微電子發(fā)展的規(guī)律及趨勢

微電子技術(shù)發(fā)展的規(guī)律及趨勢Moore定律Moore定律1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一GordonE.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四倍，特征尺寸每三年縮小倍Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存儲器容量60%/年

每三年，翻兩番1965，GordonMoore預(yù)測

半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番

1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2002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”:15,950,000PentiumII:7,500,000微處理器的性能100G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(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，小汽車價格不到1美分Moore定律

性能價格比在過去的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)部電場不變：恒定電場規(guī)律，簡稱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。門延遲時間tpd為：其中VDS、IDS、CL均縮小了倍，所以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)的改變會帶來很大的不便恒定電壓等比例縮小規(guī)律(簡稱CV律)保持電源電壓Vds和閾值電壓Vth不變，對其它參數(shù)進(jìn)行等比例縮小按CV律縮小后對電路性能的提高遠(yuǎn)不如CE律，而且采用CV律會使溝道內(nèi)的電場大大增強CV律一般只適用于溝道長度大于1m的器件，它不適用于溝道長度較短的器件。準(zhǔn)恒定電場等比例縮小規(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，強電場、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)則，電源電壓必須降低。同時又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實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

三個發(fā)展方向21世紀(jì)硅微電子技術(shù)的三個主要發(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)的三個發(fā)展方向第一個關(guān)鍵技術(shù)層次：微細(xì)加工目前0.09m已開始進(jìn)入大生產(chǎn)0.045m大生產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)完成開發(fā)，具備大生產(chǎn)的條件微電子器件的特征尺寸繼續(xù)縮小互連技術(shù)旨與器件特良征尺寸的劃縮?。ㄙY料換來源：望Sol轉(zhuǎn)ids飲tat看eT匠ech用nol搞ogy摸Oc跨t.,曬199慕8）第三個伶關(guān)鍵技墓術(shù)新型器身件結(jié)構(gòu)新型材柱料體系高K介忍質(zhì)金屬柵電銹極低K介質(zhì)SOI材友料微電子克器件的根特征尺摩寸繼續(xù)甜縮小傳統(tǒng)的習(xí)柵結(jié)構(gòu)重?fù)诫s姥多晶硅SiO2硅化物經(jīng)驗關(guān)系臣:LToxXj1/3柵介質(zhì)的警限制

隨著tgate

的縮小，柵泄漏電流呈指數(shù)性增長超薄柵氧化層?xùn)叛趸瘜拥膭輭綠SD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~3to2nm柵介質(zhì)扯的限制柵介質(zhì)哲的限制等效柵經(jīng)介質(zhì)層寺的總厚丘度：Tox>1n明m+量t柵介質(zhì)巴層Toxt多晶硅繡耗盡t柵介質(zhì)層t量子效舉應(yīng)++由多晶硅叔耗盡效應(yīng)盲引起的等堂效厚度:t多晶硅成耗盡0.5n駛m由量子鴨效應(yīng)引掙起的等昏效厚度:t量子效醬應(yīng)0.5跡nm～～限制：等括效柵介質(zhì)宰層的總厚幻玉度無法小動于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)的堅限制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改(Si敗lic讀on-投On-胞Ins精ula軋tor僅:旁絕緣襯特底上的贈硅)技米術(shù)SOI技乘術(shù)：優(yōu)點完全實現(xiàn)執(zhí)了介質(zhì)隔垂離,徹挪底消除了寺體硅CM戒OS集成憂電路中的諷寄生閂鎖戲效應(yīng)速度高集成密度婚高工藝簡朝單減小了膏熱載流跟子效應(yīng)短溝道效描應(yīng)小,特惠別適合于滑小尺寸器飼件體效應(yīng)小另、寄生電震容小，特擾別適合于側(cè)低壓器件SOI描材料價相格高襯底浮置表層硅巧膜質(zhì)量椅及其界擱面質(zhì)量SOI技材術(shù)：缺點隧穿效應(yīng)SiO2的性質(zhì)柵介質(zhì)層Tox<1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)僅為百的量級統(tǒng)計規(guī)律新型柵結(jié)構(gòu)?電子輸運的渡越時間～碰撞時間介觀物理的輸運理論?溝道長度L<50納米L源漏柵Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

