2-微电子发展的规律及趋势.pptx

《2-微电子发展的规律及趋势.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2-微电子发展的规律及趋势.pptx（61页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、微电子技术发展的微电子技术发展的规律及趋势规律及趋势2021/9/121Moore定律定律2021/9/122Moore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2021/9/123Moore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，Gor

2、don 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2021/9/124 1.E+91.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 98 70 74 78 82 86 90 94 98 20022002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：i8080:6,000i8080:6,000m68000:68,000m68000:68,000PowerPC601:2

3、,800,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro:5,500,000PentiumPro:5,500,000i4004:2,300i4004:2,300M6800:M6800:4,0004,000i8086:28,000i8086:28,000i80286:134,000i80286:134,000m68020:190,000m68020:190,000i80386DX:275,000i80386DX:275,000m68030:273,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170

4、,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,00“Itanium”:15,950,000 0Pentium II:7,500,000Pentium II:7,500,0002021/9/125微处理器的性能微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010Peak Peak A

5、dvertised Advertised Performance Performance(PAP)(PAP)MooresMooresLawLawReal AppliedReal AppliedPerformance Performance(RAP)(RAP)41%Growth41%Growth8080808080868086802880286 6803880386 6804880486 6PentiumPentiumPentiumProPentiumPro2021/9/126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按此比率下降，小

6、汽车按此比率下降，小汽车价格不到价格不到1美分美分2021/9/1272021/9/128Moore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 2021/9/129等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律2021/9/1210等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定定律律?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

7、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2021/9/1211?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性能能的的功功耗耗延延迟迟积积P

8、W tpd则缩小了则缩小了 3倍。倍。2021/9/1212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2021/9/1213?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

9、律会使沟道内的电场大大增强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。2021/9/1214?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

10、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2021/9/12152021/9/1216微电子技术的微电子技术的三个发展方向三个发展方向2021/9/1217?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业微电子技术与其它领域相

11、结合将产生新的产业和新的学科，例如和新的学科，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2021/9/1218?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0.09 m已开始进入大生产已开始进入大生产0.045 m大生产技术也已经完成开发，具备大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件大生产的条件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2021/9/12192021/9/1220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）

12、2021/9/1221?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2021/9/1222 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2021/9/1223 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

13、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tgate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2021/9/1224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

14、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 0.5nm 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1nm1nm1nm1nm2021/9/1225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S

15、iO2（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2021/9/1226SOI(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅绝缘衬底上的硅)技术技术2021/9/1227SOI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

16、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2021/9/1228?SOISOI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2021/9/1229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

17、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2021/9/12300.1umSub0.1um2021/9/12312030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

18、和电路2021/9/1232集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片2021/9/1233SOCSOCSystem On A Chip集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片2021/9/1234ICIC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

19、的整机系统的要求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，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芯片上集成芯片上集成10108 810109 9个晶体管个晶体管个晶体管个晶体管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

20、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2021/9/1235六十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VddABOut2021/9/1236八十年代的电子系统设计八十年代的电子系统设计 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CA

21、D: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2021/9/1237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 同设计同设计MEMORYMEMORYCache/SRAM Cache/SRAM or even DRAMor even DRAMProcessorProcessorCoreCoreDSP DSP Processor Processor CoreCoreGraphicsGraphicsMPEGMPEGVRAMV

22、RAMMotionMotionEncryption/Encryption/DecryptionDecryptionSCSISCSIEISA InterfaceEISA InterfaceGlueGlueGlueGluePCI InterfacePCI InterfaceI/O InterfaceI/O InterfaceLAN InterfaceLAN Interface2021/9/1238?SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模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

23、统的功紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能能?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2021/9/1239?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

24、种情况，可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

25、向系统芯片2021/9/124021世纪的微电子世纪的微电子将是将是SOC的时代的时代2021/9/1241?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2021/9/1242?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2021/9/1243?IP

26、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荣差设计：与工艺有最大的容差最大工艺荣差设计：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2021/9/1244?Interface SynthesisIP+Glue Logic(胶连逻辑胶连逻辑

27、)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2021/9/1245MEMS技术和技术和DNA芯片芯片2021/9/1246MEMS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：微电子技术与生物生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合工程技术结合2021/9/1247目前的目前的MEMS与与IC初期情况相似初期情况相似

28、?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

29、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2021/9/1248MEMS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

30、、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2021/9/1249MEMS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，

31、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2021/9/1255MEMS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

32、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2021/9/1256MEMS技术和技术和DNA芯片芯片 A B C D2021/9/1257MEMS技术和技术和DNA芯片芯片2021/9/1258MEMS

33、技术和技术和DNA芯片芯片2021/9/1259 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电、光光、声声、热热、磁磁 力力 等等外外 界界 信信号号 的的 采采集集 各各种种 传传 感感器器执执行行器器、显显示示器器等等信信 息息 输输入入与与模模/数传输数传输信信息息处处理理信信 息息 输输出出与与数数/模转换模转换信息存储信息存储2021/9/1260结束语结束语5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 2000 3000 4000石器时代石器时代 35000年年铜器时代铜器时代 1800年年铁器时代铁器时代 3200年年硅器时代硅器时代XX 年？年？3000BC 1200BC 19682021/9/1261