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第九章 微电子技术发展的 规律及趋势

第九章 微电子技术发展的 规律及趋势. Moore 定律. Moore 定律. 1965 年 Intel 公司的创始人之一 Gordon E. Moore 预言集成电路产业的发展规律 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. Moore 定律. 1965 ， Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番. 存储器容量 60%/ 年  每三年，翻两番. 10 G 1 G 100 M 10 M 1 M 100 K 10 K 1 K 0.1 K. 1970. 1980. 1990.

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第九章 微电子技术发展的 规律及趋势

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Presentation Transcript

  1. 第九章 微电子技术发展的 规律及趋势

  2. Moore定律

  3. Moore定律 • 1965年Intel公司的创始人之一Gordon E. Moore预言集成电路产业的发展规律 • 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

  4. Moore定律 1965，Gordon Moore 预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番 存储器容量 60%/年  每三年，翻两番 10 G 1 G 100 M 10 M 1 M 100 K 10 K 1 K 0.1 K 1970 1980 1990 2000 2010

  5. “Itanium”:15,950,000 Pentium II: 7,500,000 PowerPC620:6,900,000 PentiumPro: 5,500,000 PowerPC604:3,600,000 Pentium:3,300,000 PowerPC601:2,800,000 i80486DX:1,200,000 m68040:1,170,000 i80386DX:275,000 m68030:273,000 m68020:190,000 i80286:134,000 m68000:68,000 i8086:28,000 M6800: 4,000 i8080:6,000 i4004:2,300 Moore定律： 芯片上的体管数目  微处理器性能 每三年翻两番 1.E+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5 1.E+4 1.E+3 ’70 ’74 ’78 ’82 ’86 ’90 ’94 ’98 ’2002

  6. 微处理器的性能 Peak Advertised Performance (PAP) Real AppliedPerformance (RAP) 41% Growth Moore’sLaw 8080 8086 100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 80286 80386 80486 Pentium PentiumPro 1970 1980 1990 2000 2010

  7. 集成电路技术是近50年来发展最快的技术 微电子技术的进步 按此比率下降，小汽车价格不到1美分

  8. Moore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

  9. 等比例缩小(Scaling-down)定律

  10. 等比例缩小(Scaling-down)定律 • 1974年由Dennard • 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

  11. 漏源电流方程： • 由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均缩小了倍，Cox增大了倍，因此，IDS缩小倍。门延迟时间tpd为： • 其中VDS、IDS、CL均缩小了倍，所以tpd也缩小了倍。标志集成电路性能的功耗延迟积PWtpd则缩小了3倍。

  12. 恒定电场定律的问题 • 阈值电压不可能缩的太小 • 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

  13. 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，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强 • CV律一般只适用于沟道长度大于1m的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。

  14. 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，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

  15. 微电子技术的三个发展方向

  16. 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

  17. 微电子器件的特征尺寸继续缩小 • 第一个关键技术层次：微细加工 • 目前0.25m和0.18 m已开始进入大生产 • 0.15 m和0.13 m大生产技术也已经完成开发，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IP模块的开发，为EDA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 • 在0.13-0.07um阶段，最关键的加工工艺—光刻技术还是一个大问题，尚未解决

  18. 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 • 铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但是在0.13um以后，铜互连与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

  19. 互连技术与器件特征尺寸的缩小 • （资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998）

  20. 微电子器件的特征尺寸继续缩小 • 第三个关键技术 • 新型器件结构 • 新型材料体系 • 高K介质 • 金属栅电极 • 低K介质 • SOI材料

  21. 栅介质的限制 传统的栅结构 硅化物 重掺杂多晶硅 SiO2 经验关系: LTox Xj1/3

  22. 随着tgate的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长 G S D 超薄栅 氧化层 直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒 大量的 晶体管 tgate 栅氧化层厚度小于 3nm后 限制：tgate~ 3 to 2 nm 栅介质的限制

  23. 栅介质的限制 Tox + + t栅介质层 t多晶硅耗尽 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 ～ 等效栅介质层的总厚度：Tox > 1nm + t栅介质层 限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm

  24. 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 随着器件缩小致亚50纳米 SiO2无法适应亚50纳米器件的要求 寻求介电常数大的高K材料来替代SiO2 栅介质的限制

  25. SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅)技术

  26. SOI技术：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

  27. SOI技术：缺点 • SOI材料价格高 • 衬底浮置 • 表层硅膜质量及其界面质量

  28. ? 隧穿效应 SiO2的性质 量子隧穿模型 高K介质 栅介质层Tox <1纳米 多晶硅 栅 ? 栅介质层 电子输运的 渡越时间～ 碰撞时间 Tox 介观物理的 输运理论 沟道长度 L<50纳米 n+ n+ 漏 源 L p 型硅 ? 统计规律 新型栅结构 NMOSFET 杂质涨落 器件沟道区中的杂 质数仅为百的量级 带间隧穿 反型层的 量子化效应 ? 考虑量子化效应 的器件模型 电源电压1V时，栅介质层中电场 约为5MV/cm，硅中电场约1MV/cm 可靠性 … ... 新一代小尺寸器件问题

  29. 0.1um Sub0.1um

  30. 2030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2030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

  31. 集成电路走向系统芯片

  32. SOC System On A Chip 集成电路走向系统芯片

  33. 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 在需求牵引和技术 推动的双重作用下 集成电路 I C 分立元件 系 统 芯 片 System On A Chip (简称SOC) 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。 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 将整个系统集成在 一个微电子芯片上

  34. 微米级工艺 • 基于晶体管级互连 • 主流CAD：图形编辑 Vdd A B Out 六十年代的集成电路设计

  35. 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 八十年代的电子系统设计 系统 L2 PE IO MEM • PCB集成 • 工艺无关 Math Graphics Bus Controller

  36. PCI Interface I/O Interface VRAM ProcessorCore DSP Processor Core Glue Glue Motion Graphics MPEG • 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 SCSI LAN Interface MEMORY Cache/SRAM or even DRAM Encryption/ Decryption EISA Interface 世纪之交的系统设计 SYSTEM-ON-A-CHIP

  37. 集成电路走向系统芯片 • SOC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CPU Core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

  38. 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0.35m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 ~ 0.18m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

  39. 21世纪的微电子 将是SOC的时代

  40. 集成电路走向系统芯片 • SOC的三大支持技术 • 软硬件协同设计：Co-Design • IP技术 • 界面综合(Interface Synthesis)技术

  41. 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(Function Partation Theory) • 计算机 • 通讯 • 压缩解压缩 • 加密与解密

  42. 集成电路走向系统芯片 • IP技术 • 软IP核：Soft IP (行为描述) • 固IP核：Firm IP (门级描述，网单) • 硬IP核：Hard IP(版图) • 通用模块 • CMOS DRAM • 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

  43. 集成电路走向系统芯片 • Interface Synthesis • IP + Glue Logic (胶连逻辑) • 面向IP综合的算法及其实现技术

  44. MEMS技术和DNA芯片

  45. 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

  46. 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

  47. 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

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