微电子技术发展的规律和趋势

1、微电子技术发展的规律和趋势微电子技术发展的规律和趋势摩尔定律摩尔定律Moore定律定律?1965年年Intel公司的创始人之一公司的创始人之一Gordon E. Moore预言集成电路产预言集成电路产业的发展规律业的发展规律集成电路的集成度每三年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特征尺寸每三年缩小 倍倍2p-SiS SG GD Dn+n+集成电路的特征长度集成电路的特征长度MOSMOS晶体管的沟道长晶体管的沟道长硅片直径加大硅片直径加大1970 1970 331980 1980 4 4 1990 1990 6 6 2000 2000 8 8 Moore定律定律10 G

2、1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存储器容量存储器容量 60%/年年 每三年，翻两番每三年，翻两番1965，Gordon Moore 预测预测半导体芯片上半导体芯片上年份DRAM位数(k)32k64k256k4M1M16M64M256M1G4G按摩尔定律计算，年增60%国际发表论文水平摩尔定律：特征尺寸 1.E+91.E+91.E+81.E+81.E+71.E+71.E+61.E+61.E +51.E +51.E+41.E+41.E+31.E+370 74 78 82 86 90 94 70 74 78 82 86 90 9

3、4 98 200298 2002芯片上的体管数目芯片上的体管数目 微处理器性能微处理器性能 每三年翻两番每三年翻两番Moore定律：定律：微处理器的性能微处理器的性能100 G10 G1G100 M10 M1M1K19701980199020002010集成电路技术是近集成电路技术是近50年来发展最快的技术年来发展最快的技术微电子技术的进步微电子技术的进步 年年份份特特征征参参数数19591970-19712000比比率率设设计计规规则则 m2580.18140电电源源电电压压VDD(伏伏）551.53硅硅片片直直径径尺尺寸寸（mm）53030060集集成成度度62 1032 1093 108

4、DRAM密密度度（bit)1K1G106微微处处理理器器时时钟钟频频率率(Hz)750K1G103平平均均晶晶体体管管价价格格$100.310-6107Moore定律定律 性能价格比性能价格比? 在过去的在过去的20年中，改进年中，改进了了1,000,000倍倍? 在今后的在今后的20年中，还将年中，还将改进改进1,000,000倍倍? 很可能还将持续很可能还将持续 40年年 世界各地区的集成电路生产份额美国(29%)欧洲(14%)日本(27%)台湾(11%)韩(8%)中国大陆(2%)其他(9%)年份1996 1998 2000 2002 200410亿美元25201510 5 0供给全世界集

5、成电路的供需情况资料来源：美国半导体设备及材料国际协会（SEMI） 各行业的年增长率（）3025201510 5 0年份 1999 2000 2001 2002 集成电路 电子制造 国民经济 世界经济 900800700600500400300200100 02000 2001 2002 2003 2004 2005销售额（亿元）产量（亿块）我国集成电路产量2 11995 2000 2005 年份0我国集成电路销售额占世界份额国际中国1.2 0.8 0.35 0.25 0.180.35 0.25 0.18 0.13 0.09 0.065 年份1995 2000 2005中国集成电路最小线条宽度

6、：挑战与机遇from：美国半导体设备及材料国际协会（SEMI） 微电子技术的微电子技术的三个发展方向三个发展方向?硅微电子技术的三个主要发展方向硅微电子技术的三个主要发展方向特征尺寸特征尺寸继续等比例缩小继续等比例缩小集成电路集成电路(IC)(IC)将发展成为将发展成为系统芯片系统芯片(SOC)(SOC)微电子技术与其它领域相结合将产生新微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和的产业和新的学科新的学科，例如，例如MEMSMEMS、DNADNA芯芯片等片等微电子技术的三个发展方向微电子技术的三个发展方向?第一个关键技术层次：微细加工第一个关键技术层次：微细加工目前目前0.18 m已开始进入大生

7、产已开始进入大生产0.13 m和和0.11 m大生产技术也已经完大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件成开发，具备大生产的条件在在0.11-0.07um阶段，最关键的加工工阶段，最关键的加工工艺艺光刻技术还是一个大问题，尚未解光刻技术还是一个大问题，尚未解决决方向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小净化室(NEC, 干法腐蚀）工艺工艺?第二个关键技术：互连技术第二个关键技术：互连技术铜互连已在铜互连已在0.25/0.18um技术代中使技术代中使用；用；可靠性问题还有待研究开发可靠性问题还有待研究开发方向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小金属布线层数方向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小1、净化室(

