微电子技术发展的微电子技术发展的微电子技术发展的.txt 等待太久得来的东西多半已经不是当初自己想要的了。一层秋雨一阵凉，一瓣落花一脉香，一样流年自难忘，一把闲愁无处藏。幸福生活九字经：有希望，有事干，有人爱。女人和女人做朋友，要之以绿叶的姿态，同时也要暗藏红花的心机。 本文由 lizzi_xl 贡献ppt 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第九章微电子技术发展的 规律及趋势Moore 定律 定律Moore 定律 定律1965 年 Intel 公司的创始人之一 年 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 2 倍Moore 定律 定律10 G 1G 100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 19701965，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 年 每三年， ? 每三年，翻两番1980199020002010Moore 定律： 定律： 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“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 i4004:2,30070 7074 7478 7882 8286 8690 9094 9498 982002 2002微处理器的性能8080 8086100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 19708028 68038 68048 6Peak Advertised Performance (PAP) Real Applied Performance (RAP) 41% Growth Moores Law 1980 1990 2000PentiumPentiumPro2010集成电路技术是近 50 年来发展最快的技术 集成电路技术是近 年来发展最快的技术微电子技术的进步年 份 特征参数 设 计 规 则 m 电源电压 V D D (伏 ） 伏 硅片直径尺寸 （ mm） 集成度 D R A M 密 度 （ bit) 微处理器时钟频 率 (H z) 平均晶体管价格$ 10 1 959 25 5 5 6 1 970-197 1 8 5 30 2 10 3 1K 7 50 K 0 .3 2 000 0 .18 1.5 3 00 2 10 9 1G 1G 1 0 -6 比率 1 40 3 60 3 10 8 106 10 3 107按此比率下降，小汽车价格不到 价格不到 1 按此比率下降，小汽车价格不到 1 美分半导体发展计划（ 1999 年版 年版） 半导体发展计划（SIA 1999 年版）年 份 1999 2000 165 2001 150 512M 2002 130 2003 120 1G 2004 110 2005 100 2G 2008 70 2011 50 16G 2014 35特征尺寸（ ） 特征尺寸（nm） 180 存贮器生产阶段 256M 产品代 MPU 芯片功能数 芯片功能数 23.8 百万晶体管） （百万晶体管） 硅片直径(mm) 硅片直径 在 生 产 阶 段 DRAM 封装后单 封装后单 位比特价（ 位比特价（百万 分之一美分） 分之一美分） 20047.6 200 300 30095.2 300 300190 300539 3001523 3004308 450157.63.81.90.241999 Edition （ SIA 美 EECA 欧 EIAJ 日 美 欧 日KSIA 南朝鲜 TSIA 台） 南朝鲜 台Moore 定律 定律 ? 性能价格比在过去的 20 年中， 在过去的 年中，改进 年中 了 1,000,000倍 倍 在今后的 20 年中 年中， 在今后的 年中，还将 改进1,000,000 倍 改进 倍 很可能还将持续 40 年 年等比例缩小 (Scaling-down)定律 定律等比例缩小(Scaling-down)定律 定律 等比例缩小1974 年由 年由 Dennard 年由 基本指导思想是：保持 MOS 器件 基本指导思想是：保持 器件 内部电场不变：恒定电场规律， 内部电场不变：恒定电场规律，简称 CE 律 简称 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， 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漏源电流方程： 漏源电流方程： 0 ox W 2 I ds = Cox s (VGS ? VTH )VDS ? VDS C ox = t ox L 由于 V 由于 DS 、 (VGS-VTH)、 W、 L、 tox 均缩小了 倍 ， 、 、 、 均缩小了 Cox 增大了 倍，因此，IDS 缩小 倍。门延迟时间 增大了 因此， 缩小 tpd 为：VDS CL t pd I DSC L = WLC ox其中 V 均缩小了 所以 t 其中 DS、IDS、CL 均缩小了 倍，所以 pd 也缩小 标志集成电路性能的功耗延迟积 P 了 倍 。 标志集成电路性能的功耗延迟积 W?tpd 则缩小了 则缩小了 3 倍。