集成電路物理設計庫

1、1. 集成電路物理設計庫集成電路物理設計庫（PDK 和標準單元庫）作為芯片制造商、EDA供應商、芯片設計者之間的橋梁。開發(fā)工作必備的資源較多：工藝信息、集成電路設計方法和 EDA 技術。從 2006 年開始，電子設計平臺與共性技術研究室基于中芯國際、上海宏力、上海華虹的 65nm、90nm、 0.13um 和 0.35um 等工藝節(jié)點，開發(fā)出一系列功能完善、器件類型豐富、設計合理及參數正確的 PDK 和標準單元庫，并建立了相應的設計 參考流程。在實現 PDK 完整功能的基礎上，相關研發(fā)團隊從設計者角度優(yōu)化 參數化單元的 CDF 參數，并采用結構化的方式開發(fā) Pcell 和批處理方 式驗證 Pc

2、ell，保證了開發(fā)流程的高效性和可靠性。同時，對標準單 元進行了 OPC 校正，移向掩膜分析(PSM)，分辨率增強(RET)等 DFM 優(yōu)化分析；光學模擬仿真結果證實了優(yōu)化后的標準單元邊緣放置誤差(EPE)平均減小了 5%，即優(yōu)化后的標準單元庫具有更高的可靠性、準 確性和可制造性。經過驗證，每套 PDK 和標準單元庫都能靈活準確的 支持電路設計。能夠根據芯片設計者的需求提供專業(yè) PDK 設計服務和芯片設計技術支持。在此基礎上，建立了一套完善的設計開發(fā)流程。電子設計平臺與共性技術研究室開發(fā)的集成電路物理設計庫的 工藝設計包（PDK：Process Design Kit）應用于數?；旌?IC 設計

3、,其包含的內容是和全定制流程緊密結合在一起的。PDK 庫主要包括以 下內容：（1） 器件模型(Device Model)：由 Foundry 提供的仿真模型文件； （2）Symbols & View：用于原理圖設計的符號,參數化的設計單 元都通過了 SPICE 仿真的驗證； （3）組件描述格式(CDF:Component Description Format) & Callback：器件的屬性描述文件,定義了器件類型、器件名稱、器件參數及參數調用關系函數集 Callback、器件模型、器件的各種 視圖格式等；（4）參數化單元(Pcell:Parameterized Cell)：

4、它由 Cadence 的 SKILL 語言編寫,其對應的版圖通過了 DRC 和 LVS 驗證,方便設計 人員進行原理圖驅動的版圖(SDL:Schematic Driven Layout)設計 流程；（5）技術文件(Technology File)：用于版圖設計和驗證的工藝 文件,包含 GDSII 的設計數據層和工藝層的映射關系定義、設計數 據層的屬性定義、在線設計規(guī)則、電氣規(guī)則、顯示色彩定義和圖 形格式定義等；（6）物理驗證規(guī)則文件(PV Rule File)：包含版圖驗證文件集(DRC/LVS/RC)。而集成電路物理設計庫的標準單元庫應用于大規(guī)模數字 IC 設計,從前端功能仿真到后端版圖實現

5、支撐著整個數字 IC 設計流程。標準 單元庫研究的主要內容包括:（1） 網表信息文件：包含標準單元的器件尺寸和節(jié)點連接關系。（2）Verilog/VHDL 模型：提供 verilog/VHDL 模型，行為級網表，用于 verilog/VHDL 網表仿真。（3）Symbols 模型：符號庫模型文件，供原理圖工具，綜合工具的電路圖顯示。（4）GDSII：具有標準單元的 layout 信息，提供給 layout 設計 工具，如 Astro、ICC、Virtuoso，laker 等。（5）LEF：定義布局布線的設計規(guī)則和晶圓廠的工藝信息，標準單元的物理信息(單元的放置區(qū)域，對稱性，面積大小供布局時使用

6、)，單元輸入輸出端口的布線層、幾何形狀、不可布線區(qū)域以及天線效應參數供布線使用；（6）.lib 綜合庫模型：包含工藝信息，標準單元時延、面積、 功耗信息，可用于的 DC、PT、Astro、ICC 等工具；（7）Fastacsn：用于生成測試向量的，綜合之后插入 DFT 掃描鏈時使用； （8）噪聲庫：信號完整性分析。2. 知識產權 IP 核庫電子設計平臺與共性技術研究室通過多年開展的 IP 技術，積累 經驗，與國內外主要代工廠和 IP 供應商建立了良好的合作關系，并 已開展 IP 庫建設的研究。該庫的建設能夠提升 IP 服務能力，促進專 用電路的 IP 轉化，并為 IP 集成應用提供指導。IP

