微電子的規(guī)律課件

1、Moore定律Moore定律1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一Gordon E. Moore預(yù)言集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律集成電路的集成度每三年增長(zhǎng)四倍，特征尺寸每三年縮小 倍Moore定律10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存儲(chǔ)器容量 60%/年 每三年，翻兩番1965，Gordon Moore 預(yù)測(cè)半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每?jī)赡攴瓋煞?1.E+91.E+81.E+71.E+61.E +51.E+41.E+370 74 78 82 86 90 94 98 2002芯片上的體管數(shù)目 微處理器性能 每三年翻兩番Moore定

2、律：i8080:6,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro: 5,500,000i4004:2,300M6800:4,000i8086:28,000i80286:134,000m68020:190,000i80386DX:275,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,000Pentium II: 7,500,000微處理器的性能10

3、0 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010Peak Advertised Performance (PAP)MooresLawReal AppliedPerformance (RAP) 41% Growth80808086802868038680486PentiumPentiumPro集成電路技術(shù)是近50年來發(fā)展最快的技術(shù)微電子技術(shù)的進(jìn)步按此比率下降，小汽車價(jià)格不到1美分Moore定律 性能價(jià)格比在過去的20年中，改進(jìn)了1,000,000倍在今后的20年中，還將改進(jìn)1,000,000倍很可能還將持續(xù) 40年 信息技術(shù)發(fā)展的三大規(guī)律摩爾定律即

4、電子定律：集成電路的集成度每18個(gè)月翻一番；超摩爾定律即光子定律：光纖傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總量每9個(gè)月翻一番；邁特卡夫定律：網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值以聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)的平方關(guān)系成正比等比例縮小(Scaling-down)定律等比例縮小(Scaling-down)定律1974年由Dennard基本指導(dǎo)思想是：保持MOS器件內(nèi)部電場(chǎng)不變：恒定電場(chǎng)規(guī)律，簡(jiǎn)稱CE律等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導(dǎo)和減少負(fù)載電容，提高集成電路的性能電源電壓也要縮小相同的倍數(shù)漏源電流方程：由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均縮小了倍，Cox增大了倍，因此，IDS縮小倍。門延遲時(shí)間tpd為：其中VDS、IDS、CL均縮小了倍，所以

5、tpd也縮小了倍。標(biāo)志集成電路性能的功耗延遲積PWtpd則縮小了3倍。恒定電場(chǎng)定律的問題閾值電壓不可能縮的太小源漏耗盡區(qū)寬度不可能按比例縮小電源電壓標(biāo)準(zhǔn)的改變會(huì)帶來很大的不便恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡(jiǎn)稱CV律)保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對(duì)其它參數(shù)進(jìn)行等比例縮小按CV律縮小后對(duì)電路性能的提高遠(yuǎn)不如CE律，而且采用CV律會(huì)使溝道內(nèi)的電場(chǎng)大大增強(qiáng)CV律一般只適用于溝道長(zhǎng)度大于1m的器件，它不適用于溝道長(zhǎng)度較短的器件。準(zhǔn)恒定電場(chǎng)等比例縮小規(guī)則，縮寫為QCE律CE律和CV律的折中，世紀(jì)采用的最多隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小，強(qiáng)電場(chǎng)、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按CV律進(jìn)一步縮小的規(guī)

6、則，電源電壓必須降低。同時(shí)又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實(shí)際上電源電壓降低的比例通常小于器件尺寸的縮小比例器件尺寸將縮小倍，而電源電壓則只變?yōu)樵瓉淼?倍微電子技術(shù)的三個(gè)發(fā)展方向硅微電子技術(shù)的三個(gè)主要發(fā)展方向特征尺寸繼續(xù)等比例縮小集成電路(IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC)微電子技術(shù)與其它領(lǐng)域相結(jié)合將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)和新的學(xué)科，例如MEMS、DNA芯片等微電子技術(shù)的三個(gè)發(fā)展方向第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)層次：微細(xì)加工目前0.25m和0.18 m已開始進(jìn)入大生產(chǎn)0.15 m和0.13 m大生產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)完成開發(fā)，具備大生產(chǎn)的條件當(dāng)然仍有許多開發(fā)與研究工作要做，例如IP模塊的開發(fā)，為EDA服務(wù)的器件模型模

