品的照片摩尔定律摩尔定律 1960年，美国Intel公司G.Moore预言集成电路的发展遵循指数规律，人们称之为“摩尔定律”，其主要内容如下：(1)集成电路最小特征尺寸以每三年减小70%的速度下降，集成度每一年翻一番。(2)价格每两年下降一半。(3)这种规律在30年内是正确的(从1965年开始)。历史的发展证实了摩尔定律的正确性。表1-1给出集成电路特征参数的进展情况。表 1-1 集成电路特征参数的进展情况 1982年出现的80286芯片中，共有13.4万只晶体管，线宽为1.5 m。而到1995年，Pentium Pro(TM)芯片就含有550万只晶体管，线宽为亚微米级0.6 m。目前商业化的芯片的线宽为0.180.35 m。80286：INTEL 1982年推出的划 时代的产品。Pentium Pro(TM)：一度曾是高端CPU的代名词。图1-2 CPU 80286及Pentium Pro(TM)芯片的显微照片 (a)80286;(b)Pentium Pro(TM)摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律摩尔定律平均每个晶体管价格摩尔定律平均每个晶体管价格经过40年，集成电路产业的发展证实了摩尔定律的正确性，但是摩尔定律还能有多长时间的生命力？集成电路的特征尺寸：130nm90nm60nm45nm30nm?量子效应集成电路光刻费用急剧增加摩尔定律摩尔定律2008年国际上又提出年国际上又提出“More than Moore”及及“More than Moore”概念，即强调芯片发展要追求功耗下降及综合功能的提高，实概念，即强调芯片发展要追求功耗下降及综合功能的提高，实际上转向更加务实的满足市场的需求。际上转向更加务实的满足市场的需求。集成电路朝着两个方向发展：集成电路朝着两个方向发展：一、是在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、超高集成度的电路。一、是在发展微细加工技术的基础上，开发超高速、超高集成度的电路。二、是迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技二、是迅速、全面地利用已达到的或已成熟的工艺技术、设计技术、封装技术、和测试技术等发展各种专用集成电路，出现术、和测试技术等发展各种专用集成电路，出现SOC。模拟数字混合集成电路向电路工程师提出挑战模拟数字混合集成电路向电路工程师提出挑战设计与制造分立，设计能力落后于制造能力设计与制造分立，设计能力落后于制造能力工艺线建设费用愈来愈高，（工艺线建设费用愈来愈高，（8英寸、英寸、0.35工工艺线艺线投投资约资约20亿亿美元）美元）系统芯片（系统芯片（SoC(System-on-chip)成为发展方向成为发展方向可编程器件（可编程器件（PLD）应用更为广泛。）应用更为广泛。基于微电子工艺发展起来的微电机械（基于微电子工艺发展起来的微电机械（MEMS）有着极其广大的应用前景）有着极其广大的应用前景MEMS技术和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术技术和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术图1-4 大圆片上的芯片 集成电路的分类集成电路的分类 按功能分类 按功能不同，可将集成电路分为以下几类：数字集成电路；模拟集成电路；数、模混合集成电路。随着芯片规模越来越大，电路越来越复杂，片上系统(SOC)时代即将到来，数、模混合集成电路的应用与发展备受关注。按结构形式和材料分类按结构形式和材料分类 按结构形式和材料不同，可将集成电路分为：半导体集成电路，主要指单片集成电路，这是当今的主流；膜集成电路(二次集成)。膜集成电路又分薄膜集成电路(厚度1 m)。按有源器件及工艺类型分类 按有源器件及工艺类型的不同，可将集成电路分为：双极集成电路。这种集成电路由双极型晶体管组成，如中、小规模数字集成电路TTL、ECL和许多模拟集成电路都是双极型集成电路；MOS集成电路，有NMOS集成电路、PMOS集成电路和CMOS集成电路三种，其中CMOS集成电路由于集成度高，功耗小，随着工艺技术的进步，CMOS运行速度也很高，噪声也较小，因而已经成为当前数字和模拟(特别是数字)集成电路的主流技术；双极与MOS混合集成电路BiMOS集成电路，这种集成电路中同时含有双极型晶体管和MOS场效应管，这是为了提高某种性能或满足某种需要，利用双极型器件和MOS器件各自的特点而采取的一种工艺技术。MOS集成电路，有NMOS集成电路、PMOS集成电路和CMOS集成电路三种，其中CMOS集成电路由于集成度高，功耗小，随着工艺技术的进步，CMOS运行速度也很高，噪声也较小，因而已经成为当前数字和模拟(特别是数字)集成电路的主流技术；按集成电路的规模分类按集成电路的规模分类 按集成电路的规模不同，集成电路可分为：小规模集成电路(SSI)；中规模集成电路(MSI)；大规模集成电路(LSI)；超大规模集成电路(VLSI);通常，根据芯片中含有的元件数来划分集成电路的规模，表1-2 提供了一种参考标准。表1-2 划分集成电路规模的(参考)标准 甚大规模集成电路(ULSI)，芯片元件数在1000万10亿个之间的集成电路属于甚大规模集成电路，如16位RAM芯片；极大规模集成电路(Super Large Scale Integration),记为SLSI,指的是芯片元件数超过10亿的集成电路。