微電子發(fā)展的規(guī)律及趨勢

微電子技術發(fā)展的規(guī)律及趨勢Moore定律Moore定律1965年Intel公司的創(chuàng)始人之一GordonE.Moore預言集成電路產業(yè)的發(fā)展規(guī)律集成電路的集成度每三年增長四倍，特征尺寸每三年縮小倍Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存儲器容量60%/年

每三年，翻兩番1965，GordonMoore預測

半導體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番

1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2002芯片上的體管數(shù)目微處理器性能

每三年翻兩番Moore定律：i8080:6,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro:5,500,000i4004:2,300M6800:4,000i8086:28,000i80286:134,000m68020:190,000i80386DX:275,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,000PentiumII:7,500,000微處理器的性能100G10GGiga100M10MMegaKilo1970 1980 1990 2000 2010PeakAdvertised

Performance(PAP)Moore’s

LawRealApplied

Performance(RAP)

41%Growth80808086802868038680486PentiumPentiumPro集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術微電子技術的進步按此比率下降，小汽車價格不到1美分Moore定律

性能價格比在過去的20年中，改進了1,000,000倍在今后的20年中，還將改進1,000,000倍很可能還將持續(xù)40年等比例縮小(Scaling-down)定律等比例例縮小小(Scaling-down)定律律1974年年由Dennard基本指指導思思想是是：保保持MOS器件件內部部電場場不變變：恒定電電場規(guī)規(guī)律，，簡稱稱CE律等比例例縮小小器件件的縱縱向、、橫向向尺寸寸，以以增加加跨導導和減減少負負載電電容，，提高高集成成電路路的性性能電源電電壓也也要縮縮小相相同的的倍數(shù)數(shù)漏源電電流方方程：：由于VDS、(VGS-VTH)、W、、L、tox均縮小了了倍，Cox增大了倍，因此此，IDS縮小倍。門延延遲時間間tpd為：其中VDS、IDS、CL均縮小了了倍，所以以tpd也縮小了了倍。標志志集成電電路性能能的功耗耗延遲積積PWtpd則縮小了了3倍。恒定電場場定律的的問題閾值電壓壓不可能能縮的太太小源漏耗盡盡區(qū)寬度度不可能能按比例例縮小電源電壓壓標準的的改變會會帶來很很大的不不便恒定電壓壓等比例例縮小規(guī)規(guī)律(簡簡稱CV律)保持電源源電壓Vds和閾值電電壓Vth不變，對對其它參參數(shù)進行行等比例例縮小按CV律律縮小后后對電路路性能的的提高遠遠不如CE律，，而且采采用CV律會使使溝道內內的電場場大大增增強CV律一一般只適適用于溝溝道長度度大于1m的器件件，它不不適用于于溝道長長度較短短的器件件。準恒定電電場等比比例縮小小規(guī)則，，縮寫為為QCE律CE律和和CV律律的折中中，世紀紀采用的的最多隨著器件件尺寸的的進一步步縮小，，強電場場、高功功耗以及及功耗密密度等引引起的各各種問題題限制了了按CV律進一一步縮小小的規(guī)則則，電源源電壓必必須降低低。同時時又為了了不使閾閾值電壓壓太低而而影響電電路的性性能，實實際上電電源電壓壓降低的的比例通通常小于于器件尺尺寸的縮縮小比例例器件尺寸寸將縮小小倍，而電電源電壓壓則只變變?yōu)樵瓉韥淼?倍微電子技技術的三三個發(fā)發(fā)展方向向21世紀紀硅微電電子技術術的三個個主要發(fā)發(fā)展方向向特征尺寸寸繼續(xù)等等比例縮縮小集成電路路(IC)將發(fā)發(fā)展成為為系統(tǒng)芯芯片(SOC)微電子技技術與其其它領域域相結合合將產生生新的產產業(yè)和新新的學科科，例如如MEMS、DNA芯芯片等微電子技技術的三三個發(fā)展展方向第一個關關鍵技術術層次：：微細加加工目前0.09m已開始始進入大大生產0.045m大生產產技術也也已經完完成開發(fā)發(fā)，具備備大生產產的條件件微電子器器件的特特征尺寸寸繼續(xù)縮縮小互連技術術與器件件特征尺尺寸的縮縮?。ㄙY料來來源：SolidstateTechnologyOct.,1998）第三個關關鍵技術術新型器件件結構新型材料料體系高K介質質金屬柵電電極低K介質質SOI材材料微電子器器件的特特征尺寸寸繼續(xù)縮縮小傳統(tǒng)的柵結構構重摻雜多晶硅硅SiO2硅化物經驗關系:LToxXj1/3柵介質的限制制

