集成电路技术概况 - 半导体集成电路技术是现代

集成电路技术概况 陈 岚 摘要 本文介绍了集成电路技术的分工，指出在集成电路技术的各部分中集成电路设计技术对集成电路产品的性能、可靠性、成品率及成本等起着举足轻重的作用，并最终决定一个产品的竞争力，分析了集成电路设计技术与系统设计的关系。

关键词 集成电路设计技术，系统设计，半导体技术 前言

半导体集成电路技术是现代信息技术的核心。近几十年集成电路技术的快速发展带动了整个信息技术行业的飞速发展，使电子信息产业超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统工业成为第一大产业, 同时也成为改造和拉动传统产业迈向数字时代的强大引擎和雄厚基石。可以说半导体技术的发展造就了今天信息化、网络化的数字时代。美国耶鲁大学著名半导体专家马佐平教授提出从集成电路技术规模化生产能力形成的20世纪70年代开始，人类社会进入了“硅器时代”。这形象说明了集成电路技术对现代社会的巨大推动作用。据资料统计，1999年全球集成电路的销售额为1250亿美元,以集成电路为核心的电子信息产业的世界贸易总额约占世界GNP的3%。每l~2美元的集成电路产值将带动10美元左右电子工业产值的形成, 进而带动了100美元GDP的增长[5]。预计未来10

年内,世界集成电路销售额将以年平均15%的速度增长, 2010年将达到6000~8000亿美元。我国集成电路市场的产量和销售在最近几年更是以30%的速度增长。产业规模从2000年到2004年的四年中扩大了3倍，在全球集成电路产业中所占份额由2000年的1.2%提高到3.7%，成为全球集成电路产业发展最快的地区。

集成电路技术涉及半导体器件物理、微电子学、电子学、无线电、光学以及信息学等学科领域的知识。从产业分工角度可以分为集成电路加工、集成电路设计以及集成电路测试封装等几方面。

集成电路加工技术 集成电路加工主要是通过物理或化学手段在硅材料上生成半导体器件（比如场效应管）以及器件之间的物理互连。这些器件以及器件之间的互连构成的电路功能要符合系统设计要求。集成电路加工技术涉及的知识包括半导体器件物理、精密仪器、光学等领域，具体应用在工艺流程中，包括注入、掺杂、器件模型、工艺偏差模型、成品率分析以及工艺过程设计等。按照使用的加工材料可以分为CMOS1工艺、SiGe2工艺、AsGa3工艺以及双极工艺等。由于可规模化生产技术的水平和价格

等多方面因素，目前最常用的是CMOS工艺以及双极型工艺。衡量CMOS加工技术的主要技术指标是硅基上MOS器件的沟道长或者是1/2 metal pitch（metal pitch = 一条金属连线允许的最小宽+金属连线之间允许的最小间距） 或者1/2poly pitch（poly pitch = 一条多晶允许的最小宽+多晶体之间允许的最小间距）[1]。

在近十几年的时间里，集成电路加工工艺水平一直按照摩尔（Moore）定律在快速发展。目前国际上主要的集成电路代工厂可规模化生产的加工水平已经到0.13µm，像Intel、TI以及IBM等IDM4

公司的加工工艺水平已经达到90nm。按照ITRS[3]的预计到今年，80nm（1/2 pitch）的逻辑工艺可以达到规模化加工水平，到2008年逻辑工艺水平可以达到57nm 1/2 pitch[1]。

集成电路测试、封装技术 集成电路测试包括完成在硅基上产生符合功能要求的电路后对裸片硅的功能和性能的测试（中测）以及封装后的测试（成品测试）。集成电路封装是指为了防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀造成电气性能下降，为保证集成电路产品长期有效工作，为便于保存、运输以及在PCB上安装而在裸片外部加上的与自然环境隔离的保护措施。在行业中通常把测试和封装统称为集成电路后道工

1 Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体

2 Silicon Germanium 硅锗

3 Gallium Arsenide 砷化镓

4 Integrated Device Manufacturers集成器件制造商 序。 随着芯片加工工艺的进步，单芯片集成度的大幅度提高，对测试技术提出了越来越高的要求。除了机台上测试技术的研究，目前在测试技术方面针对集成电路可测性和易测性的设计技术（DFT5），从验证平台到测试平台的测试矢量转换等成为集成电路测试技术研究的热点和方向。

在集成电路封装方面，按照封装使用的管壳材料可以分为塑料封装和陶瓷封装；按照管壳形状以及管脚分布和特征又可以分为DIP、PQFP、TSOP、TSSOP、 PGA、BGA、QFP、TQFP等封装形式。由于集成电路芯片的工作频率越来越高，功耗越来越大，对封装技术，比如管壳的散热、寄生参数、电磁兼容等特性提出了更高要求。

集成电路设计技术 集成电路设计技术是集成电路技术中的软性技术，同时也是附加值最高的技术。经过集成电路设计，一片实现了特定功能的圆片（wafer）价格依据其实现的产品功能将比裸圆片的价格上升几十倍甚至上百倍。然而在集成电路产品的总成本中集成电路设计部分的成本却不是最大的开销。图1是集成电路产品从系统定义经过集成电路设计到芯片加工、封测再到产品的一个流程。

