集成电路研制的必备知识及过程

一、集成电路的研制过程

集成电路虽然品种繁多，功能各异，但其研制过程都可分为下述四个主要阶段：

（1）系统和线路设计阶段。根据指标要求，采用各种手段，包括计算机辅助设计的方法，设计出既符合集成电路的特点、又满足电路功能和参数要求的电路，确定出电路的拓扑结构及各元器件的参数。要得到一个好的集成电路设计，除了要掌握传统的电路理论外，还必须掌握集成化的电路特点。

（2）版图设计阶段。将已经设计好的电路图转换为集成电路工艺加工过程所需的版图。要比较好地将电路转化为版图，必须掌握关于集成电路中半导体元器件的特性、版图布局特点和设计规则，并应了解实际工艺水平。

（3）工艺加工阶段。采用设计好的版图，通过一系列工艺步骤，做出封装好的集成电路。作为版图设计人员，不了解实际工艺水平状况和特点，显然是搞不好设计的。

（4）成品测试和分析阶段。对封装好的集成电路进行全面的功能和参数测试，并根据对测试结果的分析进一步改进线路和/或版图和/或工艺设计。要提出中肯的改进意见，当然是少不了半导体器件物理、版图设计和电路设计理论，也离不开工艺的实际情况。通过多次这种循环改进过程，就能得到性能优越、满足设计要求并能批量生产的集成电路产品。

二、集成电路设计特点

作为微电子技术核心的集成电路设计，已不再像IC发展早期那样，只是有半导体物理与器件领域技术人员就可独立承担，而必须综合半导体、线路与系统及计算机等领域的力量共同完成。这是因为集成电路的设计具有下述几个特点。

1.设计方法学的变革

由于LSI、VLSI本身已是一个比较复杂的电路系统，其设计包括有线路系统、器件、工艺、版图等多种设计内容。为了适应这一复杂的设计要求，在设计方法上的指导思想主要包括如下要点：

（1）全局优化，即考虑的重点不在于使每一个最基本的组成元件都要优化，而是使总体设计符合最优条件。为此，需对设计进行分块处理，采用积木式的设计方式，使每一块的形状、尺寸适合于总体布局，满足互连线所占面积尽量小这一目标。这时并不追求线路中所含元器件个数的多少。

（2）层次设计方法，即将一个复杂的系统设计问题逐层分解为多个复杂性较低的设计级别，直至可以进行高效设计的较简单的功能设计。这一过程称为“自顶向下”的设计（Top-Down）。当确定了整体设计安排后，设计人员即具体设计基本单元的具体线路和版图形式，形成单元库，并作出电源线、地线、总线等全局互连线的布线，逐步形成整体系统的设计。这种实现具体设计的过程是一种“由底向上”的设计方式。集成电路系统的设计就是由“自顶向下”和“由底向上”为内容的层次设计方法完成的。

2.集成化线路的特点

根据半导体技术的特点，能够集成化的电子线路在线路结构和元器件参数选定方面与用分立元器件组装的常规线路有很大区别。例如在设计双极型器件构成的模拟电路时，必须注意下述几个特点。

（1）IC中制作大容量电容很困难，电感更难办。因此电路结构不再采用阻容（RC）耦合放大器一类的线路，放大器中都是以差分对电路为基本单元。另外IC中制作高阻值的电阻也不方便。同时为了减小功耗，晶体管工作电流也较小。为了保证一定的增益。电路中广泛采用恒流源和有源负载等特殊结构。在分立元件电路中需要使用电感的场合，对于集成电路而言则通过改变结构避免使用电感，或者使用外置电感。

（2）目前双极型IC工艺流程基本是围绕如何使NPN型晶体管具有最佳特性而安排的，其他元器件（如电阻、电容、PNP晶体管等）是尽量不增加工序，在制作NPN管的过程中同时形成的。这样，双极型IC中的PNP管特性就比NPN的差的多（例如PNP的β只有几到二三十），一般只在必需时才采用PNP管。

