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微电子技术发展的本文由lizzi_xl贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第九章 微电子技术发展的 规律及趋势 Moore定律 定律 Moore定律 定律 1965年Intel公司的创始人之一 年 公司的创始人之一 Gordon E. Moore预言集成电路产 预言集成电路产 业的发展规律 集成电路的集成度每三年 增长四倍， 增长四倍， 特征尺寸每三年缩小 2 倍 Moore定律 定律 10 G 1G 100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970 1965，Gordon Moore 预测 ， 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番 存储器容量 60%/年 年 每三年， ? 每三年，翻两番 1980 1990 2000 2010 Moore定律： 定律： 定律 芯片上的体管数目 ? 微处理器性能 每三年翻两番 1.E+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5 1.E+4 1.E+3 “Itanium”:15,950,000 Pentium II: 7,500,000 PowerPC620:6,900,000 PentiumPro: 5,500,000 PowerPC604:3,600,000 Pentium:3,300,000 PowerPC601:2,800,000 i80486DX:1,200,000 m68040:1,170,000 i80386DX:275,000 m68030:273,000 m68020:190,000 i80286:134,000 m68000:68,000 i8086:28,000 M6800: 4,000 i8080:6,000 i4004:2,300 70 70 74 74 78 78 82 82 86 86 90 90 94 94 98 98 2002 2002 微处理器的性能 8080 8086 100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 1970 8028 6 8038 6 8048 6 Peak Advertised Performance (PAP) Real Applied Performance (RAP) 41% Growth Moores Law 1980 1990 2000 Pentium PentiumPro 2010 集成电路技术是近50年来发展最快的技术 集成电路技术是近 年来发展最快的技术 微电子技术的进步 年 份 特征参数 设 计 规 则 m 电源电压 V D D (伏 ） 伏 硅片直径尺寸 （ mm） 集成度 D R A M 密 度 （ bit) 微处理器时钟频 率 (H z) 平均晶体管价格$ 10 1 959 25 5 5 6 1 970-197 1 8 5 30 2 10 3 1K 7 50 K 0 .3 2 000 0 .18 1.5 3 00 2 10 9 1G 1G 1 0 -6 比率 1 40 3 60 3 10 8 106 10 3 107 按此比率下降，小汽车价格不到 价格不到1 按此比率下降，小汽车价格不到1美分 半导体发展计划（ 1999年版 年版） 半导体发展计划（SIA 1999年版） 年 份 1999 2000 165 2001 150 512M 2002 130 2003 120 1G 2004 110 2005 100 2G 2008 70 2011 50 16G 2014 35 特征尺寸（ ） 特征尺寸（nm） 180 存贮器生产阶段 256M 产品代 MPU芯片功能数 芯片功能数 23.8 百万晶体管） （百万晶体管） 硅片直径(mm) 硅片直径 在 生 产 阶 段 DRAM封装后单 封装后单 位比特价（ 位比特价（百万 分之一美分） 分之一美分） 200 47.6 200 300 300 95.2 300 300 190 300 539 300 1523 300 4308 450 15 7.6 3.8 1.9 0.24 1999 Edition （ SIA美 EECA欧 EIAJ日 美 欧 日 KSIA南朝鲜 TSIA台） 南朝鲜 台 Moore定律 定律 ? 