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集成电路设计流程与工艺流程论文.doc

集成电路设计流程与工艺流程论文

艾西云婷
2017-10-27 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《集成电路设计流程与工艺流程论文doc》,可适用于高等教育领域

集成电路设计流程与工艺流程论文超大规模集成电路课程论文题目:集成电路设计生产及工艺流程院系:物理与电子工程学院专业:电子信息科学与技术年级:三年级学号:姓名:汪星指导老师:张婧婧完成时间:年月日星期六集成电路设计生产及工艺流程作者:汪星指导老师:张婧婧,襄樊学院,物理与电子信息工程学院,摘要:集成电路IC(integratedcircuit)是现代信息产业群的核心和基础集成电路产业对国民经济、国家安全、人民生活和社会进步正在发挥着越来越重要的作用因此发展我国集成电路产业对促进国民经济信息化的具有重要作用也是信息产业发展的重中之重。集成电路设计业是集成电路产业中的一个重要环节它是连接芯片制造和系统整机生产的纽带是提升集成电路产品创新和整机功能的驱动器。关键词:发展趋势工艺流程ICdesignprocessandengineeringtechnologyWriter:WangXingDirector:ZhangJingjing(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,XiangfanUniversity)Abstract:IC(integratedcircuit)industrygroupisthecoreofmoderninformationandbasisfortheintegratedcircuitindustrytothenationaleconomy,nationalsecurity,people'slivesandsocialprogressareplayinganincreasinglyimportantroleTherefore,thedevelopmentofnationaleconomyofChina'sICindustryhasanimportantroleofinformationtechnology,informationindustryisatoppriorityICdesignindustryisanimportantpartofindustry,itistoconnectthechipmanufacturingandthewholeproductionsystemlinkICistoenhanceproductinnovationanddrivethemachinefunctionsInthischapter,thedevelopmentofintegratedcircuitdesignfirstintroducedthestatusquoanddevelopmenttrend,thenintroducedthemodernICdesignindustryismainlyusedinthedesignKeywords:developmenttendencytechnologicalprocess引言集成电路简称IC是信息产业的核心和先导被世界各国列为国家战略工业之首。日本、韩国、台湾和今天中国大陆的经济起飞无不是从IC工业开始。目前中国集成电路产业已经形成了IC设计、制造、封装测试三业及支撑配套业共同发展的较为完善的产业链格局,集成电路设计业是集成电路产业的源头它是连接芯片制造和系统整机生产的纽带是提升集成电路产品创新和整机功能的驱动器。因此发展我国集成电路产业是推动国民经济信息化的重要保证也是信息产业发展的重中之重。国内外IC的发展情况及发展趋现今世界上超大规模集成电路厂(台湾称之为晶圆厂为叙述简便本文以下也采用这种称谓)主要集中分布于美国、日本、西欧、新加坡及台湾等少数发达国家和地区其中台湾地区占有举足轻重的地位。