微电子技术发展的

本文由lizzi_xl贡献ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第九章微电子技术发展的规律及趋势Moore定律定律Moore定律定律1965年Intel公司的创始人之一年公司的创始人之一GordonE.Moore预言集成电路产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，增长四倍，特征尺寸每三年缩小2倍Moore定律定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701965，GordonMoore预测，半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番存储器容量60%/年年每三年，?每三年，翻两番1980199020002010Moore定律：定律：定律芯片上的体管数目?微处理器性能每三年翻两番1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3“Itanium”:15,950,000PentiumII:7,500,000PowerPC620:6,900,000PentiumPro:5,500,000PowerPC604:3,600,000Pentium:3,300,000PowerPC601:2,800,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000i80386DX:275,000m68030:273,000m68020:190,000i80286:134,000m68000:68,000i8086:28,000M6800:4,000i8080:6,000i4004:2,300’7070’7474’7878’8282’8686’9090’9494’9898’20022002微处理器的性能80808086100G10GGiga100M10MMegaKilo1970802868038680486PeakAdvertisedPerformance(PAP)RealAppliedPerformance(RAP)41%GrowthMoore’sLaw198019902000PentiumPentiumPro2010集成电路技术是近50年来发展最快的技术集成电路技术是近年来发展最快的技术微电子技术的进步年份特征参数设计规则μm电源电压VDD(伏）伏硅片直径尺寸（mm）集成度DRAM密度（bit)微处理器时钟频率(Hz)平均晶体管价格$101959255561970-197185302×1031K750K0.320000.181.53002×1091G1G10-6比率1403603×108106103107按此比率下降，小汽车价格不到价格不到1按此比率下降，小汽车价格不到1美分半导体发展计划（1999年版年版）半导体发展计划（SIA1999年版）年份199920001652001150512M200213020031201G200411020051002G20087020115016G201435特征尺寸（）特征尺寸（nm）180存贮器生产阶段256M产品代MPU芯片功能数芯片功能数23.8百万晶体管）（百万晶体管）硅片直径(mm)硅片直径在生产阶段DRAM封装后单封装后单位比特价（位比特价（百万分之一美分）分之一美分）20047.620030030095.230030019030053930015233004308450157.63.81.90.241999Edition（SIA美EECA欧EIAJ日美欧日KSIA南朝鲜TSIA台）南朝鲜台Moore定律定律??性能价格比在过去的20年中，在过去的年中，改进年中了1,000,000倍倍在今后的20年中年中，在今后的年中，还将改进1,000,000倍改进倍很可能还将持续40年年等比例缩小(Scaling-down)定律定律等比例缩小(Scaling-down)定律定律等比例缩小1974年由年由Dennard年由基本指导思想是：保持MOS器件基本指导思想是：保持器件内部电场不变：恒定电场规律，内部电场不变：恒定电场规律，简称CE律简称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，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：漏源电流方程：ε0εoxW2Ids=Coxμs(VGS?VTH)VDS?αVDSCox=toxL由于V由于DS、(VGS-VTH)、W、L、tox均缩小了κ倍，、、、均缩小了κCox增大了κ倍，因此，IDS缩小κ倍。门延迟时间增大了κ因此，缩小κtpd为：[]VDSCLtpd∞IDSCL=WLCox其中V均缩小了κ所以t其中DS、IDS、CL均缩小了κ倍，所以pd也缩小标志集成电路性能的功耗延迟积P了κ倍。标志集成电路性能的功耗延迟积W?tpd则缩小了κ则缩小了κ3倍。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(简称律恒定电压等比例缩小规律简称CV律)简称保持电源电压V和阈值电压V不变，保持电源电压ds和阈值电压th不变，对其它参数进行等比例缩小律缩小后对电路性能的提高远不如CE按CV律缩小后对电路性能的提高远不如律缩小后对电路性能的提高远不如而且采用CV律会使沟道内的电场大大增律，而且采用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μm的器件，律一般只适用于沟道长度大于1μ的器件的器件，律一般只适用于沟道长度大于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CE律和律的折中，世纪采用的最多律和CV律的折中律和律的折中，随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、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。