性能价格比 在过去的20年中， 在过去的 年中，改进 年中 了1,000,000倍 倍 在今后的20年中 年中， 在今后的 年中，还将 改进1,000,000倍 改进 倍 很可能还将持续 40年 年 等比例缩小 (Scaling-down)定律 定律 等比例缩小(Scaling-down)定律 定律 等比例缩小 1974年由 年由Dennard 年由 基本指导思想是：保持MOS器件 基本指导思想是：保持 器件 内部电场不变：恒定电场规律， 内部电场不变：恒定电场规律， 简称CE律 简称 律 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸， 等比例缩小器件的纵向、横向尺寸， 以增加跨导和减少负载电容， 以增加跨导和减少负载电容，提高 集成电路的性能 电源电压也要缩小相同的倍数 漏源电流方程： 漏源电流方程： 0 ox W 2 I ds = Cox s (VGS ? VTH )VDS ? VDS C ox = t ox L 由于V 由于 DS 、 (VGS-VTH)、 W、 L、 tox 均缩小了 倍 ， 、 、 、 均缩小了 Cox增大了倍，因此，IDS缩小倍。门延迟时间 增大了 因此， 缩小 tpd为： VDS CL t pd I DS C L = WLC ox 其中V 均缩小了 所以t 其中 DS、IDS、CL均缩小了倍，所以 pd也缩小 标志集成电路性能的功耗延迟积P 了 倍 。 标志集成电路性能的功耗延迟积 W?tpd 则缩小了 则缩小了3倍。 恒定电场定律的问题 阈值电压不可能缩的太小 源漏耗尽区宽度不可能按 比例缩小 电源电压标准的改变会带 来很大的不便 恒定电压等比例缩小规律(简称 律 恒定电压等比例缩小规律 简称CV律) 简称 保持电源电压V 和阈值电压V 不变， 保持电源电压 ds和阈值电压 th不变，对其它 参数进行等比例缩小 律缩小后对电路性能的提高远不如CE 按 CV律缩小后对电路性能的提高远不如 律缩小后对电路性能的提高远不如 而且采用CV律会使沟道内的电场大大增 律，而且采用 律会使沟道内的电场大大增 强 CV律一般只适用于沟道长度大于 m的器件， 律一般只适用于沟道长度大于1 的器件 的器件， 律一般只适用于沟道长度大于 它不适用于沟道长度较短的器件。 它不适用于沟道长度较短的器件。 准恒定电场等比例缩小规则，缩写为 准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE 律 CE律和 律的折中，世纪采用的最多 律和CV律的折中 律和 律的折中， 随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、 随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、高功 耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按 CV律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。 律进一步缩小的规则， 律进一步缩小的规则 电源电压必须降低。 同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的 性能， 性能，实际上电源电压降低的比例通常小于 器件尺寸的缩小比例 器件尺寸将缩小 器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变为原 来的 来的/倍 参数 器件尺寸L, W, tox等 器件尺寸 电源电压 掺杂浓度 阈值电压 电流 负载电容 电场强度 门延迟时间 功耗 功耗密度 功耗延迟积 栅电容 面积 集成密度 CE(恒场 律 恒场)律 恒场 1/ 1/ 1/ 1/ 1/ 1 1/ 1/2 1 1/3 1/2 2 CV(恒压 律 恒压)律 恒压 1/ 1 2 1 1/ 1/2 3 1/ 1/2 2 QCE(准恒场 律 准恒场)律 准恒场 1/ / / 2/ 1/ 1/ 3/2 3 2/3 1/2 2 微电子技术的 三个发展方向 微电子技术的三个发展方向 21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向 世纪硅微电子技术的三个主要发展方向 特征尺寸继续等比例缩小 集成电路(IC)将发展成为系统芯片 将发展成为系统芯片(SOC) 集成电路 将发展成为系统芯片 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业 和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等 和新的学科，例如 、 芯片等 微电子器件的特征尺寸继续缩小 第一个关键技术层次： 第一个关键技术层次：微细加工 目前0.25m和0.18 m已开始进入大生产 和 目前 已开始进入大生产 0.15 m和0.13 m大生产技术也已经完成开发， 大生产技术也已经完成开发， 和 大生产技术也已经完成开发 具备大生产的条件 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如 模块 的开发， 的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基 服务的器件模型模拟开发以及基 于上述加工工艺的产品开发等 阶段， 在0.13-0.07um阶段，最关键的加工工艺 光 阶段 最关键的加工工艺光 刻技术还是一个大问题， 刻技术还是一个大问题，尚未解决 微电子器件的特征尺寸继续缩小 