（3）双极型IC工艺中晶体管的制备比电阻、电容经济的多。例如一个30pF电容的花费相当于近10个NPN晶体管。同时晶体管参数的对称性、一致性很容易保证，并很容易实现各种特殊的器件结构，如复合晶体管、达林顿结构、可控增益PNP管等。因此电路设计中应尽量采用晶体管，特别是NPN管。

（4）双极IC中电阻制备不但花费高，且阻值绝对误差也比分立的电阻大的多。但是其阻值之比的公差比阻值的公差好一个数量级，所以应尽量使电路特性与阻值之比关系密切，而与阻值大小的关系较弱。

3.设计与工艺间的接口

在IC发展的早期阶段，IC从设计到工艺加工的全过程可由一组人员完成。随着LSI、VLSI复杂程度上的迅速增加，从事微电子技术研究的人员已不可能完全包揽设计和工艺加工的全部研究工作。目前这两方面的工作相对独立。为了保证设计和工艺加工之间明确而严格的接口，在IC设计中采用了一套设计规则。所谓设计规则就是由工艺线提供典型的工艺流程以及与该工艺流程相应的一组几何参数（主要指版图设计中允许的最小条宽、间距、套刻误差等）和一组电学参数（如各掺杂区方块电阻、单位面积结电容、典型晶体管特性参数等）。只要功能设计正确，并遵循设计规则，就可保证IC研制的顺利完成。作为设计人员虽然不要求深入掌握工艺原理和操作过程，但是如果不了解工艺基本原理及实际工艺水平和特点，也不可能搞好设计。特别是如果要在IC研制中取得突破性成绩，就需要从设计和工艺两方面同时展开研究，要求电路设计与器件、工艺设计紧密结合。

4.计算机辅助设计（CAD）技术的采用

随着VLSI时代的到来，若还是采用人工设计方法，而不采用CAD技术，已不可能完成IC设计任务。实际上CAD技术的采用，特别是大量IC单元设计数据库的建立，也为广大电路系统领域的人员转向微电子技术的研究并直接从事IC的设计创造了良好的条件。目前CAD技术正在向设计自动化发展。

三、集成电路设计需要的知识范围

集成电路发展到现在的SOC阶段，既不再是模拟的“放大器”或数字的“与非门”一类的基本单元电路的概念，也不再是模拟的“锁相环”或数字的“全加器”一类的功能电路的概念，甚至不再是模拟的“接收机”或数字的“CPU”一类子系统的概念，而是变成了包含多种模拟和数字子系统、硬件和软件功能的复杂的信息处理系统。因此，集成电路设计需要的知识范围已大为扩展。概括起来可分为以下四个方面。

（1）系统知识。这里的系统范围很广：对于计算机学科，有计算机的软硬件系统；对于通信学科，有程控电话系统、无线通信系统、光纤通信系统等；对于信息学科，有各种信息处理系统；对于控制学科，有各种控制系统。如果说以往从事系统研究的工程师是在器件和电路工程师完成的工作基础上构建系统的话，到了SOC时代，系统工程师必然亲自参与SOC级别集成电路的设计。另一方面，以往的器件和电路工程师在SOC时代必须熟悉系统，以实现SOC的设计。这就是说，所有的集成电路设计工程师都必须掌握一定的系统知识。这些知识包括软件和硬件两个方面。对于从事前端设计的工程师来讲，则必须对系统的理解达到精通的程度。

（2）电路知识。既然是集成电路设计，电路知识就是核心知识。集成电路设计工程师，特别是在逻辑门级、晶体管级和版图级从事设计的工程师，必须对各类功能电路和基本单元电路的原理和设计技术达到融会贯通的程度。集成电路设计相对于数字电路、模拟电路和模数混合电路设计需要更多的知识、技术和经验。射频电路RFIC、微波单片集成电路MMIC、毫米波单片集成电路M3 IC，Gb/s速度级超高速集成电路的设计，更需要特殊的知识、技术和经验。