8、NEC, 左薄膜生长，右：离子注入）工艺工艺 ?第三个关键技术第三个关键技术新型器件结构新型器件结构新型材料体系新型材料体系方向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小SOI(Silicon-On-Insulator方向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小SOISOI技术：优点技术：优点?完全实现了介质隔离完全实现了介质隔离, 彻底消除了体硅彻底消除了体硅CMOS集成电路中的寄生效应集成电路中的寄生效应?速度高速度高?集成密度高集成密度高?工艺简单工艺简单?短沟道效应小短沟道效应小,特别适合于小尺寸器件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，特别适合于低压器件低压器件方

9、向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小?SOISOI材料价格高材料价格高?衬底浮置衬底浮置?表层硅膜质量及其界面质量表层硅膜质量及其界面质量SOISOI技术：缺点技术：缺点方向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小0.1 m Sub 0.1 m方向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小稳稳定定状状态态情情况况下下的的半半导导体体增增长长率率 1997 稳稳定定状状态态（2030） CMOS 技技术术 0.25m 0.035m 年年平平均均增增长长率率 16% 7% (约约为为 GDP 增增长长率率的的 2 倍倍) 半半导导体体产产业业/电电子子工工业业 17% 35% 半半导导体体产产业业/GDP 0.7%

10、3% From Chemming Hu, (U.C.Berkely) 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，类似于现在汽车工业和航空工业的情况类似于现在汽车工业和航空工业的情况诞生基于新原理的器件和电路诞生基于新原理的器件和电路方向：特征尺寸缩小方向：特征尺寸缩小时钟频率工艺工艺电源电压 工艺工艺金属布线层数工艺工艺集成电路主流生产工艺技术发展趋势集成电路主流生产工艺技术发展趋势指标与指标与参数参数目前水平目前水平发展趋势发展趋势线宽线宽0.25m0.25m1.8m1.8m20052005，0.13m0.13m0.1m0.1m硅片直硅片直径径8 8英寸英寸2005

11、2005年，年，1212英寸英寸典型产典型产品品（DRAMDRAM）256M256M为主为主20052005年，年，4G4GSOCSOC单芯片数字电视、单芯片数字电视、移动电话、移动电话、PCPC机等机等系统系统20052005年，普遍应用年，普遍应用6 6英寸及其以上尺寸的晶英寸及其以上尺寸的晶片将被开发运用，广泛片将被开发运用，广泛被应用于军事、航天、被应用于军事、航天、超高速计算机和卫星通超高速计算机和卫星通信等领域信等领域工艺工艺工厂投资：10亿美元寿命：年IC产量：10亿块每天：50万块设计人员：1000人晶片增加312 线宽减小0.1微米批量增加100片/批工艺工艺IC产业：智能密

12、集到劳动密集发达国家：产业转移我国：机遇工艺工艺集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片方向：方向：解调/纠错传输反向多路器MPEG解码DRAMDRAM声频接口视频接口IBMCPUSTBPSCIIEEE1284GPIO,etcDRAM卫星/电缆第二代将来第三代SOCSystem On A Chip方向：方向：SOC分分立立元元件件集成集成电路电路 I C 系系 统统 芯芯 片片System On A Chip(简称简称SOC)将整个系统集成在将整个系统集成在一个一个微电子芯片上微电子芯片上在需求牵引和技术在需求牵引和技术推动的双重作用下推动的双重作用下系统芯片系统芯片(SOC)与集成与集成电路

13、电路(IC)的设计思想是的设计思想是不同的，它是微电子技不同的，它是微电子技术领域的一场革命。术领域的一场革命。方向：方向：SOC微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互连主流主流CAD：图形编辑：图形编辑VddABOut方向：方向：SOCPEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成集成 工艺无关工艺无关系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:门阵列门阵列 标准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片方向：方向：SOC深亚微米、超深亚深亚微米、超深亚 微米级工艺微米级工艺基于基于IP复用复用主流主