第二个关键技术： 第二个关键技术：互连技术 铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用； 技术代中使用； 铜互连已在 技术代中使用 但是在0.13um以后，铜互连与低介电常 但是在 以后， 以后 数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还 有待研究开发 互连技术与器件特征尺寸的缩小 资料来源： （资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998） ） 微电子器件的特征尺寸继续缩小 第三个关键技术 新型器件结构 新型材料体系 高K介质 介质 金属栅电极 低K介质 介质 SOI材料 材料 栅介质的限制 传统的栅结构 硅化物 重掺杂多晶硅 SiO2 经验关系: LTox Xj1/3 经验关系: 对栅介质层的要求 年 份 技 术 等效栅氧化层厚度(nm) 等效栅氧化层厚度 1999 0.18 45 2001 0.15 23 2003 0.13 23 2006 0.10 1.52 2009 0.07 1.5 2012 0.05 1nm + t栅介质层 等效栅介质层的总厚度： 限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm 限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm 栅介质的限制 SiO2（3.9） ） SiO2/Si 界面 硅基集成电路 发展的基石 随着器件缩小 致亚50纳米 致亚 纳米 得以使微电 子产业高速 和持续发展 SiO2无法适应亚 纳米器件的要求 无法适应亚50纳米器件的要求 寻求介电常数大的高K材料来替代SiO 寻求介电常数大的高K材料来替代SiO2 SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅)技术 绝缘衬底上的硅 技术 SOI技术：优点 技术： 技术 完全实现了介质隔离, 完全实现了介质隔离, 彻底消除了体 CMOS集成电路中的寄生闩锁效应 硅CMOS集成电路中的寄生闩锁效应 速度高 集成密度高 工艺简单 减小了热载流子效应 短沟道效应小, 短沟道效应小,特别适合于小尺寸器件 体效应小、寄生电容小，特别适合于 体效应小、寄生电容小， 低压器件 SOI技术：缺点 技术： 技术 SOI材料价格高 SOI材料价格高 衬底浮置 表层硅膜质量及其界面质量 新一代小尺寸器件问题 栅介质层T 栅介质层 ox 1纳米 纳米 多晶硅 栅介质层 n+ 源 L p 型硅 NMOSFET 隧穿效应 SiO2的性质 量子隧穿模型 高K介质 介质 栅 Tox 漏 n+ 沟道长度 L50纳米 纳米 电子输运的 渡越时间 渡越时间 碰撞时间 杂质涨落 ? ? 介观物理的 输运理论 统计规律 新型栅结构 器件沟道区中的杂 质数仅为百的量级 带间隧穿 反型层的 量子化效应 可靠性 考虑量子化效应 的器件模型 电源电压1V时，栅介质层中电场 电源电压 时 约为5MV/cm，硅中电场约 约为 ，硅中电场约1MV/cm 0.1um Sub0.1um 2030年后，半导体加工技术走向成熟， 年后，半导体加工技术走向成熟， 年后 类似于现在汽车工业和航空工业的情况 稳定状态情况下的半导体增长率 稳定状态（ 稳定状态（2030） 1997 CMOS 技术 年平均增长率 半导体产业/电子工业 半导体产业 电子工业 半导体产业/GDP 0.25m 16% 17% 0.7% 0.035m 7% 约为 (约为 GDP 增长率的 2 倍) 35% 3% From Chemming Hu, (U.C.Berkely) 诞生基于新原理的器件和电路 集成电路走向系统芯片 集成电路走向系统芯片 卫星 /电缆 解调/纠错 IBM CPU 第二代 DRAM DRAM SOC 传输 反向多路器 DRAM MPEG解码 SCI IEEE1284 GPIO ,etc 第三代 将来 声频 接口 视频 接口 System On A Chip STBP 集成电路走向系统芯片 IC的速度很高、功耗很小， IC的速度很高、功耗很小，但由于 的速度很高 PCB板中的连线延时 噪声、 PCB板中的连线延时、噪声、可靠 板中的连线延时、 性以及重量等因素的限制， 性以及重量等因素的限制，已无法 满足性能日益提高的整机系统的要求 在需求牵引和技术 推动的双重作用下 集成 分 立 电路 元 IC 件 系统芯片 系统芯片(SOC)与集成 与集成 系统芯片 System On A Chip (简称 简称SOC) 简称 电路(IC)的设计思想是 的设计思想是 电路 IC设计与制造技术水平的提高， IC设计与制造技术水平的提高， 设计与制造技术水平的提高 不同的， 不同的 IC规模越来越大，已可以在一个 IC规模越来越大，它是微电子技 规模越来越大， 术领域的一场革命。 术领域的一场革命。 芯片上集成10 芯片上集成108109个晶体管 将整个系统集成在 一个微电子芯片上 六十年代的集成电路设计 微米级工艺 ?