（3）工具知识。从VLSI到SOC，芯片上晶体管的数目达到了数千万量级，它们形成的网络方程的阶数可能达到同样量级。我们知道小于10阶的线性方程也许还可用手工求解，10阶以上就很难想象用手工计算了。何况晶体管本身是非线性器件，由它们组成的网络方程是高度复杂的非线性方程。另外，系统级芯片不仅包含硬件部分，还包含软件部分。这样的芯片绝非用手工可以分析和设计的。事实上，从小规模集成电路开始，人们就引入了计算机辅助设计（CAD，Computer-Aided Design）技术，开发了一系列CAD软件工具。SPICE程序就是著名的集成电路分析程序，经过30余年的发展，如今已成为集成电路设计的工业标准。随着设计自动化程度的提高，出现了如Cadence、Synopsis和Mentor Graphics等开发电子设计自动化（EDA，Electronic Design Automation）的专业公司，开发出一系列EDA软件工具。现在，从功能验证，逻辑分析和综合，电路分析到版图设计都有多家公司提供的多种类型软件工具的支持。因此，集成电路设计工程师必须根据所从事的设计任务和内容掌握相应的软件工具。譬如，在逻辑电路级从事设计的工程师就需要掌握VHDL或Verilog等硬件描述语言和相应的分析和综合工具。在晶体管级从事电路设计的工程师就需要掌握SPICE或类似的电路分析工具。设计版图时则需要版图设计工具。(www.xing528.com)

（4）工艺知识。集成电路的设计，特别是涉及后端（back-end）即物理层（physical layer）的设计与工艺制造息息相关。无生产线加代工模式的IC设计工程师虽然不需要直接参与集成电路的工艺流程，掌握工艺的每一个细节，但掌握IC设计所用元器件的特性和物理数学模型，了解制造工艺的基本原理和过程，对于IC的成功设计是大有帮助的。事实上，集成电路设计工程师最好是熟悉集成电路制造过程中从芯片外延和掩膜制造，一步步光刻、材料淀积和刻蚀、杂质扩散或注入，一直到流片封装的全过程，关心每一步工艺对元器件和电路性能的影响。这样才能读懂代工工艺厂家提供的设计文件（Design Kits）。全面地利用、甚至充分地挖掘出工艺的潜力，在现有工艺的基础上，成功地创造出功能最强和性能最佳的集成电路。

小　结

1.微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路及系统的电子学分支。

2.集成电路：Integrated Circuit，缩写IC。是指通过一系列工艺，在单片半导体材料上（Si或GaAs）加工出许多元器件（有源和无源），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功能。

3.晶体管的发明：1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。

4.1958年以德克萨斯仪器公司基尔比（Clair Kilby）研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布，12个器件制作于Ge晶片上。集成电路发展水平的标志：集成度（元件/芯片）、IC加工工艺的特征尺寸、生产IC所用的硅片的直径、芯片的速度（时钟频率）。

5.摩尔定律：集成电路产业的集成度按照每18个月翻一番的速度递增。特征尺寸是指器件中最小线条宽度，常常作为技术水平的标志。

6.集成电路的分类

（1）按照器件结构类型

双极集成电路：主要由双极晶体管构成NPN型双极集成电路PNP型双极集成电路。

金属-氧化物-半导体（MOS）集成电路：主要由MOS晶体管（单极晶体管）构成

CMOS（互补MOS）双极-MOS（BiMOS）集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。

（2）按照集成电路规模

小规模集成电路（Small Scale IC，SSI）中规模集成电路（Medium Scale IC，MSI）大规模集成电路（Large Scale IC，LSI）。超大规模集成电路（Very Large Scale IC，VLSI）特大规模集成电路（Ultra Large Scale IC，ULSI）巨大规模集成电路（Gigantic Scale IC，GSI）按照结构形式

（3）按照电路功能

数字集成电路（Digital IC）：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。

模拟集成电路（Analog IC）：它是指处理模拟信号（连续变化的信号）的集成电路。

线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等。

非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路（Digital-Analog IC），例如数模（D/A）转换器和模数（A/D）转换器等。

思考与练习

1.按规模划分，集成电路的发展已经经历了哪几代？它的发展遵循了一条业界著名的定律，请说出是什么定律？

2.集成电路的分类标准有哪些？可以怎样分类？

3.什么是无生产线集成电路设计？列出无生产线集成电路设计的特点和环境。

4.多项目晶圆（MPW）技术的特点是什么？对发展集成电路设计有什么意义？

5.集成电路设计需要哪四个方面的知识？