柵介質(zhì)層新一代適小尺寸據(jù)器件問娘題帶間隧穿反型層的量子化效應(yīng)電源電壓1V時，柵介質(zhì)層中電場約為5MV/cm，硅中電場約1MV/cm考慮量子化效應(yīng)的器件模型?…...可靠性0.1河umSub論0.1額um2030晝年后，半抄導(dǎo)體加工棄技術(shù)走向盈成熟，類研似于現(xiàn)在爸汽車工業(yè)院和航空工抵業(yè)的情況誕生基于倆新原理的眼器件和電統(tǒng)路集成電路險走向系統(tǒng)瘦芯片SOCSystemOnAChip集成電央路走向旺系統(tǒng)芯險片IC的速退度很高、綢功耗很小怕，但由于PCB板扮中的連線末延時、噪儀聲、可靠性以及重衛(wèi)量等因素毫的限制，聞已無法滿足性能蛛日益提高正的整機(jī)系漲統(tǒng)的要求IC設(shè)計停與制造技古術(shù)水平的濫提高，IC規(guī)模社越來越大液，已可以捧在一個芯片上左集成1伴08~109個晶體管分立元件集成電路IC系統(tǒng)旺芯片Sys讓tem伍On僅A銅Chi牽p(簡稱S惜OC)將整個紋系統(tǒng)集略成在一個微電子芯盼片上在需求牽奇引和技術(shù)推動的青雙重作礙用下系統(tǒng)芯柔片(S持OC)陪與集成電路(床IC)閉的設(shè)計徐思想是不同的董，它是打微電子乳技術(shù)領(lǐng)域的登一場革命圓。集成電路智走向系統(tǒng)瘋芯片六十年代五的集成電悔路設(shè)計微米級工藝基于晶體管級互連主流CAD：圖形編輯VddABOut八十年代似的電子系出統(tǒng)設(shè)計PEL2MEMMathBusCont果roll轟erIOGra工phi層csPCB集穿成工藝無師關(guān)系統(tǒng)亞微米級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)之交根的系統(tǒng)設(shè)逗計SYST論EM-O幟N-A-錫CHIP深亞微米、超深亞微米級工藝基于IP復(fù)用主流CAD：軟硬件協(xié) 同設(shè)計MEMORYCache/SRAMorevenDRAMProcessor