7、模型提取技術針 對時序模型、功耗模型、物理模型、接口邏輯模型、天線模型和仿真 模型等。通過對知識產權 IP 核庫的深入研究，該項技術方法產業(yè)化，能 夠在很大程度上解決現在國內 IP 應用面臨的很多問題，包括 IP 價格 過高，IP 查詢不便，質量無保證，接口不標準，使用不便等問題。 知識產權 IP 核庫的建立，真正促進 IC 設計業(yè)發(fā)展，通過 IP 設計、IP 標準、IP 標準等方面的方法學的運用，幫助企業(yè)開發(fā)、包裝、整合 IP 資源，建立可供交換和復用的 IP 庫，降低中小企業(yè)進入行業(yè)的門檻。3. 32nm以下設備關鍵技術研究和創(chuàng)新設備技術探索02專項項目“32nm 以下設備關鍵技術研究和創(chuàng)

8、新設備技術探索”取得重大進展，突破了等離子體浸沒注入、激光退火、原子層沉積、薄層對流清洗、中性粒子刻蝕、光子篩無掩模光刻、二氧化碳超臨界清洗和常壓等離子體去膠八種新原理裝備的核心技術。同時，本項目的研究成果已應用于黑硅太陽能電池和超淺結制造，納米C3N4、TiO2、AL2O3和HfO2薄膜生長，及Smart-Cut制備二維電子材料等多項技術研究。其中，多晶黑硅太陽能電池轉換效率達到16.8%，高于同批次普通電池0.5個百分點；原子層沉積設備已開始產業(yè)化推 廣，并開展了多片式PEALD設備開發(fā)；高效率固態(tài)射頻電源核心技術 獲得突破，500W電源實現小批量試產。此外，該項目中的多項技術已 與相關企

9、業(yè)進行了技術合作，開展產業(yè)化開發(fā)和推廣。本項目的開展使微電子所占據了國內新原理IC裝備技術創(chuàng)新的制 高點，并在國際上實現了與現有設備廠商在創(chuàng)新技術領域互相競爭的 態(tài)勢，在IC裝備領域擁有了自己的一席之地。32nm 以下關鍵設備4. 有機基板實驗線依托微電子所系統(tǒng)封裝技術研究室（九室）牽頭承擔的 02 重大 專項 “高密度三維系統(tǒng)級封裝的關鍵技術研究”項目，目前國內設 備最完善、技術水平最高的先進封裝實驗室在微電子所初步建成（如 圖 30 所示），主要包括：有機基板實驗室、微組裝實驗室、可靠性 與失效分析實驗室、電學測試實驗室、設計與仿真實驗室等，其中有 機基板試驗線已經通過驗收開始試運行，現已

10、成功在 FR4 板上制作出15um/15um 線寬線距的光刻圖形（如圖所示），在此基礎上成功 采用半加成工藝制作出線寬線距為 10m/20um 的銅電路圖形（如圖所示）。此項技術使微電子所初步具備了加工高密度三維封裝基板的 能力，以及參與研究開發(fā)高端三維封裝基板國際競爭的技術基礎，標 志著微電子所高端封裝基板的實驗室電路加工能力達到世界先進水平。先進封裝實驗室設備（部分）線寬線距 15um/15um 的光刻膠圖形線寬線距 10um/20um 銅電路截面照片5. NeeMo 關愛系列NeeMo 是高科技的個人 GPS 追蹤定位裝置，靈敏度高，設備采用 雙模定位，GPS 衛(wèi)星與 GSM 基站定位配