7、擬開發(fā)以及基于上述加工工藝的產(chǎn)品開發(fā)等在0.13-0.07um階段，最關(guān)鍵的加工工藝光刻技術(shù)還是一個(gè)大問題，尚未解決微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小第二個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：互連技術(shù)銅互連已在0.25/0.18um技術(shù)代中使用；但是在0.13um以后，銅互連與低介電常數(shù)絕緣材料共同使用時(shí)的可靠性問題還有待研究開發(fā)微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小互連技術(shù)與器件特征尺寸的縮小（資料來源：Solidstate Technology Oct.,1998） 第三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)新型器件結(jié)構(gòu)新型材料體系高K介質(zhì)金屬柵電極低K介質(zhì)SOI材料微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小 傳統(tǒng)的柵結(jié)構(gòu) 重?fù)诫s多晶硅SiO2 硅化物 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系: LTo

8、x Xj1/3柵介質(zhì)的限制隨著 tgate 的縮小，柵泄漏電流呈指數(shù)性增長(zhǎng)超薄柵氧化層?xùn)叛趸瘜拥膭?shì)壘GSD直接隧穿的泄漏電流柵氧化層厚度小于 3nm后tgate大量的晶體管 限制：tgate 3 to 2 nm柵介質(zhì)的限制柵介質(zhì)的限制 等效柵介質(zhì)層的總厚度： Tox 1nm + t柵介質(zhì)層 Tox t多晶硅耗盡 t柵介質(zhì)層 t量子效應(yīng)+ 由多晶硅耗盡效應(yīng)引起的等效厚度 : t多晶硅耗盡 0.5nm 由量子效應(yīng)引起的等效厚度: t量子效應(yīng) 0.5nm 限制：等效柵介質(zhì)層的總厚度無法小于1nm隨著器件縮小致亞50納米尋求介電常數(shù)大的高K材料來替代SiO2SiO2無法適應(yīng)亞50納米器件的要求柵介質(zhì)的

9、限制SiO2（3.9）SiO2/Si 界面硅基集成電路發(fā)展的基石得以使微電子產(chǎn)業(yè)高速和持續(xù)發(fā)展SOI(Silicon-On-Insulator: 絕緣襯底上的硅)技術(shù)SOI技術(shù)：優(yōu)點(diǎn)完全實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)隔離, 徹底消除了體硅CMOS集成電路中的寄生閂鎖效應(yīng)速度高集成密度高工藝簡(jiǎn)單減小了熱載流子效應(yīng)短溝道效應(yīng)小,特別適合于小尺寸器件體效應(yīng)小、寄生電容小，特別適合于低壓器件SOI材料價(jià)格高襯底浮置表層硅膜質(zhì)量及其界面質(zhì)量SOI技術(shù)：缺點(diǎn)隧穿效應(yīng)SiO2的性質(zhì)柵介質(zhì)層Tox1納米量子隧穿模型高K介質(zhì)?雜質(zhì)漲落器件溝道區(qū)中的雜質(zhì)數(shù)僅為百的量級(jí)統(tǒng)計(jì)規(guī)律新型柵結(jié)構(gòu)?電子輸運(yùn)的渡越時(shí)間碰撞時(shí)間介觀物理的輸運(yùn)理論?