但由于近年来台湾地区历经地震、金融危机、政府更迭等一系列事件影响使得本来就存在资源匮乏、市场狭小、人心浮动的台湾岛更加动荡不安于是乎就引发了一场晶圆厂外迁的风潮。而具有幅员辽阔、资源充足、巨大潜在市场、充沛的人力资源供给等各方面优势的祖国大陆当然顺理成章地成为了其首选的迁往地。所以全国范围内的这股兴建晶圆厂的热潮就是在这种背景下产生的。我国IC设计业经过初步发展产品已经开始呈现多元化。近几年在全国IC设计业销售额中IC卡芯片所占比重一直在左右。其应用领域涵盖了交通、通信、银行、信息管理、石油、劳动保障、身份识别、防伪等诸多方面。主要设计企业有大唐微电子、中国化大、上海华虹、清华同方、复旦微电子等目前他们的产品包括以位MCU位基础的接触卡和非接触卡、位CPU接触卡和非接触卡、RF模块及射频读写IC以及智能标签等芯片。我国IC设计业的历史是以政府为主导企业数量急速扩张的道路。面对世界发达国家和地区及IC列强我国集成电路设计业无论在技术水平还是经济规模都显得极其弱小。目前虽然国内的IC设计公司很多但经验规模和设计力量偏弱主要盈利方式还是靠政府采购和行业用户大多数IC设计公司难逃被淘汰和兼并的命运此外IC设计人才短缺是困扰全球IT业界的大问题在信息产业蓬勃发展的中国显得更加突出。目前国内IC设计人员约人年以前国内IC设计人员需求量约人。目前美国SiliconValleyIC设计人员约。我国IC设计行业发展任重而道远。IC设计的两种模式集成电路设计是指根据电路功能和性能的要求在正确悬着系统弄个配置、电路形式、器件结构、工艺方案和设计规则的情况下尽量减小芯片面积降低设计成本缩短设计周期以保证全局优化设计出满足要求的基础电路。自世纪年代中期集成电路产业在工业发达国家形成以来为适应技术的发展和市场的需求产业结构经历了三次大的变革从三次变革中直接导致了集成电路设计业的形成。现在集成电路设计方法从大的方面可以分为两大类:正向设计和逆向设计(逆向工程)。正向设计正向设计即根据产品确定的指标和要求从电路原理或系统原理出发通过查阅相关规定和标准利用已有知识和能力来设计模块和电路最后得到集成电路物理实现所需要的几何图形。一般认为正向设计具体包含了以下三种基本的设计方法:自下而上(bottomup)即结构设计方法自上而下(topdown)设计方法和并行设计方法。TopdownBottomup系统分解行为设计结构设计单元设计逻辑设计功能块划分电路设计子系统设计版图设计系统总成“自上向下”与“自下向上”的设计(自下而上(bottomup)设计方法自下而上的设计方法是集成电路系统的基本设计方法其基本思想是将复杂的系统逐层进行功能块划分和描述功能块的拓扑连接直到用底层模块或部件来描述当完成底层模块或部件的描述后自下而上进行层次扩展和层次功能的仿真验证从而完成整个系统的功能设计和验证。最后根据底层模块或部件的几何图形和拓扑关系完成布图设计和验证。虽然采用自下而上设计的系统结构清晰明了但作为传统的系统硬件设计方法在系统设计的早期就将系统人为地分为硬件和软件两部分软件的开发受到硬件的严格限制软件的设计和调试常常要在硬件设计完成之后。这种设计方法的一些缺点也是很明显如要求设计者具有丰富的设计经验设计过程反复较多开发效率低可移植性差可继承性差开发时间长不易修改等等。(自上而下设计方法自上而下设计方法的思想是按从抽象到具体从概念到实现的思路和次序进行设计的从系统总体要求出发自上而下地逐步将设计内容细化最后完成系统硬件的整体设计。具体实施时首先从系统设计入手在顶层进行功能方框图划分和结构设计在方框图一级进行仿真和纠错用硬件设计语言对高层次的系统行为级进行描述并在系统级进行验证这时的设计与工艺无关。然后用逻辑综合化工具生成具体的门级逻辑电路的网表具体过程如图所示。然后再通过布局、布线、版图设计等得到最终生产所用的描述文件。采用自上而下的设计方法时主要的仿真和调试过程是在高层次完成的这有利于早期发现在结构设计上的错误避免设计反复同时也减少了逻辑仿真的工作量。