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 来很大的不便恒定电压等比例缩小规律(简称 律 恒定电压等比例缩小规律 简称 CV 律) 简称保持电源电压 V 和阈值电压 V 不变， 保持电源电压 ds 和阈值电压 th 不变，对其它 参数进行等比例缩小 律缩小后对电路性能的提高远不如 CE 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 而且采用 CV 律会使沟道内的电场大大增 律，而且采用 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 m 的器件， 律一般只适用于沟道长度大于 1 的器件 的器件， 律一般只适用于沟道长度大于 它不适用于沟道长度较短的器件。 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 准恒定电场等比例缩小规则，缩写为 QCE 律CE 律和 律的折中，世纪采用的最多 律和 CV 律的折中 律和 律的折中， 随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、 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。 律进一步缩小的规则， 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， 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 器件尺寸将缩小 倍，而电源电压则只变为原 来的 来的 /倍参数 器件尺寸 L, W, tox 等 器件尺寸 电源电压 掺杂浓度 阈值电压 电流 负载电容 电场强度 门延迟时间 功耗 功耗密度 功耗延迟积 栅电容 面积 集成密度CE(恒场 律 恒场)律 恒场 1/ 1/ 1/ 1/ 1/ 1 1/ 1/2 1 1/3 1/2 2CV(恒压 律 恒压)律 恒压 1/ 1 2 1 1/ 1/2 3 1/ 1/2 2QCE(准恒场 律 准恒场)律 准恒场 1/ / / 2/ 1/ 1/ 3/2 3 2/3 1/2 2微电子技术的 三个发展方向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 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 将发展成为系统芯片(SOC) 集成电路 将发展成为系统芯片 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 和新的学科，例如 、 芯片等微电子器件的特征尺寸继续缩小 第一个关键技术层次： 第一个关键技术层次：微细加工目前 0.25m 和 0.18 m 已开始进入大生产 和 目前 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， 大生产技术也已经完成开发， 和 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 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如 模块 的开发， 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阶段， 在 0.13-0.07um 阶段，最关键的加工工艺 光 阶段 最关键的加工工艺光 刻技术还是一个大问题， 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 第二个关键技术： 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； 技术代中使用； 铜互连已在 技术代中使用 但是在 0.13um 以后，铜互连与低介电常 但是在 以后， 以后 数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还 有待研究开发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） ）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 介质 金属栅电极 低 K 介质 介质 SOI 材料 材料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: LTox Xj1/3 经验关系: 对栅介质层的要求年 份 技 术 等效栅氧化层厚度(nm) 等效栅氧化层厚度 1999 0.18 45 2001 0.15 23 2003 0.13 23 2006 0.10 1.52 2009 0.07 1nm + t 栅介质层 等效栅介质层的总厚度： 限制：等效栅介质层的总厚度无法小于 1nm 限制：等效栅介质层的总厚度无法小于 1nm栅介质的限制SiO2（3.9） ） SiO2/Si 界面硅基集成电路 发展的基石随着器件缩小 致亚 50 纳米 致亚 纳米得以使微电 子产业高速 和持续发展SiO2 无法适应亚 纳米器件的要求 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 SiO 寻求介电常数大的高 K材料来替代 SiO2SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅)技术 绝缘衬底上的硅 技术SOI 技术：优点 技术： 技术完全实现了介质隔离, 完全实现了介质隔离, 彻底消除了体 CMOS 集成电路中的寄生闩锁效应 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, 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 体效应小、寄生电容小， 低压器件SOI 技术：缺点 技术： 技术SOI 材料价格高 SOI 材料价格高 衬底浮置 表层硅膜质量及其界面质量新一代小尺寸器件