隨著tgate

的縮小，柵泄漏電流呈指數(shù)性增長超薄柵氧化層柵氧化層的勢壘GSD直接隧穿的泄漏電流柵氧化層厚度小于3nm后tgate大量的晶體管

限制：tgate~3to2nm柵介質的限制制柵介質的限制制等效柵介質層層的總厚度：：Tox>1nm+t柵介質層Toxt多晶硅耗盡t柵介質層t量子效應++由多晶硅耗盡盡效應引起的的等效厚度:t多晶硅耗盡0.5nm由量子效應引引起的等效厚厚度:t量子效應0.5nm～～限制：等效效柵介質層層的總厚度度無法小于于1nm隨著器件縮小致亞50納米尋求介電常數(shù)大的高K材料來替代SiO2SiO2無法適應亞50納米器件的要求柵介質的限限制SiO2（＝3.9）SiO2/Si界面硅基集成電路發(fā)展的基石得以使微電子產業(yè)高速和持續(xù)發(fā)展SOI(SiliSOI技技術：優(yōu)優(yōu)點完全實現(xiàn)現(xiàn)了介質質隔離,徹底底消除了了體硅CMOS集成電電路中的的寄生閂閂鎖效應應速度高集成密度度高工藝簡單單減小了熱熱載流子子效應短溝道效效應小,特別適適合于小小尺寸器器件體效應小小、寄生生電容小小，特別別適合于于低壓器器件SOI材料料價格格高襯底浮浮置表層硅硅膜質質量及及其界界面質質量SOI技技術術：：缺缺點點隧穿效應SiO2的性質柵介質層Tox<1納米量子隧穿模型高K介質?雜質漲落器件溝道區(qū)中的雜質數(shù)僅為百的量級統(tǒng)計規(guī)律新型柵結構?電子輸運的渡越時間～碰撞時間介觀物理的輸運理論?溝道長度L<50納米L源漏柵Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

柵介質層新一一代代小小尺尺寸寸器器件件問問題題帶間隧穿反型層的量子化效應電源電壓1V時，柵介質層中電場約為5MV/cm，硅中電場約1MV/cm考慮量子化效應的器件模型?…...可靠性0.1umSub0.1um2030年年后后，，半半導導體體加加工工技技術術走走向向成成熟熟，，類類似似于于現(xiàn)現(xiàn)在在汽汽車車工工業(yè)業(yè)和和航航空空工工業(yè)業(yè)的的情情況況誕生生基基于于新新原原理理的的器器件件和和電電路路集成成電電路路走走向向系系統(tǒng)統(tǒng)芯芯片片SOCSystemOnAChip集成成電電路路走走向向系系統(tǒng)統(tǒng)芯芯片片IC的的速速度度很很高高、、功功耗耗很很小小，，但但由由于于PCB板板中中的的連連線線延延時時、、噪噪聲聲、、可可靠靠性以以及及重重量量等等因因素素的的限限制制，，已已無無法法滿足足性性能能日日益益提提高高的的整整機機系系統(tǒng)統(tǒng)的的要要求求IC設設計計與與制制造造技技術術水水平平的的提提高高，，IC規(guī)規(guī)模模越越來來越越大大，，已已可可以以在在一一個個芯片片上上集集成成108~109個晶晶體體管管分立立元元件件集成成電電路路IC系統(tǒng)統(tǒng)芯芯片片SystemOnAChip(簡簡稱稱SOC)將整整個個系系統(tǒng)統(tǒng)集集成成在在一個個微電電子子芯芯片片上上在需求牽牽引和技技術推動的雙雙重作用用下系統(tǒng)芯片片(SOC)與與集成電路(IC)的的設計思思想是不同的，，它是微微電子技技術領域的的一場革革命。集成電路路走向系系統(tǒng)芯片片六十年代代的集成成電路設設計微米級工藝基于晶體管級互連主流CAD：圖形編輯VddABOut八十年代代的電子子系統(tǒng)設設計PEL2MEMMathBusControllerIOGraphicsPCB集成成工藝無關系統(tǒng)亞微米級工藝依賴工藝基于標準單元互連主流CAD:門陣列標準單元集成電路芯片世紀之交的的系統(tǒng)設計計SYSTEM-ON-A-CHIP深亞微米、超深亞微米級工藝基于IP復用主流CAD：軟硬件協(xié) 同設計MEMORYCache/SRAMorevenDRAMProcessor

