按比例縮小理論

1、 不斷縮小器件尺寸、提高集成密度，一直是不斷縮小器件尺寸、提高集成密度，一直是mosic發(fā)展的動力和趨勢。發(fā)展的動力和趨勢。 器件尺寸的縮小會對器件性能和電路性能帶來器件尺寸的縮小會對器件性能和電路性能帶來影響，特別是影響，特別是mos晶體管溝道長度的縮小會引起各晶體管溝道長度的縮小會引起各種短溝效應(yīng)。為了在提高集成度的同時，使電路性種短溝效應(yīng)。為了在提高集成度的同時，使電路性能也不斷改善，器件尺寸的縮小不能是任意的，必能也不斷改善，器件尺寸的縮小不能是任意的，必須遵從一定的規(guī)則。須遵從一定的規(guī)則。 1974年年r. h. dennard等人首先提出了等人首先提出了mos器器件件“按比例縮小按

2、比例縮小”的理論。的理論。 第一章第一章 器件按比例縮小器件按比例縮小vlsi分析與設(shè)計甘學溫教授lce規(guī)則按比例縮小理論規(guī)則按比例縮小理論lcv規(guī)則按比例縮小理論規(guī)則按比例縮小理論lqce規(guī)則按比例縮小理論規(guī)則按比例縮小理論1 按比例縮小理論按比例縮小理論 l器件的橫向尺寸和縱向尺寸縮小器件的橫向尺寸和縱向尺寸縮小倍倍l外加電壓按同樣比例縮小外加電壓按同樣比例縮小l襯底摻雜濃度按同樣比例增大襯底摻雜濃度按同樣比例增大 1.1 ce規(guī)則按比例縮小規(guī)則按比例縮小aaddddjjoxox/ ,/ ,/ ,/nnvvxxttwwllmos器件按比例縮小器件按比例縮小按按ce規(guī)則縮小后的器件性能規(guī)則縮

3、小后的器件性能1. 耗盡層厚度的變化耗盡層厚度的變化/222/102/10dbsdsbiasidbsdsbiasidxvvvqnxvvvqnx2. 閾值電壓的變化閾值電壓的變化 2/120222bsfoxasifoxoxmstvcnqcqv/)2(211)2(200tbsfasioxoxoxoxbsfsioxoxtvvqnccqcvnqcqv3. 工作電流的變化工作電流的變化eff12doxgstdsdswicvvvvl/ddiieffoxwcleff12doxgstdsdswicvvvvlmos器件縮小前后的輸入特性器件縮小前后的輸入特性mos器件縮小前后的輸出特性器件縮小前后的輸出特性 1

4、/()ldddnlnpioxicvtticwwlc 3/)(pdptppdpd4. 延遲時間和功耗的變化延遲時間和功耗的變化222()( )lddddlddcvppf cvf5. 按按ce規(guī)則縮小的影響規(guī)則縮小的影響l 集成密度集成密度 2 倍提高倍提高;l 電路速度電路速度倍提高倍提高;l 電路功耗電路功耗2 倍減小。倍減小。l 問題：問題：電壓按比例減小給使用帶來不便；電壓按比例減小給使用帶來不便； 電壓減小使噪聲容限減?。浑妷簻p小使噪聲容限減??； 閾值電壓減小使亞閾值電流增大。閾值電壓減小使亞閾值電流增大。l器件的橫向尺寸和縱向尺寸縮小器件的橫向尺寸和縱向尺寸縮小a倍倍l外加電壓保持不變

5、外加電壓保持不變l襯底摻雜濃度按襯底摻雜濃度按a2倍增大倍增大 1.2 cv規(guī)則按比例縮小規(guī)則按比例縮小a2addddjjoxox/ ,/ ,/ ,/nnvvxxttwwll按按cv規(guī)則縮小后的器件性能規(guī)則縮小后的器件性能1. 耗盡層厚度的變化耗盡層厚度的變化/22/10dbsdsbiasidxvvvnqx/22/10dbsdsbiasidxvvvnqx2. 閾值電壓的變化閾值電壓的變化oxbsfasioxoxfmstcvnqcqv2/10222tv3. 工作電流的變化工作電流的變化dsdstgsdvvvvi 21effddoxwclii4. 延遲時間和功耗的變化延遲時間和功耗的變化 dddl