10、溝道長(zhǎng)度 L50納米L源漏柵Toxp 型硅n+n+多晶硅NMOSFET 柵介質(zhì)層新一代小尺寸器件問題帶間隧穿反型層的量子化效應(yīng)電源電壓1V時(shí)，柵介質(zhì)層中電場(chǎng)約為5MV/cm，硅中電場(chǎng)約1MV/cm考慮量子化效應(yīng)的器件模型? .可靠性0.1mSub 0.1m2030年后，半導(dǎo)體加工技術(shù)走向成熟，類似于現(xiàn)在汽車工業(yè)和航空工業(yè)的情況誕生基于新原理的器件和電路集成電路走向系統(tǒng)芯片SOCSystem On A Chip集成電路走向系統(tǒng)芯片IC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的連線延時(shí)、噪聲、可靠性以及重量等因素的限制，已無法滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求IC設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平的提高，IC規(guī)模越來

11、越大，已可以在一個(gè)芯片上集成108109個(gè)晶體管分立元件集成電路 I C 系 統(tǒng) 芯 片System On A Chip(簡(jiǎn)稱SOC)將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)微電子芯片上在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下系統(tǒng)芯片(SOC)與集成電路(IC)的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子技術(shù)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。集成電路走向系統(tǒng)芯片六十年代的集成電路設(shè)計(jì)微米級(jí)工藝基于晶體管級(jí)互連主流CAD：圖形編輯VddABOut八十年代的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)PEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成 工藝無關(guān)系統(tǒng)亞微米級(jí)工藝依賴工藝基于標(biāo)準(zhǔn)單元互連主流CAD:門陣列 標(biāo)準(zhǔn)單元集成電路芯片世紀(jì)之交的系統(tǒng)設(shè)計(jì)S

12、YSTEM-ON-A-CHIP深亞微米、超深亞 微米級(jí)工藝基于IP復(fù)用主流CAD：軟硬件協(xié) 同設(shè)計(jì)MEMORYCache/SRAM or even DRAMProcessorCoreDSP Processor CoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISA InterfaceGlueGluePCI InterfaceI/O InterfaceLAN InterfaceSOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能SOC必須采用從系統(tǒng)行為級(jí)開始自頂向

13、下(Top-Down)地設(shè)計(jì)SOC的優(yōu)勢(shì)嵌入式模擬電路的Core可以抑制噪聲問題嵌入式CPU Core可以使設(shè)計(jì)者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的輸出緩沖器使DRAM和CPU之間的速度接近集成電路走向系統(tǒng)芯片SOC與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC能夠綜合并全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)若采用IS方法和0.35m工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片，在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當(dāng)于采用0.25 0.18m工藝制作的IC所實(shí)現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能與采用常規(guī)IC方法設(shè)計(jì)的芯片相比，采用SOC完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目可以有數(shù)量級(jí)的降低集成電路走向系統(tǒng)芯片21世

14、紀(jì)的微電子將是SOC的時(shí)代SOC的三大支持技術(shù)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)：Co-DesignIP技術(shù)界面綜合(Interface Synthesis)技術(shù)集成電路走向系統(tǒng)芯片軟硬件Co-Design面向各種系統(tǒng)的功能劃分理論(Function Partation Theory)計(jì)算機(jī)通訊壓縮解壓縮加密與解密集成電路走向系統(tǒng)芯片IP技術(shù)軟IP核：Soft IP (行為描述)固IP核：Firm IP (門級(jí)描述，網(wǎng)單)硬IP核：Hard IP(版圖)通用模塊CMOS DRAM數(shù)?；旌希篋/A、A/D深亞微米電路優(yōu)化設(shè)計(jì)：在模型模擬的基礎(chǔ)上，對(duì)速度、功耗、可靠性等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)最大工藝榮差設(shè)計(jì)：與工藝有最大的容差

15、集成電路走向系統(tǒng)芯片IC 與 IPIC：Integrated CircuitIP：Intellectual PropertySoC之前 核心芯片 周邊電路 PCB 系統(tǒng)板卡SoC階段 IP核 glue logic DSM SoCIC 與 IPYesterdays chips are todays reusable IP blocks，and can be combined with other functions，like Video，Audio，Analog，and I/O，to formulate what we now know as system on chip（SoC）。SoC提高A