律进一步缩小的规则，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，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κ器件尺寸将缩小κ倍，而电源电压则只变为原来的λκ来的λ/κ倍参数器件尺寸L,W,tox等器件尺寸电源电压掺杂浓度阈值电压电流负载电容电场强度门延迟时间功耗功耗密度功耗延迟积栅电容面积集成密度CE(恒场律恒场)律恒场1/κκ1/κκκ1/κκ1/κκ1/κκ11/κκ1/κ2κ11/κ3κκ1/κ2κκ2CV(恒压律恒压)律恒压1/κκ1κ21κ1/κκκ1/κ2κκκ31/κκκ1/κ2κκ2QCE(准恒场律准恒场)律准恒场1/κκλ/κκλκλ/κκλ2/κκ1/κκλ1/λκλλ3/κ2κλ3λ2/κ3κκ1/κ2κκ2微电子技术的三个发展方向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将发展成为系统芯片(SOC)集成电路将发展成为系统芯片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芯片等和新的学科，例如、芯片等微电子器件的特征尺寸继续缩小第一个关键技术层次：第一个关键技术层次：微细加工目前0.25μm和0.18μm已开始进入大生产μ和目前μ已开始进入大生产0.15μm和0.13μm大生产技术也已经完成开发，大生产技术也已经完成开发，μ和μ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模块当然仍有许多开发与研究工作要做，例如模块的开发，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阶段，在0.13-0.07um阶段，最关键的加工工艺光阶段最关键的加工工艺—光刻技术还是一个大问题，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：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；技术代中使用；铜互连已在技术代中使用但是在0.13um以后，铜互连与低介电常但是在以后，以后数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究开发互连技术与器件特征尺寸的缩小资料来源：（资料来源：SolidstateTechnologyOct.,1998））微电子器件的特征尺寸继续缩小第三个关键技术新型器件结构新型材料体系高K介质介质金属栅电极低K介质介质SOI材料材料栅介质的限制传统的栅结构硅化物重掺杂多晶硅SiO2经验关系:L∝ToxXj1/3经验关系:∝对栅介质层的要求年份技术等效栅氧化层厚度(nm)等效栅氧化层厚度19990.184—5—20010.152—3—20030.132—3—20060.101.5—2—20090.071.520120.051.0栅介质的限制G超薄栅氧化层大量的晶体管的缩小，随着tgate的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长SD直接隧穿的泄漏电流栅氧化层的势垒tgate栅氧化层厚度小于3nm后后限制：限制：tgate~3to2nm栅介质的限制Toxt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:t多晶硅耗尽由量子效应引起的等效厚度:t量子效应～0.5nm～0.5nm等效栅介质层的总厚度：Tox1nm+t栅介质层等效栅介质层的总厚度：限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm栅介质的限制SiO2（ε＝3.9））SiO2/Si界面硅基集成电路发展的基石随着器件缩小致亚50纳米致亚纳米得以使微电子产业高速和持续发展SiO2无法适应亚纳米器件的要求无法适应亚50纳米器件的要求寻求介电常数大的高K材料来替代SiO寻求介电常数大的高K材料来替代SiO2SOI(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅)技术绝缘衬底上的硅技术SOI技术：优点技术：技术完全实现了介质隔离,完全实现了介质隔离,彻底消除了体CMOS集成电路中的寄生闩锁效应硅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,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，特别适合于体效应小、寄生电容小，低压器件SOI技术：缺点技术：技术SOI材料价格高SOI材料价格高衬底浮置表层硅膜质量及其界面质量新一代小尺寸器件问题栅介质层T栅介质层ox1纳米纳米多晶硅栅介质层n+源Lp型硅NMOSFET隧穿效应SiO2的性质量子隧穿模型高K介质介质栅Tox漏n+沟道长度L50纳米纳米电子输运的渡越时间～渡越时间～碰撞时间杂质涨落??介观物理的输运理论统计规律新型栅结构器件沟道区中的杂质数仅为百的量级带间隧穿反型层的量子化效应可靠性………考虑量子化效应的器件模型电源电压1V时，栅介质层中电场电源电压时约为5MV/cm，硅中电场约约为，硅中电场约1MV/cm0.1umSub0.1um2030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，年后类似于现在汽车工业和航空工业的情况稳定状态情况下的半导体增长率稳定状态（～稳定状态（～2030）1997CMOS技术年平均增长率半导体产业/电子工业半导体产业电子工业半导体产业/GDP0.25μm16%17%0.7%0.035μm7%约为(约为GDP增长率的2倍)35%3%FromChemmingHu,(U.C.Berkely)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卫星/电缆解调/纠错IBMCPU第二代DRAMDRAMSOC传输反向多路器DRAMMPEG解码SCIIEEE1284GPIO,etc第三代将来声频接口视频接口SystemOnAChipSTBP集成电路走向系统芯片IC的速度很高、功耗很小，IC的速度很高、功耗很小，但由于的速度很高PCB板中的连线延时噪声、PCB板中的连线延时、噪声、可靠板中的连线延时、性以及重量等因素的限制，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在需求牵引和技术推动的双重作用下集成分立电路元IC件系统芯片系统芯片