14、流CAD：软硬件协：软硬件协 同设计同设计方向：方向：SOC设计设计庄庆德2001.11.151980 1985 1990 1995 2000 2005 2010（晶体管/片）（晶体管/人月）1G1M1K101G1M1K 集成度(年增58%)设计能力(年增21%)设计设计庄庆德2001.11.15设计人员缺口：硅谷万 （IC: Indian and Chinese)我国人,缺口万每年培养出几百人（年树人）设计设计庄庆德2001.11.15设计进步：人工到“傻瓜”，半自动到全自动（）CAD手段的扩充：系统，综合，仿真（）设计方法的改进模块化，数据库，精度，（）电路形式：ASIC, SOCSOC（

15、System on Chip,片上系统）技术开始：开始：2020世纪世纪9090年代年代作为作为ASICASIC设计方法学的新技术，设计方法学的新技术，SOCSOC始于始于2020世纪世纪9090年代中期。年代中期。19941994年摩托罗拉发年摩托罗拉发布的布的Flex CoreFlex Core系统系统( (用于制作基于用于制作基于6800068000和和Power PCPower PC的微处理器的微处理器) )和和19951995年年LSI LSI LogicLogic公司为公司为SonySony公司设计的公司设计的SOCSOC，可能，可能是基于是基于IP(Intellectual Pr

16、operty)IP(Intellectual Property)核完核完成成SOCSOC设计的最早报道。虽然设计的最早报道。虽然SOCSOC技术发技术发展的时间不长，但它的问世导致了展的时间不长，但它的问世导致了ICIC产产业新的分工。业新的分工。SOCSOC（System on Chip,片上系统）技术特征：特征：u采用深亚微米采用深亚微米（DSM）工艺技术工艺技术uIPIP核（核（ intellectual Property）复复用用u软硬件协同设计软硬件协同设计SOCSOC SOC 技术难题技术难题1 1、规模大、结构复杂。、规模大、结构复杂。数百万门，包括数百万门，包括MPUMPU、S

17、RAMSRAM、DRAMDRAM、EPROMEPROM、闪速存贮器、闪速存贮器、ADCADC、DACDAC以及其它模拟和射频电路。必以及其它模拟和射频电路。必须进行可测性设计。须进行可测性设计。2 2、速度高、时序关系严密。、速度高、时序关系严密。 3 3、系统级芯片多采用深亚微米工、系统级芯片多采用深亚微米工艺加工技术艺加工技术SOC?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、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能统的功能?SO

18、C必须采用从系统行为级开始自顶向下必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计地设计?SOC的优势的优势嵌入式模拟电路的嵌入式模拟电路的CoreCore可以抑制噪声问题可以抑制噪声问题嵌入式嵌入式CPU CoreCPU Core可以使设计者有更大的自由度可以使设计者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的输出缓冲器降低功耗，不需要大量的输出缓冲器使使DRAMDRAM和和CPUCPU之间的速度接近之间的速度接近方向：方向：SOC?SOC与与IC组成的系统相比，由于组成的系统相比，由于SOC能够能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可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

19、条件下实现更高性能以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标的系统指标0.35 m工艺工艺SoC=0.25 0.18 m工艺制作工艺制作IC晶体管数目可以有数量级的降低晶体管数目可以有数量级的降低方向：方向：SOC21世纪的微电子世纪的微电子将是将是SOC的时代的时代方向：方向：SOC?SOC的三大支持技术的三大支持技术软硬件协同设计：软硬件协同设计：Co-DesignIP技术技术界面综合界面综合(Interface Synthesis)技术技术方向：方向：SOC?软硬件软硬件Co-Design面向各种系统的功能划分理论面向各种系统的功能划分理论(Function Partition Th

20、eory)计算机计算机通讯通讯压缩解压缩压缩解压缩加密与解密加密与解密方向：方向：SOC?IP技术技术软软IP核：核：Soft IP (行为描述行为描述)固固IP核：核：Firm IP (门级描述，网单门级描述，网单)硬硬IP核：核：Hard IP(版图版图)是通用模块是通用模块 CMOS DRAM 数模混合：数模混合：D/A、A/D 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、可靠性等进行优化设计 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：与工艺有最大的容差方向：方向：SOCIC 与与 IP?

