《微电子的规律》PPT课件.ppt
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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北京大学北京大学Moore定律定律Moore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Moore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,Gordon Moore 预测预测半导体芯片上的晶
2、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 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:i8080:6,000i8080:6,000m68000:68,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PowerPC601:2,800,000Pent
3、iumPro: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:1,200,000m68040:1,170,000m68040:1,170,000Pentium:3,30
4、0,000Pentium: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:7,500,000微处理器的性能微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010Peak Peak Advertised Advertised Performance Performan
5、ce(PAP)(PAP)MooresMooresLawLawReal AppliedReal AppliedPerformance Performance(RAP)(RAP)41%Growth41%Growth8080808080868086802880286 6803880386 6804880486 6PentiumPentiumPentiumProPentiumPro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,小汽车按此比率下降,小汽车价格不到价格不到1美分美分Moore定律定律 性能价格比性能价格比?在过去的在过
6、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 信息技术发展的三大规律信息技术发展的三大规律q摩尔定律即电子定律:集成电路的集成摩尔定律即电子定律:集成电路的集成度每度每1818个月翻一番;个月翻一番;q超摩尔定律即光子定律:光纤传输的数超摩尔定律即光子定律:光纤传输的数据总量每据总量每9 9个月翻一番;个月翻一番;q迈特卡夫定律:网络的价值以联网设备迈特卡夫定律:网络的价值以联网设备数的平方关系成正比数的平方关系成正比等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律
7、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
8、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
9、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
10、,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
11、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
12、开发等um阶段,最关键的加工工艺阶段,最关键的加工工艺光刻技术还是光刻技术还是一个大问题,尚未解决一个大问题,尚未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:Solid
13、state 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
14、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
15、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
16、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-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
17、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
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