集成电路物理设计库.doc

1. 集成电路物理设计库集成电路物理设计库（PDK 和标准单元库）作为芯片制造商、EDA供应商、芯片设计者之间的桥梁。开发工作必备的资源较多：工艺信息、集成电路设计方法和 EDA 技术。从 2023 年开始，电子设计平台与共性技术研究室基于中芯国际、上海宏力、上海华虹的 65nm、90nm、 0.13um 和 0.35um 等工艺节点，开发出一系列功能完善、器件类型丰富、设计合理及参数对的的 PDK 和标准单元库，并建立了相应的设计 参考流程。在实现 PDK 完整功能的基础上，相关研发团队从设计者角度优化 参数化单元的 CDF 参数，并采用结构化的方式开发 Pcell 和批解决方 式验证 Pcell，保证了开发流程的高效性和可靠性。同时，对标准单 元进行了 OPC 校正，移向掩膜分析(PSM)，分辨率增强(RET)等 DFM 优化分析；光学模拟仿真结果证实了优化后的标准单元边沿放置误差(EPE)平均减小了 5%，即优化后的标准单元库具有更高的可靠性、准 确性和可制造性。通过验证，每套 PDK 和标准单元库都能灵活准确的 支持电路设计。可以根据芯片设计者的需求提供专业 PDK 设计服务和芯片设计技术支持。在此基础上，建立了一套完善的设计开发流程。电子设计平台与共性技术研究室开发的集成电路物理设计库的 工艺设计包（PDK：Process Design Kit）应用于数模混合 IC 设计,其包含的内容是和全定制流程紧密结合在一起的。PDK 库重要涉及以 下内容：（1） 器件模型(Device Model)：由 Foundry 提供的仿真模型文献； （2）Symbols & View：用于原理图设计的符号,参数化的设计单 元都通过了 SPICE 仿真的验证； （3）组件描述格式(CDF:Component Description Format) & Callback：器件的属性描述文献,定义了器件类型、器件名称、器件参数及参数调用关系函数集 Callback、器件模型、器件的各种 视图格式等；（4）参数化单元(Pcell:Parameterized Cell)：它由 Cadence 的 SKILL 语言编写,其相应的版图通过了 DRC 和 LVS 验证,方便设计 人员进行原理图驱动的版图(SDL:Schematic Driven Layout)设计 流程；（5）技术文献(Technology File)：用于版图设计和验证的工艺 文献,包含 GDSII 的设计数据层和工艺层的映射关系定义、设计数 据层的属性定义、在线设计规则、电气规则、显示色彩定义和图 形格式定义等；（6）物理验证规则文献(PV Rule File)：包含版图验证文献集(DRC/LVS/RC)。而集成电路物理设计库的标准单元库应用于大规模数字 IC 设计,从前端功能仿真到后端版图实现支撑着整个数字 IC 设计流程。标准 单元库研究的重要内容涉及:（1） 网表信息文献：包含标准单元的器件尺寸和节点连接关系。（2）Verilog/VHDL 模型：提供 verilog/VHDL 模型，行为级网表，用于 verilog/VHDL 网表仿真。（3）Symbols 模型：符号库模型文献，供原理图工具，综合工具的电路图显示。（4）GDSII：具有标准单元的 layout 信息，提供应 layout 设计 工具，如 Astro、ICC、Virtuoso，laker 等。（5）LEF：定义布局布线的设计规则和晶圆厂的工艺信息，标准单元的物理信息(单元的放置区域，对称性，面积大小供布局时使用)，单元输入输出端口的布线层、几何形状、不可布线区域以及天线效应参数供布线使用；（6）.lib 综合库模型：包含工艺信息，标准单元时延、面积、 功耗信息，可用于的 DC、PT、Astro、ICC 等工具；（7）Fastacsn：用于生成测试向量的，综合之后插入 DFT 扫描链时使用； （8）噪声库：信号完整性分析。