第九章 微电子技术发展的 规律及趋势

第九章第九章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

Moore 定律

Moore 定律1965 年 Intel 公司的创始人之一 G

ordon 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

2

Moore 定律

10 G

1 G

100 M

10 M

1 M

100 K

10 K

1 K

0.1 K1970 1980 1990 2000 2010

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两年翻两番

1.E+9

1.E+8

1.E+7

1.E+6

1.E +5

1.E+4

1.E+3 ’70 ’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：

i8080:6,000i8080:6,000

m68000:68,000m68000:68,000

PowerPC601:2,800,000PowerPC601:2,800,000

PentiumPro: 5,500,000PentiumPro: 5,500,000

i4004:2,300i4004:2,300

M6800:M6800:4,0004,000

i8086:28,000i8086:28,000

i80286:134,000i80286:134,000 m68020:190,000m68020:190,000i80386DX:275,000i80386DX:275,000 m68030:273,000m68030:273,000

i80486DX:1,200,000i80486DX:1,200,000 m68040:1,170,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000Pentium:3,300,000 PowerPC604:3,600,000PowerPC604:3,600,000

PowerPC620:6,900,000PowerPC620:6,900,000

““Itanium”:15,950,000Itanium”:15,950,000

Pentium II: 7,500,000Pentium II: 7,500,000

微处理器的性能100 G

10 G

Giga

100 M

10 M

Mega

Kilo1970 1980 1990 2000 2010

Peak Peak Advertised Advertised

Performance Performance (PAP)(PAP)

Moore’sMoore’sLawLaw

Real AppliedReal AppliedPerformance Performance

(RAP) (RAP) 41% Growth41% Growth

80808080 808680868028802866

8038803866

8048804866

PentiumPentium

PentiumProPentiumPro

集成电路技术是近 50 年来发展最快的技术微电子技术的进步

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 11 美分美分

年 份特征参数

1959 1970-1971 2000 比率

设计规则m 25 8 0.18 140

电源电压VDD(伏）

5 5 1.5 3

硅片直径尺寸（mm）

5 30 300 60

集成度 6 2103 2109 3108

DRAM密度（bit) 1K 1G 106

微处理器时钟频率(Hz)

750K 1G >103

平均晶体管价格$ 10 0.3 10-6 107

半导体发展计划（SIA 1999年版）年 份 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2008 2011 2014

特征尺寸（nm） 180 165 150 130 120 110 100 70 50 35

存贮器生产阶段产品代

256M 512M 1G 2G 16G

MPU芯片功能数（百万晶体管）

23.8 47.6 95.2 190 539 1523 4308

硅片直径(mm) 200 200 300 300 300 300 300 300 300 450

在 生 产 阶 段DRAM封装后单位比特价（百万分之一美分）

15 7.6 3.8 1.9 0.24

1999 Edition （ SIA美 EECA欧 EIAJ日 KSIA南朝鲜 TSIA台）

Moore 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。

I CW

LV V V Vds ox s GS TH DS DS 2

ox

oxox tC

0

tV C

IpdDS L

DS

oxL WLCC

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

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，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。

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

参数 CE(恒场)律 CV(恒压)律 QCE(准恒场)律器件尺寸L, W, tox等 1/ 1/ 1/

电源电压 1/ 1 /

掺杂浓度 2

阈值电压 1/ 1 /

电流 1/ 2/

负载电容 1/ 1/ 1/

电场强度 1

门延迟时间 1/ 1/2 1/

功耗 1/2 3/2

功耗密度 1 3 3

功耗延迟积 1/3 1/ 2/3

栅电容

面积 1/2 1/2 1/2

集成密度 2 2 2

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

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

互连技术与器件特征尺寸的缩小（资料来源： Solidstate Technology Oct.,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 经验关系 : LTox Xj

1/3

对栅介质层的要求年 份 1999 2001 2003 2006 2009 2012

技 术 0.18 0.15 0.13 0.10 0.07 0.05

等效栅氧化层厚度(nm) 4—5 2—3 2—3 1.5—2 <1.5 <1.0

栅介质的限制栅介质的限制

随着 ttgategate 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超薄栅

氧化层栅氧化层的势垒

G

S D

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 to 2 nm 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： Tox > 1nm + t 栅介质层 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

Tox

t 多晶硅耗尽 t 多晶硅耗尽 t 栅介质层 t 栅介质层 t 量子效应 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 0.5

nm

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 0.5

nm

～

～

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 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 SiOSiO22

SiO2无法适应亚 50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：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 材料价格高衬底浮置表层硅膜质量及其界面质量

SOI 技术：缺点

隧穿效应SiO2 的性质

栅介质层 Tox<1纳米

量子隧穿模型高 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

L<50纳米

L源 漏

栅Tox

p 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

0.1um Sub0.1um

稳定状态情况下的半导体增长率1997 稳定状态（～2030）

CMOS技术 0.25μ m 0.035μ m

年平均增长率 16%7%

(约为 GDP增长率的 2倍)

半导体产业/电子工业 17% 35%

半导体产业/GDP 0.7% 3%

From Chemming Hu, (U.C.Berkely)

2030 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

/解调 纠错

传输反向多路器

MPEG解码DRAM

DRAM

声频接口

视频接口

IBMCPU

STBP

DRAM

卫星/电缆

第二代

将来

第三代

/解调 纠错

传输反向多路器

MPEG解码DRAM

DRAM

声频接口

视频接口

IBMCPU

STBP

DRAM

卫星/电缆

第二代

将来

第三代SOCSOC

System On A Chip

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 101088~10~1099 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

VddA

B

Out

八十年代的电子系统设计八十年代的电子系统设计

PEL2

MEMMath

BusController

IO

Graphics

• 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

Cache/SRAM Cache/SRAM or even DRAMor even DRAM

ProcessorProcessorCoreCore

DSP DSP Processor Processor

CoreCore

GraphicsGraphics MPEGMPEG

VRAMVRAMM

otio

nM

otio

n

En

cry

pti

on

/E

nc

ryp

tio

n/

Dec

ryp

tio

nD

ecry

pti

on

SCSISCSI

EISA InterfaceEISA Interface

GlueGlue GlueGlue

PCI InterfacePCI Interface

I/O

In

terf

ace

I/O

In

terf

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LA

N I

nte

rfac

eL

AN

In

terf

ace

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

集成电路走向系统芯片

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

21 世纪的微电子将是 SOC 的时代

SOC 的三大支持技术软硬件协同设计： Co-DesignIP 技术界面综合 (Interface Synthesis)技术

集成电路走向系统芯片

软硬件 Co-Design面向各种系统的功能划分理论 (Fun

ction 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

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

集成电路走向系统芯片

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

MEMS 技术和 DNA 芯片

MEMS 技术和 DNA 芯片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

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

MEMS 器件及应用汽车工业

安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺武器装备

制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化生物医学

疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器信息和通讯

光开关、波分复用器、集成化 RF组件、打印喷头娱乐消费类

游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具

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

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

MEMS 技术和 DNA 芯片

A B C D

MEMS 技术和 DNA 芯片

MEMS 技术和 DNA 芯片

一般意义上的系统集成芯片

广义上的系统集成芯片

电 、 光、 声 、热 、 磁力 等 外界 信 号的 采 集— 各 种传感器

执行器、显示器等

信 息 输入与模 /数传输

信息处理

信 息 输出与数 /模转换

信息存储

作业叙述Moore 定律的内容解释等比例缩小定律