CoreDSP

ProcessorCoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISAInterfaceGlueGluePCIInterfaceI/OInterfaceLANInterfaceSOC是形從整個系配統(tǒng)的角度干出發(fā)，把層處理機(jī)制南、模型算戰(zhàn)法、芯片科結(jié)構(gòu)、各粒層次電路息直至器件膏的設(shè)計緊享密結(jié)合起姐來，在單皂個芯片上士完成整個訊系統(tǒng)的功輩能SOC必涉須采用從筒系統(tǒng)行為銹級開始自哀頂向下(灣Top-膀Down惑)地設(shè)計SOC也的優(yōu)勢嵌入式守模擬電皇路的C雜ore刻可以抑屈制噪聲南問題嵌入式掙CPU挽Co梳re可考以使設(shè)棍計者有黃更大的緊自由度降低功耗航，不需要洲大量的輸迅出緩沖器使DRA溫M和CP杏U之間的滿速度接近集成電路駛走向系統(tǒng)潤芯片SOC獄與IC吧組成的溪系統(tǒng)相估比，由網(wǎng)于SO滅C能夠前綜合并坡全盤考允慮整個衰系統(tǒng)的乓各種情淡況，可席以在同去樣的工蟻藝技術(shù)蒜條件下悠實現(xiàn)更未高性能枕的系統(tǒng)畏指標(biāo)若采用I薦S方法和血0.35m工藝設(shè)水計系統(tǒng)芯戶片，在相遲同的系統(tǒng)門復(fù)雜度和身處理速率紛下，能夠森相當(dāng)于采捐用0.2限5~愈0.18m工藝制拆作的IC幟所實現(xiàn)的替同樣系統(tǒng)鋸的性能與采用常桌規(guī)IC方胳法設(shè)計的糞芯片相比被，采用S屑OC完成迅同樣功能棵所需要的不晶體管數(shù)桃目可以有飾數(shù)量級的汗降低集成電城路走向疾系統(tǒng)芯執(zhí)片21世紀(jì)伐的微電子將是S煎OC的浴時代SOC違的三大為支持技臨術(shù)軟硬件協(xié)院同設(shè)計：膨Co-D罰esig他nIP技吸術(shù)界面綜合穴(Int澆erfa陜ceS旅ynth島esis糖)技術(shù)集成電路瓣走向系統(tǒng)題芯片軟硬件關(guān)Co-深Des夕ign面向各慕種系統(tǒng)脆的功能使劃分理以論(F刃unc肆tio海nP醒art封ati呢on庭The剃ory灑)計算機(jī)通訊壓縮解攪壓縮加密與宇解密集成電刮路走向蠻系統(tǒng)芯星片IP技術(shù)軟IP核棵：Sof餐tIP匯(行為這描述)固IP蓄核：F扇irm湯I(xiàn)P屯(門剩級描述驕，網(wǎng)單和)硬IP核貓：Har葬dIP槽(版圖)通用模蹲塊CMOS夸DRA唯M數(shù)?；煜藓希篋浮/A、浪A/D深亞微班米電路侍優(yōu)化設(shè)云計：在鋒模型模辯擬的基詠礎(chǔ)上，尸對速度適、功耗同、可靠割性等進(jìn)倉行優(yōu)化捎設(shè)計最大工德藝榮差夠設(shè)計：級與工藝削有最大魂的容差集成電往路走向央系統(tǒng)芯挑片Int貿(mào)erf偏ace編Sy趁nth閉esi遼sIP扎+G譯lue左Lo成gic摘(膠連邏輯爬)面向IP摸綜合的算氣法及其實配現(xiàn)技術(shù)集成電連路走向鑰系統(tǒng)芯承片MEMS麥技術(shù)和D雖NA芯片MEMS止技術(shù)和D說NA芯片微電子眠技術(shù)與徐其它學(xué)傍科結(jié)合溝，誕生岡出一系走列嶄新匆的學(xué)科癢和重大扮的經(jīng)濟(jì)去增長點MEM山S(袋微機(jī)電算系統(tǒng))垮：微遣電子技艇術(shù)與機(jī)頭械、光撒學(xué)等領(lǐng)就域結(jié)合DNA生浪物芯片：晚微電子技沿術(shù)與生物艇工程技術(shù)喘結(jié)合目前的喪MEM噸S與I朱C初期福情況相筋似集成電路糕發(fā)展初期壩，其電路任在今天看豎來是很簡免單的，應(yīng)餡用也非常削有限，以露軍事需求局為主集成電屯路技術(shù)撥的進(jìn)步恰，加快逢了計算事機(jī)更新毯換代的碌速度，騾對中央權(quán)處理器蜻（CP漆U）和賣隨機(jī)存暫貯器（碑RAM木）的需慈求越來統(tǒng)越大，碗反過來噸又促進(jìn)魂了集成鉆電路的肢發(fā)展。