2. 知识产权 IP 核库电子设计平台与共性技术研究室通过数年开展的 IP 技术，积累 经验，与国内外重要代工厂和 IP 供应商建立了良好的合作关系，并 已开展 IP 库建设的研究。该库的建设可以提高 IP 服务能力，促进专 用电路的 IP 转化，并为 IP 集成应用提供指导。IP 模型提取技术针 对时序模型、功耗模型、物理模型、接口逻辑模型、天线模型和仿真 模型等。通过对知识产权 IP 核库的进一步研究，该项技术方法产业化，能 够在很大限度上解决现在国内 IP 应用面临的很多问题，涉及 IP 价格 过高，IP 查询不便，质量无保证，接口不标准，使用不便等问题。 知识产权 IP 核库的建立，真正促进 IC 设计业发展，通过 IP 设计、IP 标准、IP 标准等方面的方法学的运用，帮助公司开发、包装、整合 IP 资源，建立可供互换和复用的 IP 库，减少中小公司进入行业的门槛。3. 32nm以下设备关键技术研究和创新设备技术探索02专项项目“32nm 以下设备关键技术研究和创新设备技术探索”取得重大进展，突破了等离子体浸没注入、激光退火、原子层沉积、薄层对流清洗、中性粒子刻蚀、光子筛无掩模光刻、二氧化碳超临界清洗和常压等离子体去胶八种新原理装备的核心技术。同时，本项目的研究成果已应用于黑硅太阳能电池和超浅结制造，纳米C3N4、TiO2、AL2O3和HfO2薄膜生长，及Smart-Cut制备二维电子材料等多项技术研究。其中，多晶黑硅太阳能电池转换效率达成16.8%，高于同批次普通电池0.5个百分点；原子层沉积设备已开始产业化推 广，并开展了多片式PEALD设备开发；高效率固态射频电源核心技术 获得突破，500W电源实现小批量试产。此外，该项目中的多项技术已 与相关公司进行了技术合作，开展产业化开发和推广。本项目的开展使微电子所占据了国内新原理IC装备技术创新的制 高点，并在国际上实现了与现有设备厂商在创新技术领域互相竞争的 态势，在IC装备领域拥有了自己的一席之地。32nm 以下关键设备4. 有机基板实验线依托微电子所系统封装技术研究室（九室）牵头承担的 02 重大 专项 “高密度三维系统级封装的关键技术研究”项目，目前国内设 备最完善、技术水平最高的先进封装实验室在微电子所初步建成（如 图 30 所示），重要涉及：有机基板实验室、微组装实验室、可靠性 与失效分析实验室、电学测试实验室、设计与仿真实验室等，其中有 机基板实验线已经通过验收开始试运营，现已成功在 FR4 板上制作出15um/15um 线宽线距的光刻图形（如图所示），在此基础上成功 采用半加成工艺制作出线宽线距为 10m/20um 的铜电路图形（如图所示）。此项技术使微电子所初步具有了加工高密度三维封装基板的 能力，以及参与研究开发高端三维封装基板国际竞争的技术基础，标 志着微电子所高端封装基板的实验室电路加工能力达成世界先进水平。先进封装实验室设备（部分）线宽线距 15um/15um 的光刻胶图形线宽线距 10um/20um 铜电路截面照片5. NeeMo 关爱系列NeeMo 是高科技的个人 GPS 追踪定位装置，灵敏度高，设备采用 双模定位，GPS 卫星与 GSM 基站定位配合使用，技术更加完善，保证 室内室外随时在线。NeeMo 语音中心让你和 NeeMo 设备自如语音互动，并且 NeeMo 具有 摔倒功能，老人出现意外跌倒，Neemo 立刻声音报警，提醒周边的人， 并且即刻向监护人手机发送警告信息与当前位置信息。NeeMo.org 具有全面的进入离开等安全管理操作及随时随地的提醒你 家人位置情况的服务NeeMo 心电监护系列：NeeMo 心电监护系统产品合用于心脏活动不稳定的病人如心肌梗死或心律失常等患者的监护。设备能随时了解心脏活动的状况，心脏活动异常时及时报警，给您随时随地的关爱和庇护。功能讲解图及设备解析图设备网络服务设备网络功能概述6. 