微電子與IC芯片設(shè)計(jì)概述

1、微電子與IC芯片設(shè)計(jì)概述技術(shù)創(chuàng)新，變革未來中國芯技術(shù)系列微電子技術(shù)20世紀(jì)最偉大的技術(shù)信息產(chǎn)業(yè)最重要的技術(shù)進(jìn)步最快的技術(shù)微電子技術(shù)應(yīng)用 芯片，現(xiàn)代社會的基石 PDA：掌上電腦 內(nèi)存條 手機(jī)計(jì)算機(jī)主板 數(shù)碼相機(jī)電子產(chǎn)品世界第一臺通用電子計(jì)算機(jī)-ENIAC1946年2月14日在美國賓夕法尼亞大學(xué)的莫爾電機(jī)學(xué)院誕生(莫科里 )，由18,800多個電子管組成，重量30多噸，占地面積170多平方米 。大?。洪L30.48m，寬6m，高2.5m；速度：5000次/sec；功率：150KW；平均無故障運(yùn)行時(shí)間：7min電子產(chǎn)品智能手機(jī)2012年2月14日在美國蘋果公司發(fā)布IPHONE5手機(jī)，CPU型號：蘋果

2、A6CPU頻率：1024MHzGPU型號：Imagination PowerVR SGX543 MP3RAM容量：1GBROM容量：16GB。手機(jī)尺寸：123.8x58.6x7.6mm手機(jī)重量：112g微電子技術(shù)飛速進(jìn)步 自從IC誕生以來，IC芯片的發(fā)展基本上遵循了公司創(chuàng)始人之一的GordonE.Moore 1965年預(yù)言的摩爾定律。該定律說： 當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。換言之，每一美元所能買到的電腦性能，將每隔18個月翻兩倍以上。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。 微電子技術(shù)飛速進(jìn)步 摩爾定律應(yīng)用于汽車行業(yè) 1965年Silve

3、r Shadow 售價(jià)10000英鎊 ？0.0000023英鎊=0.3分起源沙子沙子：硅是地殼內(nèi)第二豐富的元素，而脫氧后的沙子(尤其是石英)最多包含25的硅元素，以二氧化硅(SiO2)的形式存在，這也是半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。硅提純硅熔煉：12英寸/300毫米晶圓級，下同。通過多步凈化得到可用于半導(dǎo)體制造質(zhì)量的硅，學(xué)名電子級硅(EGS)，平均每一百萬個硅原子中最多只有一個雜質(zhì)原子。此圖展示了是如何通過硅凈化熔煉得到大晶體的，最后得到的就是硅錠(Ingot)。硅錠單晶硅錠：整體基本呈圓柱形，重約100千克，硅純度99.9999。硅片硅錠切割：橫向切割成圓形的單個硅片，也就是我們常說的晶圓(Wafe

4、r)。順便說，這下知道為什么晶圓都是圓形的了吧？加工晶圓晶圓：切割出的晶圓經(jīng)過拋光后變得幾乎完美無瑕，表面甚至可以當(dāng)鏡子。事實(shí)上，Intel自己并不生產(chǎn)這種晶圓，而是從第三方半導(dǎo)體企業(yè)那里直接購買成品，然后利用自己的生產(chǎn)線進(jìn)一步加工，比如現(xiàn)在主流的45nm HKMG(高K金屬柵極)。值得一提的是，Intel公司創(chuàng)立之初使用的晶圓尺寸只有2英寸/50毫米。涂膠光刻膠(Photo Resist)：圖中藍(lán)色部分就是在晶圓旋轉(zhuǎn)過程中澆上去的光刻膠液體，類似制作傳統(tǒng)膠片的那種。晶圓旋轉(zhuǎn)可以讓光刻膠鋪的非常薄、非常平。光刻光刻：光刻膠層隨后透過掩模(Mask)被曝光在紫外線(UV)之下，變得可溶，期間發(fā)生

5、的化學(xué)反應(yīng)類似按下機(jī)械相機(jī)快門那一刻膠片的變化。掩模上印著預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路圖案，紫外線透過它照在光刻膠層上，就會形成微處理器的每一層電路圖案。一般來說，在晶圓上得到的電路圖案是掩模上圖案的四分之一。光刻光刻：由此進(jìn)入50-200納米尺寸的晶體管級別。一塊晶圓上可以切割出數(shù)百個處理器，不過從這里開始把視野縮小到其中一個上，展示如何制作晶體管等部件。晶體管相當(dāng)于開關(guān)，控制著電流的方向?，F(xiàn)在的晶體管已經(jīng)如此之小，一個針頭上就能放下大約3000萬個。光刻光刻膠：再次澆上光刻膠(藍(lán)色部分)，然后光刻，并洗掉曝光的部分，剩下的光刻膠還是用來保護(hù)不會離子注入的那部分材料。離子注入離子注入(Ion Impla

6、ntation)：在真空系統(tǒng)中，用經(jīng)過加速的、要摻雜的原子的離子照射(注入)固體材料，從而在被注入的區(qū)域形成特殊的注入層，并改變這些區(qū)域的硅的導(dǎo)電性。經(jīng)過電場加速后，注入的離子流的速度可以超過30萬千米每小時(shí)。清除光刻膠清除光刻膠：離子注入完成后，光刻膠也被清除，而注入?yún)^(qū)域(綠色部分)也已摻雜，注入了不同的原子。注意這時(shí)候的綠色和之前已經(jīng)有所不同。晶體管就緒晶體管就緒：至此，晶體管已經(jīng)基本完成。在絕緣材(品紅色)上蝕刻出三個孔洞，并填充銅，以便和其它晶體管互連。電鍍電鍍：在晶圓上電鍍一層硫酸銅，將銅離子沉淀到晶體管上。銅離子會從正極(陽極)走向負(fù)極(陰極)。電鍍銅層：電鍍完成后，銅離子沉積在晶