图自上而下设计流程(并行设计方法随着工艺技术的发展深亚微米(DSM)已经投入使用系统级芯片的规模更大、更复杂物理连线延迟、信号串扰和噪音等互连效应及功耗都成为影响超大规模集成电路(VLSI)产品性能的重要因素。在这种情况下由于采用自上而下的设计方法与工艺无关的高层次行为功能设计时并不考虑物理上的互连效应和功耗等的影响与实际情况差异较大因而常常产生设计错误并行设计方法正是面对这一挑战而提出来的。并行设计方法一开始就考虑产品在整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素。并行设计方法要求在进行层次功能设计的同时进行层次物理设计规划或虚拟物理设计充分利用各层次设计中的信息反馈形成合理的约束集并依此优化设计。逆向设计(逆向工程)芯片反向设计(工程)是一种从人们设计的优秀芯片中提取技巧和知识的过程是获取芯片工艺、版图、电路、设计思想等信息的一种手段。简单而言芯片反向设计就是通过对芯片内部电路的提取与分析、整理实现对芯片技术原理、设计思路、工艺制造、结构机制等方面的深入洞悉可用来验证设计框架或者分析信息流在技术题也可以助力新的芯片设计或者产品设计方案。通过这种逆向分析手段我们可以帮助客户了解其他产品的设计,用于项目可行性研究、打开思路、寻找问题、成本核算等比如:在进入新领域之前评估、验证自己技术方案和设计思路的可行性通过对市场上成熟产品的研究协助解决关键性的技术问题利用已有产品的市场资源等。芯谷芯片反向设计服务包括网表电路图反向提取、电路层次化整理、逻辑功能分析、版图提取与设计、设计规则检查调整、逻辑版图验证、单元库替换以及工艺尺寸的缩放等方面。网表电路图反向提取。在芯片反向设计中网表电路图的提取是个很大的课题网表提取的质量和速度直接影响后续整理、仿真、LVS等方方面面的工作。我们在总结众多成功案例的基础上依托自主研发的软件应用可准确、快速、高质量地进行网表电路图的提取。芯片生产工艺流程芯片的制造过程可概分为晶圆处理工序(WaferFabrication)、晶圆针测工序(WaferProbe)、构装工序(Packaging)、测试工序(InitialTestandFinalTest)等几个步骤。其中晶圆处理工序和晶圆针测工序为前段(FrontEnd)工序而构装工序、测试工序为后段(BackEnd)工序。、晶圆处理工序:本工序的主要工作是在晶圆上制作电路及电子元件(如晶体管、电容、逻辑开关等)其处理程序通常与产品种类和所使用的技术有关但一般基本步骤是先将晶圆适当清洗再在其表面进行氧化及化学气相沉积然后进行涂膜、曝光、显影、蚀刻、离子植入、金属溅镀等反复步骤最终在晶圆上完成数层电路及元件加工与制作。、晶圆针测工序:经过上道工序后晶圆上就形成了一个个的小格即晶粒一般情况下为便于测试提高效率同一片晶圆上制作同一品种、规格的产品但也可根据需要制作几种不同品种、规格的产品。在用针测(Probe)仪对每个晶粒检测其电气特性并将不合格的晶粒标上记号后将晶圆切开分割成一颗颗单独的晶粒再按其电气特性分类装入不同的托盘中不合格的晶粒则舍弃。、构装工序:就是将单个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上并把晶粒上蚀刻出的一些引接线端与基座底部伸出的插脚连接以作为与外界电路板连接之用最后盖上塑胶盖板用胶水封死。其目的是用以保护晶粒避免受到机械刮伤或高温破坏。到此才算制成了一块集成电路芯片(即我们在电脑里可以看到的那些黑色或褐色两边或四边带有许多插脚或引线的矩形小块)。、测试工序:芯片制造的最后一道工序为测试其又可分为一般测试和特殊测试前者是将封装后的芯片置于各种环境下测试其电气特性如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测试后的芯片依其电气特性划分为不同等级。而特殊测试则是根据客户特殊需求的技术参数从相近参数规格、品种中拿出部分芯片做有针对性的专门测试看是否能满足客户的特殊需求以决定是否须为客户设计专用芯片经一般测试合格的产品贴上规格、型号及出厂日期等标识的标签并加以包装后即可出厂。