牙科实时监控系统Teemo 是一个超薄可反复使用的传感器形状适合牙弓，并连接到您现有的 PC 的 USB 端口。评估咬合力量很简朴，只要有病人咬上传感器，计算机将显示时机和力量数据分析，当咬合不平衡时，会产生牙齿疼痛、修复过的牙齿的断裂、牙周病、牙齿脱落、头痛、颞下颌关节障碍、牙床萎缩和松动、牙齿磨损、敏感度增长。根据 Teemo 提供的咬合信息来帮助牙医去修复牙齿和治疗牙病，使咬合平衡。Teemo可以查看患者的所有咬合记录，这样对比下来，有助于牙医和患者看到牙齿的修复过程。该项目技术重要涉及三部分：1、涉及柔性传感器阵列的制作；2、高速数据扫描，传输以及解决的电路的设计；3、相关牙科压力检测解决和软件算法的开发。传感器及支架设备手柄和支架及组装图7. 可视多传感器姿态检测终端可视多传感器姿态检测终端是集成电路先导工艺研发中心基于ARM11 硬件平台，集成了姿态传感器、摄像头、雷达、温度传感器、LCD 液晶显示屏等模块于一体，在软件平台上实现了摄像、温度测量、 测距，以及姿态信息的综合显示的检测终端。该终端重要功能涉及：4.3 寸大屏幕信息显示、温度监测、三维 运动状态检测、视频采集与解决、超声测距。该终端具有：全触摸屏操作，安全便捷；外观简朴实用；多传感 器数据融合和可扩展应用的特点。合用于智能交通系统中的物流运送车辆，特别是危险品运送，冷 链物流等特殊物流行业应用，结合不同行业的业务特点实现车辆三维 姿态检测（侧翻检测）、温度监测、测距、视频采集等功能，保证行车安全的同时提高物流运送的质量，提高行业工作效率，增强公司竞争力。可视多传感器姿态检测终端8. 集成磁性传感器集成磁性传感器以对运动物体的感知和检测为应用目的，完毕非 晶丝的高精度磁阻传感器系统功能设计，并结合高精度加速度传感器， 陀螺传感器，GPS 模块，微解决器组成系统，实现了由微解决器对运 动物体的姿态，行进方向，移动位移进行计算，实现精密定位。该传感器具有以下功能：运动物体姿态检测、运动物体前进方向 检测、运动物体位移检测、运动物体高度检测和运动物体位置检测的 功能。并具有多传感器数据融合、体积小、高精度、低功耗、全方位 感知和检测运动物体的状态的特点。本产品通过集成多种传感器实现对运动物体的前进方向、位移、 高度、三维姿态、位置的检测，从而拟定该运动物体的实时状态，可 应用于航空航天、医疗康复、生物工程、军事体育等多个应用领域的 多个场景，其各个子成果也有着多种应用领域，具有广阔的市场前景 和社会经济效益。集成磁性传感器9. 红外热像仪光学读出非制冷红外热像采用新型光学读出方式，无需复杂的微 读出电路，拥有低成本优势，可在社会各领域大规模普及应用。其工 作原理图如下：光读出红外热像仪原理图基于 MEMS 工艺的第三代 FPA 采用无基底、多回折、间隔镀金等 诸多独家专利技术，使该红外热像仪拥有高温度分辨率等性能优势， 其温度分辨率已达成热性红外热像仪的典型值（100mK），其理论分 辨率可以进一步达成制冷红外热像仪的典型值（10mK）；纯机械式 的 FPA 设计完全避免了电学元素，通过简朴的工艺复制即可方便的制作出超大阵列的 FPA（1024x1024），再结合基于空间滤波技术的并 行式光学读出方法，使该红外热像仪拥有实现超大阵列 FPA 的技术优势。非制冷红外热像仪产业化样机照片及红外图像10. 面向22纳米及以下技术代的CMOS器件集成技术研究在 22 纳米技术代 CMOS 器件集成技术研究中，实现了双高 K 介质/双金属栅器件集成，优化了器件性能；提出并实现了一种体硅三 栅 FinFET 新结构器件，进一步有效减少成本，促进产业化进程；同 时开展面向 15 纳米及以下技术代体硅纳米线环栅 N/PMOS 器件的研究。 共发表论文 10 篇，其中 SCI 收录 6 篇，EI 收录 3 篇。 发明专利授 权 4 项，其中美国发明专利授权 1 项；受理 45 项，其中美国受理 12项。