系统原型定义 系统级描述以及验证集成电路设计 集成电路前道加工 集成电路测试封装

C/System C 流程图/文字说明GDSII/ CIF 裸片（wafer/die） 图1 集成电路的研发和加工过程 集成电路设计的任务是把系统应用定义的抽象描述转换成符合硅器件工作原理的电路结构实现(circuitry )并生成用于集成电路加工的数据（layout data）。集成电路设计技术实现的是一个核心的转换：把通讯、计算机等学科领域知识通过微电子技术转换成提高人类现实生活质量的电子类产品。如果说集成电路技术推动了整个信息技术领域的快速发展和繁荣。那么作为核心的集成电路设计技术是把现代信息技术与微电子技术结合起来的桥梁和关键。

集成电路设计技术面临两个方面的挑战，一方面集成电路加工技术按照摩尔定律6发展，但加工

技术进步所提供的电路性能、单芯片集成度以及生产线产能的提高远远没有被发挥出来。目前集成电路设计能力只利用了集成电路加工工艺所创造的技术潜力的1/3左右。随着集成电路工艺水平的进步，这个差距还有加大的趋势，见图2。

5 Design For Test

6 英特尔公司创始人之一戈登.摩尔1965年预言，集成电路上的原件属会不断增加，而成本却会持续降低。后来有

人更进一步预言集成电路的心能价格比每18个月会翻一番，当然还有许多其它版本。 05000100001500020000198519901995200020052010硅加工能力设计能力

图2. 集成电路设计能力远远落后于硅加工技术（主频） 另外一方面，由于通讯、多媒体以及网络技术的发展，电子系统完成的功能越来越复杂。近十多年系统复杂度提高了几个数量级，电子系统无论从功能设计还是性能设计的复杂度都大幅度提高，对集成电路设计技术提出了巨大的挑战。过去的系统规模可能只有几万个到几十万个晶体管，芯片面积只有几个到几十个平方毫米。现在一个系统规模可能达到几亿个晶体管甚至十几亿个晶体管；片面积甚至达到了几个平方厘米；单芯片上全局连线的长度达到了十几厘米。这给集成电路设计技术带来许多新的课题。

集成电路设计是结合信息技术和半导体技术的一个桥梁，具有很强的综合性。我国集成电路设计技术水平的提高必须走与系统技术相结合的道路。计算所作为系统大所有着开展集成电路设计技术研究需求牵引。下面介绍集成电路设计与系统设计相辅相成的关系，以及目前集成电路设计技术发展状况。

集成电路设计技术与系统领域的关系 集成电路设计技术使系统设计者得以利用微电子系统实现其设计概念、性能要求并最终保证系统有效性[2]。通过集成电路设计技术可以充分发挥半导体加工制造技术创造的潜能，提高电子系统

的性能，降低其成本[2]。集成电路设计技术把描述系统设计的高层数据转换成用于微电子加工的数

据；同时分析和解决微电子工艺中电特性问题。图3示意集成电路设计技术与系统设计与加工技术的关系。

协议/标准（行为规则的定义）

软硬件协同设计（应用系统性能/成本优化方案）

系统软件/中间件开发

系统级硬件

应用层开发（软件/硬件）

系 统 设 计系统语言到硬件描述语言的翻译

系统功能验证基本电路设计和分析

功能和性能验证集成电路设计

制版（mask)硅加工流程（曝光/刻蚀/掺杂）

中测（圆片测试）封装

集成电路加工

图3.集成电路设计技术与系统设计和加工技术的关系核心硬件部件

加工工艺电特性/几何特性提取

针对性能、可测试性、可制造性优化设计

EDA技术（复杂电路设计规范/电路特性分析方法）

硬件设计描述语言到制版数据的转换成品测试 由图3，系统级设计完成相关的系统功能定义、系统软硬件分工以及接口设计。硬件设计和软件设计可以相对独立开发。系统级硬件设计包括系统硬件功能定义、系统级功能验证、功能定义的算法设计和验证。在用硬件描述语言对符合系统功能定义的算法进行描述时需要集成电路设计和系统设计同时协同完成。

系统功能/性能描述（文字语言）

功能级描述和验证（C,Matlab,SystemC,流程图）

C to Verilog/VHDL转换；编写Verilog/VHDL代码

FPGA验证/软硬件协同仿真（硬件仿真器）

RTL to 门级网表转换/验证/分析

门级网表到GDSII转换/验证/分析

系统级设计集成电路前端设计

集成电路后端设计图4.集成电路设计技术与系统设计的配合

系统模块划分，模块算法设计

图4中系统模块的划分以及模块的算法设计都需要由集成电路设计人员参与并考虑硅实现复杂度以及电特性。在用硬件描述语言描述设计的时候，更多的要考虑电路结构特性对系统性能的影响，在描述中可以突出对硅器件实际电路结构的设计，以保证系统的功能和性能。这是与用C语言编写验证和行为模型最大的不同之处。

现代集成电路设计技术在复杂数字系统设计技术方面的最大进步是综合技术（synthesis technology）的应用和发展。综合技术（逻辑综合和物理综合）利用了类似高级语言编译的思想，用抽象的类高级语言（硬件描述语言）对电路系统行为、时序以及拓扑结构进行形式化描述，大大提高了集成电路设计人员对系统复杂度的控制能力。硬件描述语言提供在不同设计层次--行为级、寄存器传输级（RTL级）和拓扑结构（门级）--进行描述的功能。从行为级到寄存器传输级再到门级的描述是一个从较高抽象级向硅器件底层物理结构实现接近的具体化过程，直至最后产生可以直接用于制版的图形数据（GDSII或者CIF）。这很像高级语言转换成汇编直至微指令代码的编译过程。因此，综合技术在九十年代初也被称为硅编译技术（silicon compile）。