而未通过测试的芯片则视其达到的参数情况定作降级品或废品。IC逆向设计工程技术从下图中我们不难看出在实现整个IC逆向设计的过程中涉及到很多相关的工程技术如DRC、LVS验证等下面几节我们将从三个大的方面:版图分析、设计规则以及设计验证来对相关的工程技术进行介绍。芯片化学解剖、处理、分析、显微拍照将芯片进行贴图、标线进行版图工艺分析提取电路逻辑图并仿真分析根据特定工艺进行版图设计根据特定生产线进行DRC验证电路与版图比较(LVS)从版图提取SPICE网表进行晶体管级的仿真输出标准的GDSII文件图IC逆向设计流程版图分析集成电路的版图定义为制造集成电路时所用的掩模版上的几何图形这些几何图形包括阱、有源区、多晶硅、N和P注入、接触孔以及金属层等。进行版图分析的主要目的有:一方面判断出版图使用的工艺另一方面从版图中提取电路逻辑图以进行相应的电路仿真。下面分别对一些常见的IC工艺加以介绍并对如何从版图提取电路加以分析。IC工艺分析IC工艺的发展是紧随着器件的发展而发展的同时它又反作用于器件的发展采用不同的制造工艺器件在物理特性方面就有差异最后表现在集成电路上就是采用不同工艺的集成电路有不同的性能适用于不同的应用领域。现在IC工艺主要有两大主流分别是双极工艺和MOS工艺因为双极工艺和MOS工艺各有各的优势因此还出现了结合两者优点而发展起来的BICMOS工艺。设计规则版图绘制是要根据一定的设计规则来进行的所谓的设计规则就是不管制造工艺的每一步出现什么样的偏差都能保证正确制造晶体管和各种连接的一套规则虽然设计规则有很多但具体的可以分为四大类:(最小宽度:掩模板上定义的几何图形的宽度(和长度)必须大于一个最小值该值是由光刻和工艺的水平决定的。比如若矩形多晶硅连线的宽度太窄那么由于制造偏差的影响可能导致多晶硅的断开。(最小间距:在同一层掩模板上各图形之间的间隔必须大于最小间距比如两条多晶硅连线之间间隔太小就可能造成短路在某些情况下不同层的掩模图形的间隔也必须大于最小间距比如一条多晶硅连线靠近晶体管的源或漏区时此时必须要有一最小间距来保证包围晶体管的注入区与该多晶硅连线不会发生交叠。(最小包围:有时候某些层次的掩模板是必须做在另一些层次的掩模板里面的比如一些器件必须做在N阱里面这时N阱在环绕器件时就应有足够的余量以确保即使在出现制造偏差时器件部分始终在N阱里面。(最小延伸:有些图形在其它图形的边缘外还应至少延长一个最小长度以确保一些边缘区能正常工作。在设计一个版图时需要定义好几个版图层次只有每个版图层次都符合设计规则整个版图才能符合设计规则。图为多晶硅层需要满足的设计规则当然设计规则是随着厂家的不同而不同的我们这里只是举个例子其它层次需要满足的设计规则原理上和多晶硅层是一样的可以照此类推。图A:代表在N沟道器件内多晶硅的最小宽度B:代表在P沟道器件内多晶硅的最小宽度C:代表多晶硅之间的最小距离D:代表多晶硅门超出场区的最短距离E:代表在场区上的多晶硅到注入区边缘的距离F:代表多晶硅门到注入区边缘的距离当完成一个版图的绘制时一定要进行验证如验证版图的每个层次是否都符合设计规则等下一节我们将具体介绍设计验证。设计验证上一节提到版图设计要符合一定的设计规则因此版图设计完以后一定要对它进行设计规则检查(DRC检查)但是编辑好的版图即使通过了设计规则的检查还是有可能存在错误。这些错误不是由于违反了设计规则而是可能与实际线路图不一致造成。版图中少连了一根铝线这样的小毛病对整个芯片来说是致命的所以编辑好的版图还要通过LVS(LayoutVersusSchematic)验证下面分别就在如何进行DRC和LVS验证进行介绍。DRC验证设计规则检查用于检查版图和几何设计规则的一致性根据设计规则的内容我们知道DRC检查无非就是检查版图是否符合上一节中讲述的四大方面的设计规则。下面具体介绍做DRC验证的步骤:(编写DRC文件:DRC文件是一组用UNIX文本编辑器(TextEditor)编写的ASCII文件它识别设计中的各层及Dracula执行的检验操作。Dracula的DRC文件由描述块、输入层块以及操作块构成。