廉集成電偵路和計皇算機(jī)在賊發(fā)展中多相互推貪動，形太成了今塌天的雙蕩贏局面稈，帶來倒了一場斗信息革權(quán)命現(xiàn)階段亂的微系叼統(tǒng)專用輩性很強撈，單個鄰系統(tǒng)的端應(yīng)用范纖圍非常蒜有限，吹還沒有工出現(xiàn)類裕似的C金PU和議RAM泉這樣量咳大而廣累的產(chǎn)品MEMS桌器件及應(yīng)楚用汽車工黨業(yè)安全氣囊傷加速計、茄發(fā)動機(jī)壓嬸力計、自寸動駕駛陀顛螺武器裝寧備制導(dǎo)、戰(zhàn)兇場偵察（觸化學(xué)、震桶動）、武鏡器智能化生物醫(yī)學(xué)疾病診匹斷、藥涌物研究浴、微型著手術(shù)儀桌器、植切入式儀茄器信息和通壤訊光開關(guān)盒、波分該復(fù)用器辱、集成眼化RF士組件、喉打印噴宵頭娛樂消費分類游戲棒、卸虛擬現(xiàn)時砍眼鏡、智諸能玩具大機(jī)器加嗽工小機(jī)器魚，小機(jī)器察加工微機(jī)您器微機(jī)械用微電茄子加工份技術(shù)MEMS尼系統(tǒng)X光鑄模弟+壓塑技偽術(shù)(LI銀GA)從頂層介向下從底層向做上分子和烈原子級竄加工國防、緩航空航圓天、生論物醫(yī)學(xué)耗、環(huán)境卸監(jiān)控、蛋汽車都乳有廣泛蚊應(yīng)用。2000右年有12陡0-14貍0億美元膏市場相關(guān)市漠場達(dá)1擴(kuò)000撇億美元2年后市洪場將迅速匪成長MEM胳S微系統(tǒng)MEM茄S技術(shù)炒和DN飛A芯片從廣義上托講，ME古MS是指虜集微型傳刪感器、微梢型執(zhí)行器岸、信號處模理和控制碎電路、接慘口電路、香通信系統(tǒng)伸以及電源攪于一體的貨微型機(jī)電彎系統(tǒng)MEMS鄰技術(shù)是一星種多學(xué)科卵交叉的前私沿性領(lǐng)域擦，它幾乎早涉及到自咱然及工程永科學(xué)的所鋸有領(lǐng)域，荒如電子、武機(jī)械、光龍學(xué)、物理愛學(xué)、化學(xué)競、生物醫(yī)證學(xué)、材料體科學(xué)、能君源科學(xué)等MEM執(zhí)S技術(shù)遮和DN先A芯片MEMS墾在航空、撕航天、汽算車、生物榮醫(yī)學(xué)、環(huán)厭境監(jiān)控、漫軍事以及茄幾乎人們剛接觸到的頃所有領(lǐng)域構(gòu)中都有著作十分廣闊烈的應(yīng)用前煉景微慣性傳傷感器及微召型慣性測豬量組合能薯應(yīng)用于制輸導(dǎo)、衛(wèi)星丹控制、汽爽車自動駕普駛、汽車徑防撞氣囊禁、汽車防刺抱死系統(tǒng)艦(ABS族)、穩(wěn)定睜控制和玩哪具微流量系至統(tǒng)和微分態(tài)析儀可用把于微推進(jìn)甲、傷員救疤護(hù)MEM檢S系統(tǒng)襖還可以酒用于醫(yī)聽療、高橫密度存奧儲和顯造示、光自譜分析剩、信息迫采集等沒等已經(jīng)制造滴出尖端直井徑為5m的可以充夾起一個怖紅細(xì)胞的堂微型鑷子杏，可以在張磁場中飛立行的象蝴害蝶大小的蠶飛機(jī)等MEMS梢技術(shù)和D誓NA芯片MEMS社技術(shù)及其講產(chǎn)品的增擊長速度非貸常之高，羨并且目前鏟正處在加南速發(fā)展時侄期MEM賄S技術(shù)宇和DN壇A芯片MEM銅S技術(shù)限和DN沃A芯片微電子反與生物降技術(shù)緊在密結(jié)合牲的以D西NA(謝脫氧核蠅糖核酸影)芯片估等為代欺表的生橫物工程浴芯片將把是21叛世紀(jì)微呆電子領(lǐng)響域的另濕一個熱練點和新稼的經(jīng)濟(jì)曬增長點它是以揪生物科幻玉學(xué)為基塑礎(chǔ)，利乞用生物答體、生燈物組織充或細(xì)胞南等的特線點和功沙能，設(shè)按計構(gòu)建附具有預(yù)張期性狀跑的新物申種或新崖品系，撥并與工劑程技術(shù)殲相結(jié)合餐進(jìn)行加釘工生產(chǎn)富，它是逢生命科命學(xué)與技柿術(shù)科學(xué)銜相結(jié)合午的產(chǎn)物具有附加瓜值高、資吸源占用少壺等一系列藍(lán)特點，正誰日益受到險廣泛關(guān)注槐。目前最綱有代表性李的生物芯罪片是DN斥A芯片MEM鎖S技術(shù)窩和DN驕A芯片采用微犁電子加寄工技術(shù)港，可以肌在指甲報蓋大小母的硅片海上制作決出包含插有多達(dá)縮慧10萬使種DN蛙A基因保片段的眨芯片。匯利用這道種芯片鹽可以在饞極快的訊時間內(nèi)偷檢測或磁發(fā)現(xiàn)遺衫傳基因襯的變化心等情況皆，這無屑疑對遺腥傳學(xué)研洽究、疾禍病診斷聾