最新微电子技术发展的PPT课件.ppt
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1、进入夏天,少不了一个热字当头,电扇空调陆续登场,每逢此时,总会想起进入夏天,少不了一个热字当头,电扇空调陆续登场,每逢此时,总会想起那一把蒲扇。蒲扇,是记忆中的农村,夏季经常用的一件物品。记忆中的故那一把蒲扇。蒲扇,是记忆中的农村,夏季经常用的一件物品。记忆中的故乡,每逢进入夏天,集市上最常见的便是蒲扇、凉席,不论男女老少,个个手持乡,每逢进入夏天,集市上最常见的便是蒲扇、凉席,不论男女老少,个个手持一把,忽闪忽闪个不停,嘴里叨叨着一把,忽闪忽闪个不停,嘴里叨叨着“怎么这么热怎么这么热”,于是三五成群,聚在大树,于是三五成群,聚在大树下,或站着,或随即坐在石头上,手持那把扇子,边唠嗑边乘凉。孩
2、子们却在周下,或站着,或随即坐在石头上,手持那把扇子,边唠嗑边乘凉。孩子们却在周围跑跑跳跳,热得满头大汗,不时听到围跑跑跳跳,热得满头大汗,不时听到“强子,别跑了,快来我给你扇扇强子,别跑了,快来我给你扇扇”。孩。孩子们才不听这一套,跑个没完,直到累气喘吁吁,这才一跑一踮地围过了,这时子们才不听这一套,跑个没完,直到累气喘吁吁,这才一跑一踮地围过了,这时母亲总是,好似生气的样子,边扇边训,母亲总是,好似生气的样子,边扇边训,“你看热的,跑什么?你看热的,跑什么?”此时这把蒲扇,此时这把蒲扇,是那么凉快,那么的温馨幸福,有母亲的味道!蒲扇是中国传统工艺品,在是那么凉快,那么的温馨幸福,有母亲的味
3、道!蒲扇是中国传统工艺品,在我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树,制作简单,方便携带,且蒲扇的表我国已有三千年多年的历史。取材于棕榈树,制作简单,方便携带,且蒲扇的表面光滑,因而,古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名,实即面光滑,因而,古人常会在上面作画。古有棕扇、葵扇、蒲扇、蕉扇诸名,实即今日的蒲扇,江浙称之为芭蕉扇。六七十年代,人们最常用的就是这种,似圆非今日的蒲扇,江浙称之为芭蕉扇。六七十年代,人们最常用的就是这种,似圆非圆,轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今,我的记忆中,它跨越了半个世纪,圆,轻巧又便宜的蒲扇。蒲扇流传至今,我的记忆中,它跨越了半个世纪,也走过了我们的半个人
4、生的轨迹,携带着特有的念想,一年年,一天天,流向长也走过了我们的半个人生的轨迹,携带着特有的念想,一年年,一天天,流向长长的时间隧道,袅长的时间隧道,袅微电子技术发展的Moore定律定律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
5、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:?由由于于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均均缩缩小小了了 倍倍,Cox增增大大了了 倍倍,因因此此,IDS缩缩小小 倍倍。门门延延迟迟时时间间tpd为:为:?其其中中VDS、IDS、CL均均缩缩小小了了 倍倍,所所以以tpd也也缩缩小小了了 倍倍。标标志志集集成成电电路路性
6、性能能的的功功耗耗延延迟迟积积PW tpd则缩小了则缩小了 3倍。倍。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的太小?源源漏漏耗耗尽尽区区宽宽度度不不可可能能按按比例缩小比例缩小?电电源源电电压压标标准准的的改改变变会会带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)保保持持电电源源电电压压Vds和和阈阈值值电电压压Vth不不变变,对对其其它它参数进行等比例缩小参数进行等比例缩小按按CV律律缩缩小小后后对对电电路路性性能能的的提提高高远远不不如如CE律律,而且采用而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强律会使沟道内
7、的电场大大增强CV律律一一般般只只适适用用于于沟沟道道长长度度大大于于1 m的的器器件件,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,世纪采用的最多律的折中,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
8、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/倍倍微电子技术的微电子技术的三个发展方向三个发展方向?硅微电子技术的三个主要发展方向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,例如的产业和新的学科,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
9、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:微细加工目前目前0.25 m和和0.18 m已开始进入大生产已开始进入大生产0.15 m和和0.13 m大生产技术也已经完成开大生产技术也已经完成开发,具备大生产的条件发,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0.13-0.07um阶段,最关键的加工工艺阶段,最关键的加工工艺光光刻技术还是一个大问题,尚未解决刻技术还是一个大问题,尚未
10、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0.25/0.18um技术代中使技术代中使用;但是在用;但是在0.13um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
11、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 传统的栅结构传统的栅结构传统的栅结构传统的栅结构 重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2 硅化物硅化物 经验关系经验关系:L Tox Xj1/3栅介质的限制栅介质的限制随着随着 t tgategate 的缩小,栅泄漏的缩小,栅泄漏的缩小,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电流呈指数性增长电流呈指数性增长超薄栅超薄栅氧化层氧化层栅氧化层的势垒栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于栅氧化层厚度小于 3nm后后tgat
12、e大量的大量的晶体管晶体管 限制:限制:tgate 3 to 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: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+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量子效应量子效应 0.5n
13、m 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1nm1nm1nm1nm随着器件缩小随着器件缩小致亚致亚50纳米纳米寻求介电常数大的高寻求介电常数大的高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材料来替代材料来替代SiOSiO2 2SiO2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栅介质的限制栅介质的限制SiO2(3.9)SiO2/Si 界面界面硅基集成电路硅基集成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
14、-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,彻底消除了体硅彻底消除了体硅CMOS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?SOI材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
15、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 栅介质层栅介质层新一代小尺寸器件问题新一代小尺寸器件问题带间隧穿带间隧穿反型层的反型层的量子化效应量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1
16、MV/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0.1 m Sub 0.1 m2030年后,半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SOCSOCSystem On A Chip集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片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
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