CMOS集成電路簡述

魏銘　王明月　張德慧

摘 要：隨著控制、通信、人機交互和網絡互聯等新型電子信息技術的不斷發展，傳統工業設備融合了大量最新的電子信息技術，它們一起構成了龐大而復雜的系統派生出大量新興的電子信息技術電子應用需求。近年來，集成電路設計技術、集成電路制造技術等飛速發展，對現代科學與技術的發展起到了巨大的推動和促進作用。本文簡述了集成電路理論，以及CMOS相關知識。

關鍵詞：CMOS 集成電路

一、集成電路發展

自從1958年諾貝爾物理學獎獲得者—美國德州儀器公司工程師 Jack Kilby發明世界上第一塊集成電路以來，集成電路一直在改變人們的生活。作為電子信息產品的核心部件，集成電路通常被譽為現代電子信息產品的“芯”臟。近年間，伴隨著民用家電、PC和手機等電子信息產品的大規模普及，集成電路產業得到了飛速發展。具體來說，全球集成電路產業結構經歷了3次較為重大的變革。

1、首次變革：以加工制造為主導。變革初期，集成電路設計與制造產業只作為企業的附屬部門而存在，集成電路產品是為企業本身的電子系統產品而服務。此時，企業中對集成電路沒有專業分工，企業所需掌握的集成電路技術十分全面，不但生產晶體管、集成電路，就連生產所需的設備都自己制造。至20世紀70年代，隨著微處理器、存儲器和標準邏輯電路等通用性集成電路產品的出現，集成電路制造商開始成為集成電路產業中的主角。但是，集成電路設計仍然只是作為附屬部門存在，集成電路設計以人工為主，計算機輔助設計系統僅作為數據處理和圖形編程之用。

2、第二次變革：以芯片代工廠和集成電路設計公司的專業分工為標志。20世紀80年代由于工藝設備產能提高，加之生產費用提高，使早期的集成電路制造商靠自身設計已無法保證設備滿負荷運行和降低生產成本。相關廠家開始承接對外加工，繼而由部分發展到全部對外加工。與此同時，也誕生了一種無生產能力的集成電路設計公司，其除了設計集成電路產品外，還負責IC產品的市場銷售，其一般擁有集成電路產品的知識產權。此時，集成電路產業也進入以客戶為導向的階段，傳統的標準化集成電路已難以滿足客戶對芯片的多方面要求，專用集成電路、可編程邏輯器件、全定制電路等芯片開始大量出現于集成電路市場，市場份額逐年遞增。

3、第三次變革：以設計、制造、封裝和測試等行業分離為標志。20世紀90年代，龐大的集成電路產業體系開始阻礙整個產業的快速發展，集成電路產業結構開始向高度專業化轉變，漸漸劃分出設計、制造、封裝和測試等相對獨立的行業分支。各行業相互分工合作大大推進了集成電路產業的高速發展。同時，各行業也展開了較大規模的人才競爭和資本競爭，在競爭中求突變、求發展。基于各行業分工，集成電路設計企業能大大加快產品的更新換代，并形成了很多具有長遠影響力的新設計概念。

二、集成電路設計

1、條件：要有效開展集成電路設計需要具備4個關鍵條件，即人才、工具、工藝庫和資金。

2、分類：集成電路的分類方法大致有五種：器件結構類型、集成規模、使用的基片材料、電路功能以及應用領域。根據器件的結構類型，通常將其分為雙極集成電路、MOS集成電路和Bi-MOS集成電路。按集成規模可分為：小規模集成電路、中規模集成電路、大規模集成電路、超大規模集成電路、特大規模集成電路和巨大規模集成電路。按基片結構形式，可分為單片集成電路和混合集成電路兩大類。按電路的功能將其分為數字集成電路、模擬集成電路和數模混合集成電路。按應用領域劃分，集成電路又可分為標準通用集成電路和專用集成電路。