按生产目的和实现方法分类按生产目的和实现方法分类按生产目的不同，可将集成电路分为：专用集成电路(ASIC)；通用集成电路(如CPU、存储器等)；可编程器件。按实现方法不同，可将集成电路分为：全定制集成电路；半定制集成电路。泛指为某些特定应用需求开发的集成电路，如专门为通信、导航、电子玩家、家电等应用需求开发的集成电路。全定制集成电路(Full Custom Design Approach)所谓全定制集成电路，是指按照用户要求，从晶体管级开始设计，力求做到芯片面积小，功耗低，速度快(延迟最小)，各方面都周密安排，达到性能价格比最优的实现方法。半定制集成电路(Semi-Custom Design Approach)半定制集成电路包括门阵列、门海、标准单元等。对半定制集成电路，设计者在厂家提供的半成品基础上继续完成最终的设计，一般是在成熟的通用母片基础上追加某些互连线或某些专用电路的互连线掩膜，因此设计周期短。门阵列有通道门阵列 将很多规则排列的晶体管用内连线连接起来，构成各种逻辑门阵列，阵列间有规则布线通道，负责门与门之间的连接，便形成了门阵列母片，如图 1-5所示。这个母片就是提供给设计者的基础。图1-5 门阵列母片 2)门海无通道门阵列 有通道门阵列每一布线通道的布线容量是一定的，如果连线太多，则很可能布线布不通。门海也是母片结构形式的，但母片中没有布线通道，全部由基本单元组成，以横行或竖排为单位。门海若需要在单元上走金属连线时，则对应的半导体单元自动作废。若采用多层布线，则门海会有相当大的布线自由度。门海如图1-6所示。图1-6 门海母片结构中的规则布线 “母片机制”是半定制门阵列与门海的基本概念和核心技术。其优点是设计周期短，少量应用时成本较全定制要低；缺点是有效利用率低，一般只能用到70%。3)标准单元法多元胞法(Polycell)标准单元法是指将电路设计中可能经常遇到的基本逻辑单元的版图按照最佳设计原则，遵照一定外形尺寸要求，设计好并存入单元库中，需要时调用、拼接、布线。各基本单元的版图设计遵循“等高不等宽”的原则，即高度必须相等，而宽度可以不相等。各基本单元版图应是无冗余设计。标准单元法的版图设计如图1-7所示。基于标准单元的ASIC（cell-based IC，简写成CBIC）的优点：采用了预先设计、预先测试、预订性能的标准单元库，设计人员可省时、省钱，减小风险。可对单个标准单元进行个别优化。缺点：花较多的时间和费用来说设计或购买标准单元库，花费较多的时间为新的ASIC设计所有掩膜层。图1-7 标准单元法的版图布置等高不等宽 4)积木块法 图1-8给出积木块法版图结构的两个例子。积木块法是指以已成熟的产品为单元，将整个芯片划分为若干模块，规定好各模块之间的接口，分别设计各模块，然后将它们“拼接”起来。图1-8 积木块法版图结构实例 连接ASIC封装引脚的焊盘。3.可编程逻辑器件(如FPGA、CPLD等)这种集成电路使设计者不用到半导体加工厂，只需坐在实验室或家中计算机前就可以完成集成电路的设计，十分方便，而且可多次修改自己的设计，且不需更换器件和硬件。这种集成电路特别适用于产量少的产品，尤其是研究样机或在试验阶段。在大规模生产的产品中，由于可编程逻辑器件的成本相对于全定制要高很多，因此，在技术已经成熟，生产已经定型，批量又非常大的情况下，最好还是研究生产全定制集成电路。图1-9给出了产量、成本与设计方法的关系曲线。3.可编程逻辑器件(如FPGA、CPLD等)现场可编程门阵列现场可编程门阵列(FPGA)图1-9 不同产量时，成本与设计方法的关系曲线 集成电路设计方法集成电路设计方法 集成电路产品的完成由两方面配合而成，一方面是设计一方，另一方面是制造一方。设计者和制造者共同努力，促使集成电路不断进步。一般集成电路的设计和制造按照图 1-10 所示的流程进行。图1-10 ASIC设计流程集成电路设计概念集成电路制造设计方法学的重大变革设计方法学的重大变革 1.原始的手工设计阶段 早期的集成电路设计为手工设计。设计者根据总体指标要求进行逻辑设计和电路设计；然后依据图纸，做硬件实物模拟验证；再在画图版的方格纸上进行版图设计；描绘好版图后再去制版、流片、测试，最后得到成品。其设计工具就是纸和笔。2.IC-CAD集成电路计算机辅助设计阶段 随着IC-CAD技术的发展，逻辑设计、功能和时序仿真、部分版图设计和编辑、反向提取和规则检查已由计算机软件辅助完成，其典型工具有Spice、MOTIS、SEDAN等。3.EDA电子设计自动化阶段 此时以科学计算为主的计算机进入新的设计分析阶段，20世纪80年代后期，EDA技术在单元库支持的基础上，开始了能提供设计、描述、综合、优化以及验证的新时代，设计方法有了突飞猛进的发展。在系统设计行为级综合功能模拟逻辑综合时序模拟版图综合后仿真等，各个生产环节，都有许多优秀的EDA工具支撑。集成电路的设计集成电路的设计过程：过程：设计创意设计创意 +仿真验证仿真验证是是功能要求功能要求行为设计（行为设计（HDL）行为仿真行为仿真综合、优化综合、优化网表网表时序仿真时序仿真布局布线布局布线版图版图后仿真后仿真否否是是否否否否是是Sing off3.EDA电子设计自动化阶段EDA设计工具的选择 EDA设计工具选择的金字塔方案如图1-12所示，该图给出随着工艺变化和规模增长，EDA工具及其载体计算机选择方案的发展情况。目前，世界四大EDA供应商为：Cadence;Synopsys;Mentor Graphics;Avant。