11、合使用，技術更加完善，保證 室內室外隨時在線。NeeMo 語音中心讓你和 NeeMo 設備自如語音互動，并且 NeeMo 具有 摔倒功能，老人出現意外跌倒，Neemo 立刻聲音報警，提醒周圍的人， 并且即刻向監(jiān)護人手機發(fā)送警告信息與當前位置信息。NeeM 具有全面的進入離開等安全管理操作及隨時隨地的提醒你 家人位置情況的服務NeeMo 心電監(jiān)護系列：NeeMo 心電監(jiān)護系統(tǒng)產品適用于心臟活動不穩(wěn)定的病人如心肌梗死或心律失常等患者的監(jiān)護。設備能隨時了解心臟活動的狀況，心臟活動異常時及時報警，給您隨時隨地的關愛和呵護。功能講解圖及設備解析圖設備網絡服務設備網絡功能概述6. 牙科實時監(jiān)控系

12、統(tǒng)Teemo 是一個超薄可重復使用的傳感器形狀適合牙弓，并連接到您現有的 PC 的 USB 端口。評估咬合力量很簡單，只要有病人咬上傳感器，計算機將顯示時機和力量數據分析，當咬合不平衡時，會產生牙齒疼痛、修復過的牙齒的斷裂、牙周病、牙齒脫落、頭痛、顳下頜關節(jié)障礙、牙床萎縮和松動、牙齒磨損、敏感度增加。根據 Teemo 提供的咬合信息來幫助牙醫(yī)去修復牙齒和治療牙病，使咬合平衡。Teemo可以查看患者的所有咬合記錄，這樣對比下來，有助于牙醫(yī)和患者看到牙齒的修復過程。該項目技術主要包括三部分：1、包括柔性傳感器陣列的制作；2、高速數據掃描，傳輸以及處理的電路的設計；3、相關牙科壓力檢測處理和軟件算法

13、的開發(fā)。傳感器及支架設備手柄和支架及組裝圖7. 可視多傳感器姿態(tài)檢測終端可視多傳感器姿態(tài)檢測終端是集成電路先導工藝研發(fā)中心基于ARM11 硬件平臺，集成了姿態(tài)傳感器、攝像頭、雷達、溫度傳感器、LCD 液晶顯示屏等模塊于一體，在軟件平臺上實現了攝像、溫度測量、 測距，以及姿態(tài)信息的綜合顯示的檢測終端。該終端主要功能包括：4.3 寸大屏幕信息顯示、溫度監(jiān)測、三維 運動狀態(tài)檢測、視頻采集與處理、超聲測距。該終端具有：全觸摸屏操作，安全便捷；外觀簡單實用；多傳感 器數據融合和可擴展應用的特點。適用于智能交通系統(tǒng)中的物流運輸車輛，尤其是危險品運輸，冷 鏈物流等特殊物流行業(yè)應用，結合不同行業(yè)的業(yè)務特點實現

14、車輛三維 姿態(tài)檢測（側翻檢測）、溫度監(jiān)測、測距、視頻采集等功能，保證行車安全的同時提高物流運輸的質量，提高行業(yè)工作效率，增強企業(yè)競爭力。可視多傳感器姿態(tài)檢測終端8. 集成磁性傳感器集成磁性傳感器以對運動物體的感知和檢測為應用目標，完成非 晶絲的高精度磁阻傳感器系統(tǒng)功能設計，并結合高精度加速度傳感器， 陀螺傳感器，GPS 模塊，微處理器組成系統(tǒng)，實現了由微處理器對運 動物體的姿態(tài)，行進方向，移動位移進行計算，實現精密定位。該傳感器具有以下功能：運動物體姿態(tài)檢測、運動物體前進方向 檢測、運動物體位移檢測、運動物體高度檢測和運動物體位置檢測的 功能。并具有多傳感器數據融合、體積小、高精度、低功耗、全

15、方位 感知和檢測運動物體的狀態(tài)的特點。本產品通過集成多種傳感器實現對運動物體的前進方向、位移、 高度、三維姿態(tài)、位置的檢測，從而確定該運動物體的實時狀態(tài)，可 應用于航空航天、醫(yī)療康復、生物工程、軍事體育等多個應用領域的 多個場景，其各個子成果也有著多種應用領域，具有廣闊的市場前景 和社會經濟效益。集成磁性傳感器9. 紅外熱像儀光學讀出非制冷紅外熱像采用新型光學讀出方式，無需復雜的微 讀出電路，擁有低成本優(yōu)勢，可在社會各領域大規(guī)模普及應用。其工 作原理圖如下：光讀出紅外熱像儀原理圖基于 MEMS 工藝的第三代 FPA 采用無基底、多回折、間隔鍍金等 諸多獨家專利技術，使該紅外熱像儀擁有高溫度分辨

