微电子发展课件.ppt

1、Moore定律定律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2Moore定律定律10 G1 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的晶体管数目每两年翻两番半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番 1.E+9

2、1.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 94 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 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010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

3、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 108DRAM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$100.310-6107 半半导导体体发发展展计计划划（S SI IA A 1 19 99 99 9年年版版）年年 份份1999200020012002200320042005200820112014特特征征尺尺寸寸（nm）18016515013

4、0120110100705035存存贮贮器器生生产产阶阶段段产产品品代代256M512M1G2G16GMPU芯芯片片功功能能数数（百百万万晶晶体体管管）23.847.695.219053915234308硅硅片片直直径径(mm)200200300300300300300300300450在在 生生 产产 阶阶 段段DRAM封封装装后后单单位位比比特特价价（百百万万分分之之一一美美分分）157.63.81.90.241999 Edition （ SIA美美 EECA欧欧 EIAJ日日 KSIA南南朝朝鲜鲜 TSIA台台）Moore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

5、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 等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律?1974年由年由Dennard?基本指导思想是：保持基本指导思想是：保持MOS器件器件内部电场不变：内部电场不变：恒定电场规律，恒定电场规律，简称简称CE律律等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，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，提高以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍

6、数电源电压也要缩小相同的倍数?漏源电流方程：漏源电流方程：?由于由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均缩小了均缩小了 倍，倍，Cox增大了增大了 倍，因此，倍，因此，IDS缩小缩小 倍。门延迟时间倍。门延迟时间tpd为：为：?其中其中VDS、IDS、CL均缩小了均缩小了 倍，所以倍，所以tpd也缩小也缩小了了 倍。标志集成电路性能的功耗延迟积倍。标志集成电路性能的功耗延迟积PW tpd则缩小了则缩小了 3倍。倍。ICWLVVVVdsoxsGSTHDSDS2oxoxoxtC0tVCIpdDSLDSoxLWLCC恒定电场定律的问题恒定电场定律的问题?阈值电压不可能缩的太小阈值电压不可能缩

7、的太小?源漏耗尽区宽度不可能按源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小比例缩小?电源电压标准的改变会带电源电压标准的改变会带来很大的不便来很大的不便?恒定电压等比例缩小规律恒定电压等比例缩小规律(简称简称CV律律)保持电源电压保持电源电压Vds和阈值电压和阈值电压Vth不变，对其它不变，对其它参数进行等比例缩小参数进行等比例缩小按按CV律缩小后对电路性能的提高远不如律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，而且采用律，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增律会使沟道内的电场大大增强强CV律一般只适用于沟道长度大于律一般只适用于沟道长度大于1 m的器件，的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。它不适用于沟道长度较

8、短的器件。?准恒定电场等比例缩小规则，缩写为准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律律CE律和律和CV律的折中，本世纪初采用的最多律的折中，本世纪初采用的最多随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、高功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。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的缩小比例器件尺寸将缩小器件尺寸

9、将缩小 倍，而电源电压则只变为原倍，而电源电压则只变为原来的来的 / 倍倍参数参数CE(恒场恒场)律律CV(恒压恒压)律律QCE(准恒场准恒场)律律器件尺寸器件尺寸L, W, tox等等1/ 1/ 1/ 电源电压电源电压1/ 1 / 掺杂浓度掺杂浓度 2 阈值电压阈值电压1/ 1 / 电流电流1/ 2/ 负载电容负载电容1/ 1/ 1/ 电场强度电场强度1 门延迟时间门延迟时间1/ 1/ 21/ 功耗功耗1/ 2 3/ 2功耗密度功耗密度1 3 3功耗延迟积功耗延迟积1/ 31/ 2/ 3栅电容栅电容 面积面积1/ 21/ 21/ 2集成密度集成密度 2 2 2微电子技术的微电子技术的三个发展

10、方向三个发展方向?21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向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特征尺寸继续等比例缩小集成电路集成电路(IC)将发展成为系统芯片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，例如业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等芯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0.15 m和和0.13 m已进入大生产已进入大生产0.09 m和和0.75 m正在进入大生产技术也已正在进入大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条

11、件经完成开发，具备大生产的条件 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块模块的开发，为的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等于上述加工工艺的产品开发等在在0.07-0.065um正在研发阶段，最关键的加工正在研发阶段，最关键的加工工艺工艺光刻技术还是一个大问题，尚未解决光刻技术还是一个大问题，尚未解决微电子器件的特征尺寸继续缩小微电子器件的特征尺寸继续缩小?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0.15/0.13um技术代中使技术代中使用；但是在用；但是在0.13u

12、m以后，铜互连与以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究开发可靠性问题还有待研究开发微电子器件的特征尺寸继续缩小微电子器件的特征尺寸继续缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小（资料来源：（资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998） ?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 高高K介质介质 金属栅电极金属栅电极 低低K介质介质 SOI材料材料微电子器件的特征尺寸继续缩小微电子器件的特征尺寸继续缩小 重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2 硅化物硅化物 经验关