描述块:这部分描述了Dracula所运行的图形系统、输入输出文件名、主单元名、图形单位比例因子、分辨率等其格式如下:PRIMARY=TOP要验证模块名称PROGRAMDIR=<path>验证工具的路径SYSTEM=GDS版图数据格式INDISK=<path>topgds版图数据文件RESOLUTION=MIC版图分辨率PRINTFILE=vs定义打印输出文件的名字MODE=EXECNO定义操作模式KEEPDATA=INQUERY把验证结果保存到INQUERY中输入层块:将系统的版图层号或层名与在本文文件中定义的符号名联系起来此块指定的内容有:输入层号、层名、掩膜版顺序、输出层等如下所示:NW=定义N阱PN=定义有源区POLY=定义多晶硅层MET=定义金属层NPLU=定义NPPLU=定义PCONT=定义接触孔SUBSTRATE=SUB定义衬底操作块:这部分定义了要进行的检查操作这部分往往包含逻辑运算(logicaloperation),利用已有的层经过一定的逻辑运算(and,ornot,xor),取出需要检查的层的图形以进行DRC,检查操作包括检查图形的长度(length)、宽度(width)、间距(spacing)等。下面这一小段演示一下如何写操作块部分:notPdiffBdiffcollectandPdiffbaseemitterwidthmetalltoutputdrcextbaseltoutputdrcencholeltoutputdrc(编译规则文件:规则文件编写完成后用PDRACULA对其进行编译PDRACULA完成的工作包括:检查规则文件有无语法上的错误编译无误的规则文件将其存入jxruncom文件jxruncom文件包含着递交给Dracula的命令。(运行:在命令窗口中输入jxruncom并回车。(查看输出结果:当在描述块中设计KEEPDATA=INQUERY时运行完毕便可到版图编辑窗口中查看输出信息并根据相应信息修改版图。LVS验证LVS主要检查连接性错误和参数错误它的具体执行步骤是:从版图中通过提取命令得到一个版图对应的网表这个网表与用户的原理图网表进行同构检查检查的类型一般有:掩模区域检查、器件检查、节点检查、子电路检查。掩模区域检查:用于检查某一指定区域的版图是否与某一特定的节点相连器件检查则是检查是否有源漏相连的器件、端点悬空的器件、衬底类型不符的器件。节点检查:将查出具有不同名字对应于同一内部节点编号或者具有相同名字但对应于不同节点编号的节点前者意味着多个节点短接在一起后者意味着同一节点被断开了。电路方面的检查:ERC可用于查找与电源或地相连的子电路以及电路的输入或输出是否与其他子电路相连。子电路规则检查:不可能查找出所有的连接性错,有些错误需要通过比较版图网表与原理图是否同构来判断。图所示的电路中假设(a)为原理图网表(b)为版图网表并且在比较的过程中已知a与a′、i和i′是两对已经通过别的途径发现是互相匹配的节点i与i′的匹配导致器件N与N匹配于是器件N为不匹配器件即是从匹配节点(aa′)到不匹配器件N错误。和电学规则所检查出的那些较为平凡的错误相比网表比较所能查出的错误修改起来要困难一些需要复杂的算法来查找匹配错误。图总结因本人在学习过程中学的知识不够扎实对IC设计及其工艺流程还不是很了解对有些IC设计上的技术问题还没有认识到但是通过此次毕业论文的写作让我得到了一个很好的锻炼的机会使我对这学期来所学的知识有了更深刻的认识深刻领悟到以前学习中对相关概念理解不够设计工艺知之甚少通过这次写作我在IC设计及其制作流程上的认识比以往更加全面、更加深刻。参考文献陈瑞森(基于逆向工程的MPU及其改进芯片的设计(厦门大学理学硕士论文(顾斌赵明忠数字电路EDA设计西安电子科技大学出版社(崔澎IC设计市场大观,电子产品世界(吴冬燕集成电路版图设计的过程与方法J(苏州工职院,,()吴冬燕集成电路版图设计的技巧J(福建电脑,,()

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