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 Gordon E. 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 10 G 1G 100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970 1965，Gordon Moore 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 1980 1990 2000 2010 Moore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+9 1.E+8 1.E+7 1.E+6 1.E +5 1.E+4 1.E+3 “Itanium”:15,950,000 Pentium II: 7,500,000 PowerPC620:6,900,000 PentiumPro: 5,500,000 PowerPC604:3,600,000 Pentium:3,300,000 PowerPC601:2,800,000 i80486DX:1,200,000 m68040:1,170,000 i80386DX:275,000 m68030:273,000 m68020:190,000 i80286:134,000 m68000:68,000 i8086:28,000 M6800: 4,000 i8080:6,000 i4004:2,300 ’70 70 ’74 74 ’78 78 ’82 82 ’86 86 ’90 90 ’94 94 ’98 98 ’2002 2002 微处理器的性能 8080 8086 100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 1970 8028 6 8038 6 8048 6 Peak Advertised Performance (PAP) Real Applied Performance (RAP) 41% Growth Moore’s Law 1980 1990 2000 Pentium PentiumPro 2010 . . . . .. .. .. 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 V D D (伏 ） 伏 硅片直径尺寸 （ mm） 集成度 D R A M 密 度 （ bit) 微处理器时钟频 率 (H z) 平均晶体管价格$ 10 1 959 25 5 5 6 1 970-197 1 8 5 30 2 × 10 3 1K 7 50 K 0 .3 2 000 0 .18 1.5 3 00 2 × 10 9 1G 1G 1 0 -6 比率 1 40 3 60 3 × 10 8 106 > 10 3 107 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（SIA 1999年版） 年 份 1999 2000 165 2001 150 512M 2002 130 2003 120 1G 2004 110 2005 100 2G 2008 70 2011 50 16G 2014 35 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） 200 47.6 200 300 300 95.2 300 300 190 300 539 300 1523 300 4308 450 15 7.6 3.8 1.9 0.24 1999 Edition （ 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 部电场不变：恒定电场规律， 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： ε 0 ε ox W 2 I ds = Cox μ s (VGS ? VTH )VDS ? αVDS C ox = t ox L 由于V 由于 DS 、 (VGS-VTH)、 W、 L、 tox 均缩小了 κ 倍 ， 、 、 、 均缩小了κ Cox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κ tpd为： [ ] VDS CL t pd ∞ I DS . . . . .. .. .. C L = WLC ox 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律会使沟道的电场大大增 律，而且采用 律会使沟道的电场大大增 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λ κ 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/κ κ 1/κ κ κ 1/κ κ 1/κ κ 1/κ κ 1 1/κ κ 1/κ2 κ 1 1/κ3 κ κ 1/κ2 κ κ2 CV(恒压 律 恒压)律 恒压 1/κ κ 1 κ2 1 κ 1/κ κ κ 1/κ2 κ κ κ3 1/κ κ κ 1/κ2 κ κ2 QCE(准恒场 律 准恒场)律 准恒场 1/κ κ λ/κ κ λκ λ/κ κ λ2/κ κ 1/κ κ λ 1/λκ λ λ3/κ2 κ λ3 λ2/κ3 κ κ 1/κ2 κ κ2 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0.18μ m已开始进入大生产 μ 和 目前 μ 已开始进入大生产 0.15μ m和0.13μ m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