3、設計方法：（1）自底而上的設計方法：自下而上的設計方法是集成電路系統的基本設計方法，能塊劃分和描述功能塊的拓撲連接，直到用底層模塊或部件來描述，當完成底層模塊或部件的描述后，自下而上進行層次擴展和層次功能的仿真驗證，從而完成整個系統的功能設計和驗證。最后根據底層模塊或部件的幾何圖形和拓撲關系完成布圖設計和驗證。（2）自頂而下的設計方法：“自頂向下”的設計步驟中，設計者首先需要進行行為設計以確定芯片的功能；其次進行結構設計；接著是把各子單元轉換成邏輯圖或電路圖；最后將電路圖轉換成版圖，并經各種驗證后以標準版圖數據格式輸出。（3）其他設計方法：隨著集成電路工藝、設計與制造技術水平的不斷提高以及市場競爭周期的縮短，大量集成電路設計擺脫了由電路系統到芯片的傳統路徑。取而代之的是直接為不同市場需求進行集成電路的設計，并使這些集成電路成為相應電子產品或設備中的核心部件，SoC就是其中較為典型的代表。

三、CMOS工藝

1、背景：CMOS電路設計是1963年由 Frank Wanlass在仙童半導體公司發明的。用分立互補的MOS元件，即一個NMOS晶體管和一個PMOS晶體管可以構成電路的想法，在當時是很新穎的。

2、比較：數字集成電路根據晶體管特性可以分為兩種：TTL和CMOS兩大類。TTL數字集成電路優點是速度快，CMOS數字集成電路則以功耗低見長。CMOS數字集成電路的出現時間比TTL集成電路晚，但是其以較高的優越性在很多場合逐漸取代了TTL數字集成電路，成為目前應用最廣泛的數字集成電路。相較兩者性能：①功耗：CMOS是場效應管構成，TTL為雙極晶體管構成，CMOS電路的單門靜態功耗在毫微瓦數量級。②工作范圍和邏輯擺幅：CMOS的邏輯電平范圍比較大，TTL只能在5V下工作。③抗干擾能力：CMOS的高低電平之間相差比較大、抗干擾性強，TTL則相差小，抗干擾能力差。④工作頻率與速度：CMOS的工作頻率較TTL略低，但是高速CMOS速度與TTL差不多相當。

3、版圖設計： 版圖設計是指根據芯片的電氣要求和封裝要求，按照指定的工藝設計規則，進行布局布線，將電路圖或者設計代碼轉化成為包含各種幾何圖形的光掩膜版數據。光掩膜廠根據這些光掩膜版數據制作光掩膜版。代工廠再利用這些光掩膜版通過光刻、刻蝕、氧化、離子注入和沉積等工藝，在空白的晶圓上制作對應的芯片。對于器件來說，它的版圖是很多包含了幾何圖形的圖層組合，這些圖層包含了光掩膜版和標示層，標示層用于在DRC和LVS檢查中定義器件類型。在每一層中對圖形的大小和圖形的間距有嚴格的要求，在不同的圖形層之間，對于圖形的相對位置及對準也有嚴格的要求，這些要求稱為版圖設計規則，由代工廠提供。版圖與芯片的實際結構及生產過程具有直接的關系，通常又把版圖設計稱為物理設計。由此可見，版圖設計是連接電路設計和芯片制造的橋梁，是集成電路設計與制造過程中必不可少的重要環節。

版圖設計包括全定制版圖設計和半定制版圖設計。全定制版圖設計方法是指基于晶體管級的設計方法，所有器件和互連的版圖都由版圖設計工程師用版圖設計軟件手工輸入。模擬電路、存儲器、輸人/輸出電路和高頻電路的版圖常用全定制版圖設計方法。全定制版圖設計方法的優點是設計靈活，可以根據工藝特性獲得最小的版圖面積和最優的設計性能，缺點是設計的人力成本和時間成本很高。

結束語：大大加強加快我國集成電路設計人才已經成為電子技術與電子工程等學科專業的重要任務。面對科技飛速發展的今天，相信中國會在信息時代的推動下，迎向集成電路更美好的明天。

參考文獻：

[1]張金藝.數字系統集成電路設計導論.清華大學出版社.2017

[2]R.JACOB BAKER.CMOS集成電路設計手冊.人民郵電出版社.2014