基于晶体管级互连 ?主流CAD：图形编辑 Vdd A B Out 八十年代的电子系统设计 PE 系统 Math Controller L2 IO MEM Bus Graphics PCB集成 ? 工艺无关 集成电路芯片 亚微米级工艺 ?依赖工艺 ?基于标准单元互连 ?主流CAD:门阵列 标准单元 世纪之交的系统设计 I/O Interface PCI Interface VRAM Motion Processor Core 深亚微米、超深亚 深亚微米、 Glue LAN Interface DSP Processor Glue Core Graphics MPEG SCSI Encryption/ Decryption MEMORY Cache/SRAM or even DRAM 微米级工艺 ?基于IP复用 ?主流CAD：软硬件协 同设计 EISA Interface SYSTEM-ONSYSTEM-ON-A-CHIP 集成电路走向系统芯片 SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、 是从整个系统的角度出发，把处理机制、 是从整个系统的角度出发 模型算法、芯片结构、 模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的 设计紧密结合起来， 设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系 统的功能 SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下 SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top必须采用从系统行为级开始自顶向下(TopDown)地设计 地设计 SOC的优势 的优势 嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题 可以抑制噪声问题 嵌入式模拟电路的 嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度 嵌入式 可以使设计者有更大的自由度 降低功耗， 降低功耗，不需要大量的输出缓冲器 使DRAM和CPU之间的速度接近 和 之间的速度接近 集成电路走向系统芯片 SOC与IC组成的系统相比，由于 与 组成的系统相比 由于SOC能够 组成的系统相比， 能够 综合并全盘考虑整个系统的各种情况， 综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可 以在同样的工艺技术条件下实现更高性能 的系统指标 若采用IS方法和 工艺设计系统芯片， 若采用 方法和0.35m工艺设计系统芯片， 方法和 工艺设计系统芯片 在相同的系统复杂度和处理速率下， 在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相 当于采用0.25 0.18m工艺制作的 所实现 工艺制作的IC所实现 当于采用 工艺制作的 的同样系统的性能 与采用常规IC方法设计的芯片相比 方法设计的芯片相比， 与采用常规 方法设计的芯片相比，采用 SOC完成同样功能所需要的晶体管数目可以 完成同样功能所需要的晶体管数目可以 有数量级的降低 21世纪的微电子 世纪的微电子 将是SOC的时代 将是 的时代 集成电路走向系统芯片 SOC的三大支持技术 的三大支持技术 软硬件协同设计：Co-Design 软硬件协同设计： IP技术 技术 界面综合(Interface Synthesis) 界面综合 技术 集成电路走向系统芯片 软硬件Co-Design 软硬件 面向各种系统的功能划分理论 (Function Partation Theory) 计算机 通讯 压缩解压缩 加密与解密 集成电路走向系统芯片 IP技术 技术 行为描述) 软IP核：Soft IP (行为描述 核 行为描述 门级描述， 固IP核：Firm IP (门级描述，网单 核 门级描述 网单) 版图) 硬IP核：Hard IP(版图 核 版图 通用模块 CMOS DRAM 数模混合：D/A、A/D 数模混合： 、 深亚微米电路优化设计：在模型模拟的基础上， 深亚微米电路优化设计：在模型模拟的基础上， 对速度、功耗、可靠性等进行优化设计 对速度、功耗、 最大工艺荣差设计：与工艺有最大的容差 最大工艺荣差设计： 集成电路走向系统芯片 Interface Synthesis IP + Glue Logic (胶连逻辑 胶连逻辑) 胶连逻辑 面向IP综合的算法及其实现技术 面向 综合的算法及其实现技术 MEMS技术和 技术和DNA芯片 技术和 芯片 MEMS技术和 技术和DNA芯片 技术和 芯片 微电子技术与其它学科结合， 微电子技术与其它学科结合，诞 生出一系列崭新的学科和重大的 经济增长点 MEMS (微机电系统 ：微电子技 微机电系统) 微机电系统 术与机械、 术与机械、光学等领域结合 DNA生物芯片：微电子技术与生物 生物芯片： 生物芯片 工程技术结合 目前的MEMS与IC初期情况相似 与 初期情况相似 目前的 集成电路发展初期， 集成电路发展初期，其电路在今天看来是很 简单的，应用也非常有限， 简单的，应用也非常有限，以军事需求为主 集成电路技术的进步， 集成电路技术的进步，加快了计算机更新换 代的速度，对中央处理器（ 代的速度，对中央处理器（CPU）和随机存 ） 贮器（ 贮器（RAM）的需求越来越大，反过来又促 ）的需求越来越大， 进了集成电路的发展。 