16、SIC設(shè)計(jì)能力的途徑1.58設(shè)計(jì)能力 1.21工藝能力 IC設(shè)計(jì)能力 與工藝能力 的 剪刀差設(shè)計(jì)能力的階躍EDA技術(shù) L-E P&R Synth SoC IC產(chǎn)業(yè)的幾次分工9000s 設(shè)計(jì) 測(cè)試 工藝 封裝 設(shè)備70s60s設(shè)備測(cè)試Foundry 封裝8090s設(shè)備Foundry 封裝設(shè)備系統(tǒng)IPIC設(shè)計(jì)的分工IC設(shè)計(jì) 分工： 系統(tǒng)設(shè)計(jì) IP 設(shè)計(jì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 Chipless IC產(chǎn)業(yè)的重要分工 設(shè)計(jì) 與 制作 的分工Fabless Foundry 系統(tǒng)設(shè)計(jì)師介入IC設(shè)計(jì) IP設(shè)計(jì) 與 SoC 的分工 ChiplessIP的特點(diǎn) 復(fù)用率高 易于嵌入 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化 芯片面積最小 運(yùn)行速度最高

17、功率消耗最低 工藝容差最大Interface SynthesisIP + Glue Logic (膠連邏輯)面向IP綜合的算法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成電路走向系統(tǒng)芯片 SoC 設(shè)計(jì)示意IP 2IP 3IP 1Glue logicGlue logicGlue logicMEMS技術(shù)和DNA芯片MEMS技術(shù)和DNA芯片微電子技術(shù)與其它學(xué)科結(jié)合，誕生出一系列嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)MEMS (微機(jī)電系統(tǒng)) ：微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域結(jié)合DNA生物芯片：微電子技術(shù)與生物工程技術(shù)結(jié)合目前的MEMS與IC初期情況相似集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡(jiǎn)單的，應(yīng)用也非常有限，以軍事需求為主集成電路技術(shù)的

18、進(jìn)步，加快了計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的速度，對(duì)中央處理器（CPU）和隨機(jī)存貯器（RAM）的需求越來越大，反過來又促進(jìn)了集成電路的發(fā)展。集成電路和計(jì)算機(jī)在發(fā)展中相互推動(dòng)，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場(chǎng)信息革命現(xiàn)階段的微系統(tǒng)專用性很強(qiáng)，單個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常有限，還沒有出現(xiàn)類似的CPU和RAM這樣量大而廣的產(chǎn)品MEMS器件及應(yīng)用汽車工業(yè)安全氣囊加速計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)壓力計(jì)、自動(dòng)駕駛陀螺武器裝備制導(dǎo)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察（化學(xué)、震動(dòng)）、武器智能化生物醫(yī)學(xué)疾病診斷、藥物研究、微型手術(shù)儀器、植入式儀器信息和通訊光開關(guān)、波分復(fù)用器、集成化RF組件、打印噴頭娛樂消費(fèi)類游戲棒、虛擬現(xiàn)時(shí)眼鏡、智能玩具大機(jī)器加工小機(jī)器，小機(jī)器加工微機(jī)器微機(jī)

19、械用微電子加工技術(shù)X光鑄模+壓塑技術(shù)(LIGA)從頂層向下從底層向上分子和原子級(jí)加工國(guó)防、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、汽車都有廣泛應(yīng)用。2000年有120-140億美元市場(chǎng) 相關(guān)市場(chǎng)達(dá)1000億美元2年后市場(chǎng)將迅速成長(zhǎng)MEMS微系統(tǒng)MEMS系統(tǒng)MEMS技術(shù)和DNA芯片從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的前沿性領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等MEMS技術(shù)和DNA芯片MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景微慣性傳感器及微型慣性測(cè)量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動(dòng)駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)定控制和玩具微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲(chǔ)和顯示、光譜分析、信息采集等等已經(jīng)制造