以上EDA工具以工作站为主。微机版EDA软件还有Innoveda,Tanner等。图1-12 EDA工具和计算机的选择方案 IC设设 计计 典典 型型 的的 是是 采采 用用 Top-down的的 设设 计计 方方 法法，将将一一个个系系统统芯芯片片设设计计分分解解成成若若干干个个模模块块，规规定定好好各各模模块块之之间间的的接接口口，然然后后由由设设计计师师分分工工负负责责设设计计各各模模块块电电路路与与版版图图。各各模模块块又又分分为为若若干干个个层层次次，按按照照规规则则化化程程序设计各层次，序设计各层次，最后按事先规定好的接口拼接。最后按事先规定好的接口拼接。层次化是为了使复杂系统得到简化，并能够进行逐层次化是为了使复杂系统得到简化，并能够进行逐层地验证；层地验证；结构化是为了使复杂的系统变得规整性、并进行结构化是为了使复杂的系统变得规整性、并进行模块化，便于多人同时设计，且能重复使用规整得子模块化，便于多人同时设计，且能重复使用规整得子模块；模块；一般来说，一般来说，层次级别越高，抽象程度越高；级别越层次级别越高，抽象程度越高；级别越低，细节越具体。低，细节越具体。集成电路设计的层次集成电路设计的层次系统芯片系统芯片逻辑门逻辑门晶体管电路晶体管电路VoutVinVoutVin宏模块宏模块+器件器件n+SDn+G集成电路走向系统芯片SOCSOCSystem On A Chip集成电路走向系统芯片ICIC的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高、功耗很小，但由于PCBPCB板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法性以及重量等因素的限制，已无法性以及重量等因素的限制，已无法性以及重量等因素的限制，已无法满足性能日益提高的整机系统的要求满足性能日益提高的整机系统的要求满足性能日益提高的整机系统的要求满足性能日益提高的整机系统的要求ICIC设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高，ICIC规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个芯片上集成芯片上集成芯片上集成芯片上集成10108 810109 9个晶体管个晶体管个晶体管个晶体管分分立立元元件件集成集成电路电路 I C 系系 统统 芯芯 片片System On A Chip(简称简称SOC)将整个系统集成在将整个系统集成在一个一个微电子芯片上微电子芯片上在需求牵引和技术在需求牵引和技术推动的双重作用下推动的双重作用下系统芯片系统芯片(SOC)与集成与集成电路电路(IC)的设计思想是的设计思想是不同的，它是微电子技不同的，它是微电子技术领域的一场革命。术领域的一场革命。集成电路走向系统芯片七十年代的集成电路设计七十年代的集成电路设计微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互连主流主流CAD：图形编辑：图形编辑VddABOut八十年代的电子系统设计八十年代的电子系统设计 PCB集成集成 工艺无关工艺无关系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:门阵列门阵列 标准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片世纪之交的系统设计世纪之交的系统设计SYSTEM-ON-A-CHIPSYSTEM-ON-A-CHIP深亚微米、超深亚深亚微米、超深亚 微米级工艺微米级工艺基于基于IP复用复用主流主流CAD：软硬件协：软硬件协 同设计同设计MEMORYMEMORYCache/SRAM Cache/SRAM or even DRAMor even DRAMProcessorProcessorCoreCoreDSP DSP Processor Processor CoreCoreGraphicsGraphicsMPEGMPEGVRAMVRAMMotionMotionEncryption/Encryption/DecryptionDecryptionSCSISCSIEISA InterfaceEISA InterfaceGlueGlueGlueGluePCI InterfacePCI InterfaceI/O InterfaceI/O InterfaceLAN InterfaceLAN InterfaceSOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)设计方法SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的输出缓冲器使DRAM和CPU之间的速度接近集成电路走向系统芯片 SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标若采用IS方法和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 0.18m工艺制作的IC所实现的同样系统的性能与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低集成电路走向系统芯片21世纪的微电子世纪的微电子将是将是SOC的时代的时代