13、系经验关系: L Tox Xj1/3对栅介质层的要求对栅介质层的要求年年 份份199920012003200620092012技技 术术0.180.150.130.100.070.05等效栅氧化层厚度等效栅氧化层厚度(nm)4523231.521.5 1nm + t栅介质层栅介质层 Tox t多晶硅耗尽多晶硅耗尽 t栅介质层栅介质层 t量子效应量子效应 : : t多晶硅耗尽多晶硅耗尽 0.5nm t量子效应量子效应 0.5nm 随着器件缩小随着器件缩小致亚致亚50纳米纳米SiO2无法适应亚无法适应亚50纳米器件的要求纳米器件的要求SiO2（ 3.9）SiO2/Si 界面界面硅基集成电路硅基集成

14、电路发展的基石发展的基石得以使微电得以使微电子产业高速子产业高速和持续发展和持续发展SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅绝缘衬底上的硅)技术技术SOI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, , 彻底消除了体彻底消除了体硅硅CMOSCMOS集成电路中的寄生闩锁效应集成电路中的寄生闩锁效应?速度高速度高?集成密度高集成密度高?工艺简单工艺简单?减小了热载流子效应减小了热载流子效应?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?SOISOI材

15、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SOI技术：缺点技术：缺点隧穿效应隧穿效应SiO2的性质的性质栅介质层栅介质层Tox1纳米纳米量子隧穿模型量子隧穿模型高高K介质介质? ?杂质涨落杂质涨落器件沟道区中的杂器件沟道区中的杂质数仅为百的量级质数仅为百的量级统计规律统计规律新型栅结构新型栅结构? ?电子输运的电子输运的渡越时间渡越时间碰撞时间碰撞时间介观物理的介观物理的输运理论输运理论? ?沟道长度沟道长度 L50纳米纳米L源源漏漏栅栅Toxp 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 栅介质层栅介质层带间隧穿带间隧穿反型层的反型层的量子化效应量

16、子化效应电源电压电源电压1V时，栅介质层中电场时，栅介质层中电场约为约为5MV/cm，硅中电场约，硅中电场约1MV/cm考虑量子化效应考虑量子化效应的器件模型的器件模型? ? .可靠性可靠性0.1umSub0.1um稳定状态情况下的半导体增长率稳定状态情况下的半导体增长率1997稳定状态稳定状态（2030）CMOS 技术技术0.25m0.035m年平均增长率年平均增长率16%7% (约为约为 GDP 增长率的增长率的 2 倍倍)半导体产业半导体产业/电子工业电子工业17%35%半导体产业半导体产业/GDP0.7%3%From Chemming Hu, (U.C.Berkely)2030年后，半

17、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集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片SOCSystem On A Chip集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片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)与集成与集成电路电路(IC)的设计思想是的

18、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。集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片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VddABOutPEL2MEMMathBusControllerIOGraphics 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复用复用主流主流CAD：软硬件协：软硬件协 同设计同设

19、计 一般意义上的系统集成芯片一般意义上的系统集成芯片 广义上的系统集成芯片广义上的系统集成芯片电 、 光电 、 光、 声 、 声 、热 、 磁热 、 磁力 等 外力 等 外界 信 号界 信 号的 采 集的 采 集 各 种各 种传感器传感器执执行行器器、显显示示器器等等信 息 输信 息 输入与模入与模/数传输数传输信信息息处处理理信 息 输信 息 输出与数出与数/模转换模转换信息存储信息存储?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

20、结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能统的功能?SOC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Core可以抑制噪声问题可以抑制噪声问题嵌入式嵌入式CPU 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DRAM和和CPU之间的速度接近之间的速度接近集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片?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

21、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若采用若采用IS方法和方法和0.35 m工艺设计系统芯片，工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用当于采用0.25 0.18 m工艺制作的工艺制作的IC所实现所实现的同样系统的性能的同样系统的性能与采用常规与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用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完成同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低有数量级的降低集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片21世纪的微电子

22、世纪的微电子将是将是SOC的时代的时代?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)技术技术集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片?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 Partation Theory) 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集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片?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

23、单门级描述，网单)硬硬IP核：核：Hard IP(版图版图) 通用模块通用模块 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 最大工艺容差设计：与工艺有最大的容差最大工艺容差设计：与工艺有最大的容差集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片?Interface SynthesisIP + Glue Logic (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集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片MEMS技

24、术和技术和DNA芯片芯片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：微电子技术与生生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合物工程技术结合目前的目前的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

25、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。集成电路和计算机在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，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MEMS

26、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、虚拟现时眼镜、智能玩具游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具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

27、子加用微电子加工技术工技术MEMS系统系统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技术和技术和DNA芯片芯片?从广义上讲，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

28、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MEMS技术和技术和DNA芯片芯片?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

29、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

30、行的象蝴蝶大小的飞机等机等MEMS技术和技术和DNA芯片芯片?MEMS技技术及其产术及其产品的增长品的增长速度非常速度非常之高，并之高，并且目前正且目前正处在加速处在加速发展时期发展时期MEMS技术和技术和DNA芯片芯片MEMS技术和技术和DNA芯片芯片?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、生物组织或细胞等的特点和

31、功能，设计构建具有预期性状的新物种或新等的特点和功能，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广泛关注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片芯片MEMS技术和技术和DNA芯片芯片?采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小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的硅片上制作出包含有多达10万种万种DNA基基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发现遗传基因的变化等情的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾况，这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用要的作用?Stanford和和Affymetrix公司的研究人员已公司的研究人员已经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作经利用微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了出了DNA芯片。包括芯片。包括6000余种余种DNA基因基因片片段段谢谢 谢！谢！