6、ddldpvcfvcfp222)/(2(/)/llddddc vcvttii 2()/dpdpp tp tpdp l 集成密度集成密度 2 倍提高倍提高;l 電路速度電路速度2倍提高；倍提高；l 系統(tǒng)的電源電壓不用改變。系統(tǒng)的電源電壓不用改變。l 問題：問題：電路功耗電路功耗倍增大；倍增大； 功耗密度功耗密度3 倍增大；倍增大； 器件內(nèi)部電場增強。器件內(nèi)部電場增強。5. 按按cv規(guī)則縮小的影響規(guī)則縮小的影響 在在mosic發(fā)展中實際上采用的是不完發(fā)展中實際上采用的是不完全等比例的縮小規(guī)則，或叫作優(yōu)化的按比全等比例的縮小規(guī)則，或叫作優(yōu)化的按比例縮小規(guī)則。例縮小規(guī)則。 當特征尺寸縮小到深亞微米，采

7、用的當特征尺寸縮小到深亞微米，采用的是準恒定電場（是準恒定電場（qce-quasi ce）的不等）的不等比例縮小規(guī)則。比例縮小規(guī)則。1.3 cmos實際按比例縮小規(guī)則實際按比例縮小規(guī)則參參 數(shù)數(shù)縮小的比例系數(shù)縮小的比例系數(shù)器件尺寸器件尺寸1/電電 壓壓/摻雜濃度摻雜濃度電場強度電場強度 1,dlddvtctipvip23按按qce規(guī)則縮小后的器件性能規(guī)則縮小后的器件性能1/202/sidbidsbsdaxvvvxqn 222ddivvi 提高性能希望提高性能希望大，要降低功耗希望大，要降低功耗希望小。小。1cmos按比例縮小實例按比例縮小實例 l a t e 1980s199219951998

8、20012004supplyvoltage (v) highperformance55/3.33.3/2.52.5/1.81.51.2 low power-3.3/2.52.5/1.51.5/1.21.01.0l i t h o g r a p h y resolution (m) general1.250.80.50.350.250.18 gate level for short l-0.60.350.250.180.13channel length (m)0.90.6/0.450.35/0.250.2/0.150.10.07gate insulator thickness (nm)2315

9、/129/76/53.52.5relative density1.02.56.312.82548relative speed highperformance1.01.4/2.02.7/3.44.2/5.17.29.6 low power-1.0/1.62.0/2.43.2/3.54.57.2r e l a t i v e power/function highperformance1.00.9/0.550.47/0.340.29/0.180.120.077 low power-0.27/0.250.20/0.090.08/0.0560.0360.041r e l a t i v e power

10、/unit area highperformance1.02.25/1.383.0/2.13.7/2.343.123.70 low power-0.7/0.631.25/0.61.02/0.720.901.97cmos按比例縮小后的電場按比例縮小后的電場cmos按比例縮小后的功耗密度按比例縮小后的功耗密度生產(chǎn)年代生產(chǎn)年代200720082009201020112012201320142015dram 的的半節(jié)距半節(jié)距(nm) 685952454036322825flash的的半節(jié)距半節(jié)距(nm) 544540363228252220mpu/asic的的半節(jié)距半節(jié)距(nm) 685952454036322825mpu 的物理的物理柵長柵長 (nm)322927242220181715電源電壓電源電壓 (v)vdd (高性能高性能)1.11.11.11.11.01.01.01.01.0vdd (低功耗低功耗)0.900.800.800.800.770.700.700.650.60參 數(shù)ce規(guī)則cv規(guī)則qce規(guī)則器件尺寸1/1/1/電 壓1