微电子的规律.pptx

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1、Moore定律1965年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 倍第1页/共72页Moore定定律律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第2页/共72页 1.E+91.E+91.E+81.E+81.E+71.E+71.E+61.E+61.E+51.E+

2、51.E+41.E+41.E+31.E+370 70 74 74 78 78 82 82 86 86 90 90 94 94 98 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 每三年翻两每三年翻两番番Moore定律：定律：i8080:6,000i8080:6,000m68000:68,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro:5,500,000PentiumPro:5,500,000i4004:2,300i4004:2,300M6800:M6800:4,0004,0

3、00i8086:28,000i8086:28,000i80286:134,000i80286:134,000m68020:190,000m68020:190,000i80386DX:275,000i80386DX:275,000m68030:273,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900

4、,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,0“Itanium”:15,950,00000Pentium II:7,500,000Pentium II:7,500,000第3页/共72页微处理器的性能微处理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010Peak Peak Advertised Advertised Performance Performance(PAP)(PAP)MooresMooresLawLawReal AppliedReal AppliedPerformance Perfo

5、rmance(RAP)(RAP)41%Growth41%Growth8080808080868086802880286 6803880386 6804880486 6PentiumPentiumPentiumProPentiumPro第4页/共72页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，小汽车价格不到按此比率下降，小汽车价格不到1美分美分第5页/共72页第6页/共72页Moore定律定律 性能价格比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 4

6、0年 第7页/共72页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第8页/共72页等比例缩小(Scaling-down)定律第9页/共72页等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律1974年由Dennard基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒

7、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第10页/共72页漏源电流方程：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。第11页/共72页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第12页/共72页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

8、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，而且采用CV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1m的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。第13页/共72页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，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/倍第14页/共72页第15页/共72页微电子技术的微电子技

9、术的三个发展方向三个发展方向第16页/共72页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微电子技术的三个发展方向第17页/共72页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

10、个大问题，尚未解决微电子器件的特征尺寸继续缩小第18页/共72页第19页/共72页第二个关键技术：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微电子器件的特征尺寸继续缩小第20页/共72页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21页/共72页?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

11、征尺寸继续缩小微电子器件的特征尺寸继续缩小第22页/共72页 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:L Tox Xj1/3栅介质的限制栅介质的限制第23页/共72页随着随着 t tgategate 的缩小，栅泄的缩小，栅泄的缩小，栅泄的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长漏电流呈指数性增长漏电流呈指数性增长漏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第24页/共7

12、2页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 Tox t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 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

13、度无法小于1nm1nm1nm1nm第25页/共72页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K K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第26页/共72页SOI(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅绝缘衬底上的硅)技术技术第27页/共72页SOI技术：优

14、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第28页/共72页SOI材料价格高衬底浮置表层硅膜质量及其界面质量SOI技术：缺点第29页/共72页隧穿效应隧穿效应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?

15、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?.可靠性可靠性第30页/共72页0.1 m Sub 0.1 m第31页/共72页2030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

16、的器件和电路诞生基于新原理的器件和电路第32页/共72页集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片第33页/共72页SOCSOCSystem On A Chip集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片第34页/共72页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

17、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电路集成电路 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

18、上在需求牵引和技术在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第35页/共72页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VddABOut第36页/共72页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第37页/共72页世纪之交的

19、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MEMORYMEMORYCache/SRAM Cache/SRAM or even DRAMor even DRAMProcessorProcessorCoreCoreDSP DSP Processor Processor CoreCoreGraphicsGraphicsMPEGMPEGVRAMVRAMMotionMotionEncryption/Encryption/DecryptionDecryptionSCSISCSIEISA InterfaceEI

20、SA InterfaceGlueGlueGlueGluePCI InterfacePCI InterfaceI/O InterfaceI/O InterfaceLAN InterfaceLAN Interface第38页/共72页SOC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紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPU Core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使DRAM和CPU之间的速度接近集成电路走向

21、系统芯片集成电路走向系统芯片第39页/共72页SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够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的系统指标若采用IS方法和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 0.18m工艺制作的IC所实现的同样系统的性能与采用常规IC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有数量级的降低集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片第40页/共72页21世纪的微电子世纪的微电子将是将是SOC的时代的时代第41页/共72页SOC的三大支持技术软硬件协同设计：Co-DesignIP技术

22、界面综合(Interface Synthesis)技术集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片第42页/共72页软硬件Co-Design面向各种系统的功能划分理论(Function Partation Theory)计算机通讯压缩解压缩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第43页/共72页IP技术软IP核：Soft IP(行为描述)固IP核：Firm IP(门级描述，网单)硬IP核：Hard IP(版图)通用模块CMOS DRAM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，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集成电路走向系统

23、芯片集成电路走向系统芯片第44页/共72页IC 与 IPIC：Integrated CircuitIP：Intellectual PropertySoC之前 核心芯片 周边电路 PCB 系统板卡SoC阶段 IP核 glue logic DSM SoC第45页/共72页IC 与 IPYesterdays chips are todays reusable IP blocks，and can be combined with other functions，like Video，Audio，Analog，and I/O，to formulate what we now know as system

24、 on chip（SoC）。第46页/共72页SoC提高ASIC设计能力的途径1.58设计能力 1.21工艺能力 IC设计能力 与工艺能力 的的 剪刀差第47页/共72页设计能力的阶跃EDA技术 L-E P&R Synth SoC第48页/共72页 IC产业的几次分工9000s 设计 测试 工艺 封装 设备70s60s设备测试Foundry 封装8090s设备Foundry 封装设备系统IP第49页/共72页IC设计的分工IC设计 分工：系统设计 IP 设计第50页/共72页半导体产业的发展 Chipless 第51页/共72页IC产业的重要分工 设计 与 制作 的分工Fabless Foun

25、dry 系统设计师介入IC设计 IP设计 与 SoC 的分工 Chipless第52页/共72页IP的特点 复用率高 易于嵌入 实现优化 芯片面积最小 运行速度最高 功率消耗最低 工艺容差最大第53页/共72页Interface SynthesisIP+Glue Logic(胶连逻辑)面向IP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第54页/共72页 SoC 设计示意IP 2IP 3IP 1Glue logicGlue logicGlue logic第55页/共72页MEMS技术和技术和DNA芯片芯片第56页/共72页MEMS技术和DNA芯片微电子技术与其它学科结合，诞生

26、出一系列崭新的学科和重大的经济增长点MEMS(微机电系统)：微电子技术与机械、光学等领域结合DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合第57页/共72页目前的MEMS与IC初期情况相似集成电路发展初期，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（CPU）和随机存贮器（RAM）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CPU和RAM这样量大而广的产品第58页/共72页MEM

27、S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、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、智能玩具第59页/共72页MEMS技术和DNA芯片微电子与生物技术紧密结合的以DNA(脱氧核

28、糖核酸)芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经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，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DNA芯片第65页/共72页MEMS技术和DNA芯片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10万种DNA基因片段的芯片。利用这种芯片可以在极快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、疾病治疗和预防、转基因工程等具

29、有极其重要的作用Stanford和Affymetrix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出了DNA芯片。包括6000余种DNA基因片段第66页/共72页MEMS技术和DNA芯片 A B C D第67页/共72页MEMS技术和DNA芯片第68页/共72页MEMS技术和技术和DNA芯片芯片第69页/共72页 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第70页/共72页作业叙述Moore定律的内容解释等比例缩小定律第71页/共72页感谢您的观看！第72页/共72页