进了集成电路的发展。集成电路和计算机在 发展中相互推动，形成了今天的双赢局面， 发展中相互推动，形成了今天的双赢局面， 带来了一场信息革命 现阶段的微系统专用性很强， 现阶段的微系统专用性很强，单个系统的应 用范围非常有限，还没有出现类似的CPU和 用范围非常有限，还没有出现类似的 和 RAM这样量大而广的产品 这样量大而广的产品 MEMS器件及应用 器件及应用 汽车工业 安全气囊加速计、发动机压力计、 安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺 武器装备 制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化 制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化 ）、 生物医学 疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、 疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器 信息和通讯 光开关、波分复用器、集成化 组件 组件、 光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头 娱乐消费类 游戏棒、虚拟现时眼镜、 游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具 MEMS 大机器加工 小机器， 小机器，小 机器加工微 机器 微机械 用微电子加 工技术 MEMS系统 系统 从顶层向下 X光铸模 压 光铸模+压 光铸模 塑技术 (LIGA) 微系统 国防、航空航天、生物医学、环境 国防、 航空航天、 生物医学、 监控、汽车都有广泛应用。 监控、汽车都有广泛应用。 2000年有 年有120-140亿美元市场 年有 亿美元市场 相关市场达1000亿美元 亿美元 相关市场达 2年后市场将迅速成长 年后市场将迅速成长 分子和原子级加工 从底层向上 MEMS技术和 技术和DNA芯片 技术和 芯片 从广义上讲， 是指集微型传感器、 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、 是指集微型传感器 微型执行器、 信号处理和控制电路、接口电路、 信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统 MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉 技术是一种多学科交叉的前沿性领域， 技术是一种多学科交叉的前沿性领域 及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等 MEMS技术和 技术和DNA芯片 技术和 芯片 MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、 在航空、航天、汽车、生物医学、 在航空 环境监控、 环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有 领域中都有着十分广阔的应用前景 微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、 微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、 卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、 卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防 抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具 抱死系统 、 微流量系统和微分析仪可用于微推进、 微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护 MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、 系统还可以用于医疗、 系统还可以用于医疗 高密度存储和显示、 光谱分析、 光谱分析、信息采集等等 已经制造出尖端直径为5 的可以夹起一个红细胞 已经制造出尖端直径为 m的可以夹起一个红细胞 的微型镊子， 的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞 机等 ME