《工程学概论》发展规律趋势展望

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1、第九章第九章 微电子技术发展的规律、微电子技术发展的规律、 趋势及展望趋势及展望Moore定律Moore定律?1965年4月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（Electronics Magazine) 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10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K 19701980199020002010存储器容量 60%/年 每三年，翻两番1965，Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每三年翻四番1.E+91.E+81.E+71.E+61

2、.E +51.E+41.E+370 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：i8080:6,000i8080:6,000m68000:68,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PowerPC601:2,800,000PentiumProPentiumPro: 5,500,000: 5,500,000i4004:2,300i4004:2,300M6800:M6800: 4,0004,000i8086:28,000i8086:28,000i80286:134,000i80286:134,000m

3、68020:190,000m68020:190,000i80386DX:275,000i80386DX:275,000m68030:273,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,000“Itanium”:1

4、5,950,000Pentium II: 7,500,000Pentium II: 7,500,000微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo 19701980199020002010Peak Peak Advertised Advertised Performance Performance (PAP)(PAP)MooresMoores LawLawReal AppliedReal Applied Performance Performance (RAP) (RAP) 41% Growth41% Growth8080808080868086802880286

5、 6803880386 68048680486PentiumPentiumPentiumProPentiumProMoore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（IEEE Journal of Solid-state Circuits,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

6、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：?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 PWtpd则缩小了3倍。 ?W、L的缩小，使晶体管的面积缩小2倍，即 相同面积芯片上的晶体管数目提高2倍。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

7、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

8、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

9、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?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 0.15 m和0.13 m大生产技术也已经完

10、 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，尚未解决微电子器件的特征尺寸继续缩小157nm13nm投影电子束光刻（SCALPEL）工作原理?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（随着互连金属层数 增加，互连金属线间的寄生连线电容迅速增大，要 求进一步降低绝缘材料的介电常数）微电子器件的特征尺寸继

11、续缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小 （资料来源：Solidstate Technology Oct.,1998）Motorata开发的六层Cu互连结构（1998）?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材料微电子器件的特征尺寸继续缩小传统的栅结构传统的栅结构重掺杂多晶硅 SiO2硅化物经验关系: LTox Xj1/3栅介质的限制栅介质的限制随着 t tgategate 的缩小，栅泄漏的缩小，栅泄漏 电流呈指数性增长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 3 t

12、o 2 nm栅介质的限制栅介质的限制栅介质的限制栅介质的限制等效栅介质层的总厚度：等效栅介质层的总厚度： Tox 1nm + t栅介质层Toxt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限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm1nm随着器件缩小 致亚50纳米寻求介电常数大的高寻求介电常数大的高KK材料来替代材料来替代SiOSiO2 2SiO2无法适应亚50纳米器件的要求栅介质的限制栅介质的限

13、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 Smart cut sol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

14、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L50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SOCSystem On A Chip集成电路走向系统

15、芯片ICIC的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高、功耗很小，但由于 PCBPCB板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、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满足性能日益提高的整机系统的要求ICIC设计与制造技术水平的提高，设计与制造技术水平的提高， ICIC规模越来越大，已可以在一个规模越来越大，已可以在一个 芯片上集成芯片上集成10108 810109 9个晶体管个晶体管分 立 元 件集成 电路 I C系 统 芯 片System On A Chip(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

16、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Vdd ABOut八十年代的电子系统设计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世纪之交的系统设计SYSTEM-ON-A-CHIPSYSTEM-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MEMORYMEMORY