1双高 K 介质双金属栅 CMOS 器件集成技术研究通过双高 k 介质/双金属栅 CMOS 器件集成技术研究，实现了 N、 PMOS 采用不同的高 k/金属栅,可分别进行性能优化。为此着重研究了 高 k、金属栅材料的干、湿法腐蚀特性，研发了满足高 k/金属栅集成 需要的高选择比的选择性去除工艺 ；通过开发 N、PMOS 的 HKMG 叠层 结构的同步刻蚀，简化了工艺，结合清洗工艺模块的研发，实现了双高 k、双金属栅的集成；制定了采用先栅工艺实现双高 k/双金属栅CMOS 器件制备的工艺流程，成功地制备了具有良好电学性能的双高k/双金属栅 CMOS 器件。先栅工艺双高 K 介质/双金属栅 CMOS 器件电学特性，其 NMOS 器件叠层 栅结构为 poly-Si /TaN /HfSiON /ILSiOx， PMOS 器件的叠层栅结构为 poly-Si /TaN /MoAlN/HfSiAlON /ILSiOx。2. 体硅三栅 FinFET 新结构器件的设计、制备与特性提出并实现了一种体硅三栅 FinFET 新结构器件，其 Fin 底部由SiO2 介质隔离层与衬底隔离开，消除了源漏之间泄漏电流途径；同时源漏区域仍然与衬底相连，相比 SOI FinFET，其散热性能好，成本低。(a) (b) (c) (d) （a）隔离氧化后的 SEM 照片 （b）栅电极刻蚀后 SEM 照片栅长 50nm 体硅三栅 FinFET 新结构器件电学特性（c）亚阈值特性 （d）输出特性3.面向 15 纳米及以下技术代体硅纳米线环栅 N/PMOS 器件纳米线环栅 MOSFETs 由于极强的沟道静电势控制能力已经成为器件 尺寸缩小到 15nm 节点及以下的极有希望的竞争者。提出了一种体硅 纳米线环栅 MOS 器件新结构，并提出了一套全新的低成本的在体硅上 实现纳米线环栅 CMOS 器件的器件制备工艺流程，在关键工艺研发成 功基础上，研制成功了纳米线直径为 7nm-5nm 的 N/PMOS 器件（栅长33nm-50nm），其中纳米线直径为 6nm 的体硅纳米线环栅 NMOS 器件（栅长 50nm）的饱和驱动电流为 2.7103A/m，高的开关态电流比（5108）；纳米线直径 6nm 体硅纳米线环栅 PMOS（栅长 40nm）的饱和驱动电流为 3.1103A/m，高的开关态电流比（1.5109）。N/PMOS器件的短沟道效应得到了极好的克制，Ss 分别达成了 64mV/dec 和 67mV/dec，DIBL 因子为 6mV/V 和 14mV/V。性能优于际上同类技术的67mV/dec，DIBL 因子为 6mV/V 和 14mV/V。性能优于际上同类技术的先进水平。从不同方向观测硅纳米线形貌： （a）硅纳米线俯视（左）和剖面（右）的 SEM 照片（一次氧化层尚未去掉） （b）悬浮的硅纳米线（c）在氧化剥离后的悬浮硅纳米线，纳米线直径 6nm（栅氧化前）Poly-Si 栅电极形成后的 SEM 剖面 （d）照片体硅纳米线环栅 N/P MOSFETs 的电学特性11. 高压驱动芯片取得突破射频集成电路研究室的技术团队在“863”项目的资助下，成功开发出一款多稳态高压驱动电路芯片，并成功实现无源电子纸显示屏（Passive - EPD）的驱动，为国内相关显示器技术的产业化解决了驱 动集成电路这一瓶颈问题。射频集成电路研究室该项目的 863 伙伴“苏州汉朗光电”的 EPD技术起源于剑桥大学，在 EPD 材料领域通过了数年的积累，具有大尺 寸和真彩支持等优点。本次产品开发是基于超高压 CMOS 工艺（90V）的多电压 Driver 设计并一次流片成功，产品在超高压 CMOS 工艺上使 用了正、负对称高压输出设计。相比于同类单侧高压设计，便于简化 显 示 器 驱 动 电 源 设 计 ， 并 在 EPD 领 域 首 次 实 现 超 高 压 COG（Chip-On-Glass）封装驱动。