16、率等性能優(yōu)勢， 其溫度分辨率已達到熱性紅外熱像儀的典型值（100mK），其理論分 辨率可以進一步達到制冷紅外熱像儀的典型值（10mK）；純機械式 的 FPA 設計完全避免了電學元素，通過簡單的工藝復制即可方便的制作出超大陣列的 FPA（1024x1024），再結合基于空間濾波技術的并 行式光學讀出方法，使該紅外熱像儀擁有實現超大陣列 FPA 的技術優(yōu)勢。非制冷紅外熱像儀產業(yè)化樣機照片及紅外圖像10. 面向22納米及以下技術代的CMOS器件集成技術研究在 22 納米技術代 CMOS 器件集成技術研究中，實現了雙高 K 介質/雙金屬柵器件集成，優(yōu)化了器件性能；提出并實現了一種體硅三 柵 FinFE

17、T 新結構器件，進一步有效降低成本，促進產業(yè)化進程；同 時開展面向 15 納米及以下技術代體硅納米線環(huán)柵 N/PMOS 器件的研究。 共發(fā)表論文 10 篇，其中 SCI 收錄 6 篇，EI 收錄 3 篇。 發(fā)明專利授 權 4 項，其中美國發(fā)明專利授權 1 項；受理 45 項，其中美國受理 12項。1雙高 K 介質雙金屬柵 CMOS 器件集成技術研究通過雙高 k 介質/雙金屬柵 CMOS 器件集成技術研究，實現了 N、 PMOS 采用不同的高 k/金屬柵,可分別進行性能優(yōu)化。為此著重研究了 高 k、金屬柵材料的干、濕法腐蝕特性，研發(fā)了滿足高 k/金屬柵集成 需要的高選擇比的選擇性去除工藝 ；通過

18、開發(fā) N、PMOS 的 HKMG 疊層 結構的同步刻蝕，簡化了工藝，結合清洗工藝模塊的研發(fā)，實現了雙高 k、雙金屬柵的集成；制定了采用先柵工藝實現雙高 k/雙金屬柵CMOS 器件制備的工藝流程，成功地制備了具有良好電學性能的雙高k/雙金屬柵 CMOS 器件。先柵工藝雙高 K 介質/雙金屬柵 CMOS 器件電學特性，其 NMOS 器件疊層 柵結構為 poly-Si /TaN /HfSiON /ILSiOx， PMOS 器件的疊層柵結構為 poly-Si /TaN /MoAlN/HfSiAlON /ILSiOx。2. 體硅三柵 FinFET 新結構器件的設計、制備與特性提出并實現了一種體硅三柵 F

19、inFET 新結構器件，其 Fin 底部由SiO2 介質隔離層與襯底隔離開，消除了源漏之間泄漏電流路徑；同時源漏區(qū)域仍然與襯底相連，相比 SOI FinFET，其散熱性能好，成本低。(a) (b) (c) (d) （a）隔離氧化后的 SEM 照片 （b）柵電極刻蝕后 SEM 照片柵長 50nm 體硅三柵 FinFET 新結構器件電學特性（c）亞閾值特性 （d）輸出特性3.面向 15 納米及以下技術代體硅納米線環(huán)柵 N/PMOS 器件納米線環(huán)柵 MOSFETs 由于極強的溝道靜電勢控制能力已經成為器件 尺寸縮小到 15nm 節(jié)點及以下的極有希望的競爭者。提出了一種體硅 納米線環(huán)柵 MOS 器件新

20、結構，并提出了一套全新的低成本的在體硅上 實現納米線環(huán)柵 CMOS 器件的器件制備工藝流程，在關鍵工藝研發(fā)成 功基礎上，研制成功了納米線直徑為 7nm-5nm 的 N/PMOS 器件（柵長33nm-50nm），其中納米線直徑為 6nm 的體硅納米線環(huán)柵 NMOS 器件（柵長 50nm）的飽和驅動電流為 2.7×103A/m，高的開關態(tài)電流比（5×108）；納米線直徑 6nm 體硅納米線環(huán)柵 PMOS（柵長 40nm）的飽和驅動電流為 3.1×103A/m，高的開關態(tài)電流比（1.5×109）。N/PMOS器件的短溝道效應得到了極好的抑制，Ss 分別達到了