7、圓表面，形成一個薄薄的銅層。拋光拋光：將多余的銅拋光掉，也就是磨光晶圓表面。金屬層金屬層：晶體管級別，六個晶體管的組合，大約500納米。在不同晶體管之間形成復(fù)合互連金屬層，具體布局取決于相應(yīng)處理器所需要的不同功能性。芯片表面看起來異常平滑，但事實(shí)上可能包含20多層復(fù)雜的電路，放大之后可以看到極其復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)，形如未來派的多層高速公路系統(tǒng)。晶圓測試晶圓測試：內(nèi)核級別，大約10毫米/0.5英寸。圖中是晶圓的局部，正在接受第一次功能性測試，使用參考電路圖案和每一塊芯片進(jìn)行對比。晶圓分割晶圓切片(Slicing)：晶圓級別，300毫米/12英寸。將晶圓切割成塊，每一塊就是一個處理器的內(nèi)核(Die)。

8、分選丟棄瑕疵內(nèi)核：晶圓級別。測試過程中發(fā)現(xiàn)的有瑕疵的內(nèi)核被拋棄，留下完好的準(zhǔn)備進(jìn)入下一步。內(nèi)核單個內(nèi)核：內(nèi)核級別。從晶圓上切割下來的單個內(nèi)核，這里展示的是Core i7的核心。封裝封裝：封裝級別，20毫米/1英寸。襯底(基片)、內(nèi)核、散熱片堆疊在一起，就形成了我們看到的處理器的樣子。襯底(綠色)相當(dāng)于一個底座，并為處理器內(nèi)核提供電氣與機(jī)械界面，便于與PC系統(tǒng)的其它部分交互。散熱片(銀色)就是負(fù)責(zé)內(nèi)核散熱的了。成品處理器：至此就得到完整的處理器了(這里是一顆Core i7)。這種在世界上最干凈的房間里制造出來的最復(fù)雜的產(chǎn)品實(shí)際上是經(jīng)過數(shù)百個步驟得來的，這里只是展示了其中的一些關(guān)鍵步驟。包裝等級測

9、試：最后一次測試，可以鑒別出每一顆處理器的關(guān)鍵特性，比如最高頻率、功耗、發(fā)熱量等，并決定處理器的等級，比如適合做成最高端的Core i7-975 Extreme，還是低端型號Core i7-920。裝箱：根據(jù)等級測試結(jié)果將同樣級別的處理器放在一起裝運(yùn)。零售包裝：制造、測試完畢的處理器要么批量交付給OEM廠商，要么放在包裝盒里進(jìn)入零售市場。這里還是以Core i7為例。利用MEMS技術(shù)可以生產(chǎn)各種復(fù)雜的3-D結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢 微循環(huán)陀螺儀陀 螺電路設(shè)計(jì)芯片里面是什么呢？什么是集成電路？IC Integrated Circuit半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體材料-硅、鍺等襯底+摻雜能不能把這些半導(dǎo)體器件組成的電路做

10、在一起？ -集成電路IC集成電路就是指采用半導(dǎo)體工藝，將一個電路中所需要的晶體管、二極管、電阻、電容等元器件連同它們之間的電氣連線在一塊半導(dǎo)體晶片上制作出來集成電路的發(fā)展摩爾定律最典型的IC-CPUIC設(shè)計(jì)公司將芯片電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好IC制造公司負(fù)責(zé)制造集成電路芯片顯微照片集成電路芯片鍵合Intel 公司CPUPentium 4電路規(guī)模：4千2百萬個晶體管生產(chǎn)工藝：0.13um最快速度：2.4GHzVLSI數(shù)字IC的設(shè)計(jì)流圖 模擬IC的設(shè)計(jì)流程圖 門陣列法設(shè)計(jì)流程圖 電子設(shè)計(jì)自動化 隨著IC集成度的不斷提高，IC規(guī)模越來越大、復(fù)雜度越來越高，采用CAD輔助設(shè)計(jì)是必然趨勢 。第一代IC設(shè)計(jì)CAD工具

11、出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代末70年代初，但只能用于芯片的版圖設(shè)計(jì)及版圖設(shè)計(jì)規(guī)則的檢查。第二代CAD系統(tǒng)隨著工作站(Workstation)的推出，出現(xiàn)于80年代。其不僅具有圖形處理能力，而且還具有原理圖輸入和模擬能力 。如今CAD工具已進(jìn)入了第三代，稱之為EDA系統(tǒng)。其主要標(biāo)志是系統(tǒng)級設(shè)計(jì)工具的推出和邏輯設(shè)計(jì)工具的廣泛應(yīng)用。 工作站平臺上的主流EDA軟件Cadence EDA軟件數(shù)字系統(tǒng)模擬工具Verilog-XL；電路圖設(shè)計(jì)工具Composer；電路模擬工具Analog Artist；射頻模擬工具Spectre RF；版圖編輯器Virtuoso Layout；布局布線工具Preview；版圖驗(yàn)證工具Dracula等 工作站平臺上