项目团队同时也进行了 EPD 显示器单 侧高压输出和基于恒流源的驱动芯片设计，单侧高压输出的设计同样 获得成功验证。基于恒流源的设计可望用于 OLED、LED 背光等其他应 用场合。该驱动芯片低耗电且绿色环保，提高了能源运用率，本次超 高压 EPD 驱动芯片的流片成功为其后续的产业化打下了良好的基础。高压驱动芯片12.宽带无线通信射频芯片与模块研发取得阶段性进展在国家重大专项和科技部国际合作项目支持下，通过 3 年多努力， 射频集成电路研究室 UWB 超宽带无线通信、60GHz 毫米波通信和 4G移动通信射频芯片与模块研发均攻克了核心技术，实现了系统验证， 研制出的 6-9GHz 超宽带射频芯片组和搭建出射频模块，完毕了首个 符合中国标准和频谱规划的超宽带演示系统，成果被推荐列入十一五 科技成果汇编；基于 60GHz 毫米波通信系列芯片和毫米波通信模块，成功实现了高速传输演示；开发出了兼容TD-SCDMA 和 TD-LTE 的 4G射频芯片与模块，完毕了支持 44 MIMO 的 IMT-Advanced 系统演示。 射频芯片研发成果获得了北京市科委的产业化项目支持，依托北京市4G 联盟，推动新一代移动通信射频芯片的产业化进程。(a)6-9GHz 超宽带射频芯片 (b)毫米波无线传输演示系统（a）4G 终端射频芯片 （b）44 MIMO 射频收发模块13.多模卫星导航芯片组与接受机模块中国科学院微电子研究所在卫星导航领域长期投入，已有 8 年以 上的积累，先后得到中科院知识创新重大项目、863 重点项目、中国 第二代卫星导航系统专项、核高基重大专项以及地方政府重大项目的 连续支持，投入研发经费已超过 1 亿元，形成了较为完整的导航芯片 产业链布局，技术优势明显。中国科学院微电子所是中国第二代北斗卫星导航系统专项应用 推广与产业化项目的重要承担单位，在多模多通道导航射频芯片，多 模导航基带芯片已有多次成功的流片经验，并且部分型号的芯片已 经量产。基于自主研发的导航射频芯片和基带芯片，已经研制出了支 持北斗二代、GPS 和 GLONASS 的多模接受机模块，支持多模同时接受 和联合定位。“北斗二代”卫星导航系统是中国正在实行的自主发展、独立运 行的全球卫星导航系统，作为国家重大战略项目已经被列入国家中长 期科技发展规划。按照建设规划，2023 年左右，北斗卫星导航系统 将一方面提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力，2023年北斗二代导航系统将提供覆盖全球的服务能力。GPS 和 GLONASS 卫星导航系统目前已经成熟，具有覆盖全球的服务能力。 本项目的多模接受机模块支持北斗二代、GPS 和 GLONASS，接受到的卫星数目是 GPS 单模接受机模块的 2-3 倍，这样减少了初次定位时间，提高了定位精度，特别市在城市等恶劣环境中，多模接受机模 块具有更高的可靠性和更连续更精确的定位性能。本模块支持航位推 测，在没有卫星信号的区域，如隧道和停车场，可以运用外部惯性传 感器的数据进行位置推测。本项目的多模接受机模块集成了嵌入式 CPU 以及各种外设接口 如 SPI/I2C/UART 等，模块的各项技术指标也达成国际先进水平，定 位精度达成 2.5 米，授时精度达成 20ns，捕获灵敏度达成-148dBm，跟踪灵敏度达成-162dBm，热启动初次定位时间达成 1s，冷启动初次 定位时间达成 32s。多模卫星导航芯片组的特点是尺寸小、功耗低，多模双通道导航 射频芯片 HZ1112DB 的封装尺寸是 9mm*9mm*0.75mm，所有功能所有打 开的全速工作模式下，工作电流为 38mA。多模导航基带芯片 ATGB02的封装尺寸也是 9mm*9mm*0.75mm，所有功能所有打开的全速工作模 式下，工作电流为 60mA。假如关闭不用的跟踪通道，功耗可以进一 步减少。多模双通道导航射频芯片 HZ1112DB