《工程学概论》发展规律趋势展望08课件

第九章微电子技术发展的规律、趋势及展望Moore定律Moore定律1965年4月Intel公司的创始人之一GordonE.Moore预言集成电路产业的发展规律（ElectronicsMagazine)集成电路的集成度每三年增长四倍，特征尺寸每三年缩小倍

1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2002芯片上的体管数目微处理器性能

每三年翻两番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微处理器的性能100G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth80808086802868038680486PentiumPentiumProMoore定律

性能价格比在过去的20年中，改进了1,000,000倍在今后的20年中，还将改进1,000,000倍很可能还将持续40年等比例缩小(Scaling-down)定律等比例缩小(Scaling-down)定律1974年由Dennard提出（IEEEJournalofSolid-stateCircuits,1974,9)基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律，简称CE律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，提高集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍数恒定电场定律的问题阈值电压不可能缩的太小（会引起电路抗干扰减弱，漏电流增加，不利于动态结点电平的保持，而且引起静态功耗增加）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（提出片内限压器）恒定电压等比例缩小规律(简称CV律)保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它参数进行等比例缩小按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，功耗延迟积只降低k倍，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强，由此带来一系列问题，对器件可靠性造成影响（功耗密度增加了k3,引起器件散热困难、金属连线的电迁移等）。CV律一般只适用于沟道长度大于1m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QCE律CE律和CV律的折中，本世纪采用的最多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。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，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倍，而电源电压则只变为原来的/倍根据等比例缩小定律,集成电路的速度等参数飞速提高,但实际上,由于各种寄生效应不能等比例缩小,因此集成电路性能也不能等比例提高,影响集成电路性能提高的主要因素有:(1)互连金属在整个集成电路中所占的芯片面积越来越大,有的甚至高达80%以上,互连线的电阻和寄生电容对电路性能的影响变得越来越严重,因此需要开发新型的互连金属和互连绝缘介质材料.(2)由于小尺寸器件内部电场的增强,载流子速度会达到饱和,使电路性能下降.(3)随着器件尺寸的缩小,漏源寄生串联电阻迅速增大,对电路性能造成严重的负面影响.(4)电源电压降低,寄生结电容增大,影响电路的速度.(5)由于寄生结电容的分压,使施加在器件上的电压进一步降低,影响电路的速度.

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(SOC)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芯片等微电子技术的三个发展方向157nm13nm投影电子束光刻（SCALPEL）工作原理互连技术与器件特征尺寸的缩小（资料来源：SolidstateTechnologyOct.,1998）Motorata开发的六层Cu互连结构（1998）

随着tgate

的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长超薄栅氧化层栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于3nm后tgate大量的晶体管

限制：tgate~3to2nm栅介质的限制栅介质的限制

等效栅介质层的总厚度：

Tox>1nm+t栅介质层

Tox

t多晶硅耗尽

t栅介质层

t量子效应++

由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度:t多晶硅耗尽

0.5nm

由量子效应引起的等效厚度:t量子效应0.5nm～～

限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm随着器件缩小致亚50纳米寻求介电常数大的高K材料来替代SiO2SiO2无法适应亚50纳米器件的要求栅介质的限制SiO2（＝3.9）SiO2/Si界面硅基集成电路发展的基石得以使微电子产业高速和持续发展SOI(Silicon-On-Insulator:

绝缘衬底上的硅)技术SOI技术的优点完全实现了介质隔离,彻底消除了体硅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,特别适合于小尺寸器件体效应小、寄生电容小，特别适合于低压器件SOI材料价格高Smartcutsol材料已经有日本、法国、美国等几家公司开始生产衬底浮置表层硅膜质量及其界面质量SOI技术的缺点隧穿效应SiO2的性质栅介质层Tox<1纳米量子隧穿模型高K介质?杂质涨落器件沟道区中的杂质数仅为百的量级统计规律新型栅结构?电子输运的渡越时间～碰撞时间介观物理的输运理论?沟道长度L<50纳米L源漏栅Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

栅介质层新一代小尺寸器件问题带间隧穿反型层的量子化效应电源电压1V时，栅介质层中电场约为5MV/cm，硅中电场约1MV/cm考虑量子化效应的器件模型?…...可靠性0.1umSub0.1um2030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诞生基于新原理的器件和电路集成电路走向系统芯片SOCSystemOnAChip集成电路走向系统芯片IC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的连线延时、噪声、可靠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IC设计与制造技术水平的提高，IC规模越来越大，已可以在一个芯片上集成108~109个晶体管分立元件集成电路IC

系统芯片SystemOnAChip(简称SOC)将整个系统集成在一个微电子芯片上在需求牵引和技术推动的双重作用下系统芯片(SOC)与集成电路(IC)的设计思想是不同的，它是微电子技术领域的一场革命。集成电路走向系统芯片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VddABOut八十年代的电子系统设计PEL2MEMMathBusControllerIOGraphics

PCB集成工艺无关系统亚微米级工艺依赖工艺基于标准单元互连主流CAD:门阵列标准单元集成电路芯片世纪之交的系统设计SYSTEM-ON-A-CHIP深亚微米、超深亚微米级工艺基于IP复用主流CAD：软硬件协 同设计MEMORYCache/SRAMorevenDRAMProcessor

CoreDSP

ProcessorCoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISAInterfaceGlueGluePCIInterfaceI/OInterfaceLANInterfaceSOC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(Top-Down)地设计SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPUCore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使DRAM和CPU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SOC能够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0.35m工艺设计系统芯片，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IC所实现的同样系统的性能与采用常规IC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有数量级的降低集成电路走向系统芯片21世纪的微电子将是SOC的时代SOC的三大支持技术软硬件协同设计：Co-DesignIP技术界面综合(InterfaceSynthesis)技术集成电路走向系统芯片软硬件Co-Design面向各种系统的功能划分理论(FunctionPartationTheory)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技术软IP核：SoftIP(行为描述)固IP核：FirmIP(门级描述，网单)硬IP核：HardIP(版图)通用模块CMOSDRAM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，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集成电路走向系统芯片InterfaceSynthesisIP+GlueLogic(胶连逻辑)面向IP综合的算法及其实现技术集成电路走向系统芯片MEMS技术和DNA芯片MEMS技术和DNA芯片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)：微电子技术与机械、光学等领域结合DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合目前的MEMS与IC初期情况相似集成电路发展初期，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（CPU）和随机存贮器（RAM）的需求越来越大，反过来又促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，带来了一场信息革命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RAM这样量大而广的产品MEMS器件及应用汽车工业安全气囊加速计、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）、武器智能化生物医学疾病诊断、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RF组件、打印喷头娱乐消费类游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具头发与MEMS蜘蛛腿与MEMS火柴与微汽车火柴与微传感器MEMS技术和DNA芯片微电子与生物技术紧密结合的以DNA(脱氧核糖核酸)芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，并与工程技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片MEMS技术和DNA芯片采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或