21、IC：Integrated Circuit?IP：Intellectual PropertySoC之前之前 核心芯片核心芯片 周边电路周边电路 PCB 系统板卡系统板卡SoC阶段阶段 IP核核 glue logic DSM SoC方向：方向：SOCSoC提高ASIC设计能力的途径1.58设计能力设计能力 1.21工艺能力工艺能力 IC设计能力设计能力 与与工艺能力工艺能力 的的 剪刀差剪刀差方向：方向：SOC IC产业的几次分工产业的几次分工9000s 设计设计 测试测试 工艺工艺 封装封装 设备设备70s60s设备设备测试测试Foundry 封装封装8090s设备设备Foundry 封装封装

22、设备设备系统系统IP方向：方向：SOCIC设计的分工IC设计设计 分工：分工： 系统设计系统设计 IP 设计设计方向：方向：SOCIC产业的重要分工? 设计设计 与与 制作制作 的分工的分工Fabless Foundry 系统设计师介入系统设计师介入IC设计设计? IP设计设计 与与 SoC 的分工的分工 Chipless方向：方向：SOCIP的特点? 复用率高复用率高 易于嵌入易于嵌入? 实现优化实现优化 芯片面积最小芯片面积最小 运行速度最高运行速度最高 功率消耗最低功率消耗最低 工艺容差最大工艺容差最大方向：方向：SOC?Interface SynthesisIP + Glue Logi

23、c (胶连逻辑胶连逻辑)面向面向IP综合的算法及其实现技术综合的算法及其实现技术方向：方向：SOC SoC 设计示意IP 2IP 3IP 1Glue logicGlue logicGlue logicMEMS技术和技术和DNA芯片芯片方向方向3：MEMS技术和技术和DNA芯片芯片?微电子技术与其它学科结合，诞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生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点经济增长点MEMS (微机电系统微机电系统) ：微电子技：微电子技术与机械、光学等领域结合术与机械、光学等领域结合DNA生物芯片：微电子技术与生物生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合工程技术结合

24、方向方向3：MEMS & DNA目前的目前的MEMS与与IC初期情况相似初期情况相似?集成电路发展初期，其电路在今天看来是很集成电路发展初期，其电路在今天看来是很简单的，应用也非常有限，以军事需求为主简单的，应用也非常有限，以军事需求为主?集成电路技术的进步，加快了计算机更新换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）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，反过来又促进了集成电路的发展。进了集成电路的发展。?现阶段的微系统专用性很强，单个系统的应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

25、没有出现类似的用范围非常有限，还没有出现类似的CPU和和RAM这样量大而广的产品这样量大而广的产品方向方向3：MEMS & DNAMEMS器件及应用器件及应用?汽车工业汽车工业安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺?武器装备武器装备制导、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?生物医学生物医学疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器?信息和通讯信息和通讯光开关、波分复用器、集成化光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头组件、打印喷头?娱乐消费类娱乐消费类游戏棒、

26、虚拟现时眼镜、智能玩具游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具方向方向3：MEMS & DNA大机器加工大机器加工小机器，小小机器，小机器加工微机器加工微机器机器微机械微机械用微电子加用微电子加工技术工技术X光铸模光铸模+压压塑技术塑技术(LIGA)从顶层向下从顶层向下从底层向上从底层向上分子和原子级加工分子和原子级加工国防、航空航天、生物医学、环境国防、航空航天、生物医学、环境监控、汽车都有广泛应用。监控、汽车都有广泛应用。2000年有年有120-140亿美元市场亿美元市场 相关市场达相关市场达1000亿美元亿美元2年后市场将迅速成长年后市场将迅速成长MEMS微系统微系统MEMS系统系统?从广义上讲，

27、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、通信系统以及电源于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，它几乎涉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、能源科学等物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等方向方向3：MEMS & DNA?MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、在航空、航天、汽车、生物医学、环境

28、监控、军事以及几乎人们接触到的所有环境监控、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、汽车防卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具、稳定控制和玩具微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护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、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等光谱分析、信息采集等等已经制造出尖端直径为已经制造出尖端直径为5 m的可以夹起一个红细胞的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等机等方向方向3：MEMS & DNA?微电子与生物技术紧密结合的以微电子与生物技术紧密结合的以DNA(脱氧脱氧核糖核酸核糖核酸)芯片等为代表的生物工程芯片将芯片等为代表的生物工程芯片将是是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点济增长点它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞它是以生物科学为基础，利用生物体