21、64mV/dec 和 67mV/dec，DIBL 因子為 6mV/V 和 14mV/V。性能優(yōu)于際上同類技術的67mV/dec，DIBL 因子為 6mV/V 和 14mV/V。性能優(yōu)于際上同類技術的先進水平。從不同方向觀察硅納米線形貌： （a）硅納米線俯視（左）和剖面（右）的 SEM 照片（一次氧化層還未去掉） （b）懸浮的硅納米線（c）在氧化剝離后的懸浮硅納米線，納米線直徑 6nm（柵氧化前）Poly-Si 柵電極形成后的 SEM 剖面 （d）照片體硅納米線環(huán)柵 N/P MOSFETs 的電學特性11. 高壓驅動芯片取得突破射頻集成電路研究室的技術團隊在“863”項目的資助下，成功開發(fā)出一款

22、多穩(wěn)態(tài)高壓驅動電路芯片，并成功實現無源電子紙顯示屏（Passive - EPD）的驅動，為國內相關顯示器技術的產業(yè)化解決了驅 動集成電路這一瓶頸問題。射頻集成電路研究室該項目的 863 伙伴“蘇州漢朗光電”的 EPD技術起源于劍橋大學，在 EPD 材料領域經過了多年的積累，具有大尺 寸和真彩支持等優(yōu)點。本次產品開發(fā)是基于超高壓 CMOS 工藝（90V）的多電壓 Driver 設計并一次流片成功，產品在超高壓 CMOS 工藝上使 用了正、負對稱高壓輸出設計。相比于同類單側高壓設計，便于簡化 顯 示 器 驅 動 電 源 設 計 ， 并 在 EPD 領 域 首 次 實 現 超 高 壓 COG（Chi

23、p-On-Glass）封裝驅動。項目團隊同時也進行了 EPD 顯示器單 側高壓輸出和基于恒流源的驅動芯片設計，單側高壓輸出的設計同樣 獲得成功驗證?；诤懔髟吹脑O計可望用于 OLED、LED 背光等其他應 用場合。該驅動芯片低耗電且綠色環(huán)保，提高了能源利用率，本次超 高壓 EPD 驅動芯片的流片成功為其后續(xù)的產業(yè)化打下了良好的基礎。高壓驅動芯片12.寬帶無線通信射頻芯片與模塊研發(fā)取得階段性進展在國家重大專項和科技部國際合作項目支持下，經過 3 年多努力， 射頻集成電路研究室 UWB 超寬帶無線通信、60GHz 毫米波通信和 4G移動通信射頻芯片與模塊研發(fā)均攻克了核心技術，實現了系統(tǒng)驗證， 研制

24、出的 6-9GHz 超寬帶射頻芯片組和搭建出射頻模塊，完成了首個 符合中國標準和頻譜規(guī)劃的超寬帶演示系統(tǒng)，成果被推薦列入十一五 科技成果匯編；基于 60GHz 毫米波通信系列芯片和毫米波通信模塊，成功實現了高速傳輸演示；開發(fā)出了兼容TD-SCDMA 和 TD-LTE 的 4G射頻芯片與模塊，完成了支持 4×4 MIMO 的 IMT-Advanced 系統(tǒng)演示。 射頻芯片研發(fā)成果獲得了北京市科委的產業(yè)化項目支持，依托北京市4G 聯盟，推進新一代移動通信射頻芯片的產業(yè)化進程。(a)6-9GHz 超寬帶射頻芯片 (b)毫米波無線傳輸演示系統(tǒng)（a）4G 終端射頻芯片 （b）4×4 MIMO 射頻收發(fā)模塊13.多模衛(wèi)星導航芯片組與接收機模塊中國科學院微電子研究所在衛(wèi)星導航領域長期投入，已有 8 年以 上的積累，先后得到中科院知識創(chuàng)新重大項目、863 重點項目、中國 第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)專項、核高基重大專項以及地方政府重大項目的 持續(xù)支持，投入研發(fā)經費已超過 1 億元，形成了較為完整的導航芯片 產業(yè)鏈布局，技術優(yōu)勢明顯。中國科學院微電子所是中國第二代北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)專項應用 推廣與產業(yè)化項目的主要承擔單位，在多模多通道導航射頻芯片，多 模導