CoreDSP

ProcessorCoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISAInterfaceGlueGluePCIInterfaceI/OInterfaceLANInterfaceSOC是從從整個系統(tǒng)統(tǒng)的角度出出發(fā)，把處處理機制、、模型算法法、芯片結結構、各層層次電路直直至器件的的設計緊密密結合起來來，在單個個芯片上完完成整個系系統(tǒng)的功能能SOC必須須采用從系系統(tǒng)行為級級開始自頂頂向下(Top-Down)地設計SOC的優(yōu)優(yōu)勢嵌入式模擬擬電路的Core可可以抑制噪噪聲問題嵌入式CPUCore可以以使設計者者有更大的的自由度降低功耗，，不需要大大量的輸出出緩沖器使DRAM和CPU之間的速速度接近集成電路走走向系統(tǒng)芯芯片SOC與IC組成的的系統(tǒng)相比比，由于SOC能夠夠綜合并全全盤考慮整整個系統(tǒng)的的各種情況況，可以在在同樣的工工藝技術條條件下實現(xiàn)現(xiàn)更高性能能的系統(tǒng)指指標若采用IS方法和0.35m工藝設計計系統(tǒng)芯片片，在相同同的系統(tǒng)復復雜度和處處理速率下下，能夠相相當于采用用0.25~0.18m工藝制作作的IC所所實現(xiàn)的同同樣系統(tǒng)的的性能與采用常規(guī)規(guī)IC方法法設計的芯芯片相比，，采用SOC完成同同樣功能所所需要的晶晶體管數(shù)目目可以有數(shù)數(shù)量級的降降低集成電路走走向系統(tǒng)芯芯片21世紀的的微電子將是SOC的時代SOC的三三大支持技技術軟硬件協(xié)同同設計：Co-DesignIP技術界面綜合(InterfaceSynthesis)技術集成電路走走向系統(tǒng)芯芯片軟硬件Co-Design面向各種系系統(tǒng)的功能能劃分理論論(FunctionPartationTheory)計算機通訊壓縮解壓縮縮加密與解密密集成電路走走向系統(tǒng)芯芯片IP技術軟IP核：：SoftIP(行為描描述)固IP核：：FirmIP(門級描描述，網單單)硬IP核：：HardIP(版圖)通用模塊CMOSDRAM數(shù)模混合：：D/A、、A/D深亞微米電電路優(yōu)化設設計：在模模型模擬的的基礎上，，對速度、、功耗、可可靠性等進進行優(yōu)化設設計最大工藝榮榮差設計：：與工藝有有最大的容容差集成電路走走向系統(tǒng)芯芯片InterfaceSynthesisIP+GlueLogic(膠連邏輯)面向IP綜綜合的算法法及其實現(xiàn)現(xiàn)技術集成電路走向向系統(tǒng)芯片MEMS技術術和DNA芯芯片MEMS技技術和和DNA芯芯片微電子子技術術與其其它學學科結結合，，誕生生出一一系列列嶄新新的學學科和和重大大的經經濟增增長點點MEMS(微微機電電系統(tǒng)統(tǒng))：：微微電子子技術術與機機械、、光學學等領領域結結合DNA生生物物芯芯片片：：微微電電子子技技術術與與生生物物工工程程技技術術結結合合目前前的的MEMS與與IC初初期期情情況況相相似似集成電路路發(fā)展初初期，其其電路在在今天看看來是很很簡單的的，應用用也非常常有限，，以軍事事需求為為主集成電路路技術的的進步，，加快了了計算機機更新?lián)Q換代的速速度，對對中央處處理器（（CPU）和隨隨機存貯貯器（RAM））的需求求越來越越大，反反過來又又促進了了集成電電路的發(fā)發(fā)展。集集成電路路和計算算機在發(fā)發(fā)展中相相互推動動，形成成了今天天的雙贏贏局面，，帶來了了一場信信息革命命現(xiàn)階段段的微微系統(tǒng)統(tǒng)專用用性很很強，，單個個系統(tǒng)統(tǒng)的應應用范范圍非非常有有限，，還沒沒有出出現(xiàn)類類似的的CPU和和RAM這這樣量量大而而廣的的產品品MEMS器器件件及及應應用用汽車車工工業(yè)業(yè)安全全氣氣囊囊加加速速計計、、發(fā)發(fā)動動機機壓壓力力計計、、自自動動駕駕駛駛陀陀螺螺武器器裝裝備備制導導、、戰(zhàn)戰(zhàn)場場偵偵察察（（化化學學、、震震動動））、、武武器器智智能能化化生物物醫(yī)醫(yī)學學疾病病診診斷斷、、藥藥物物研研究究、、微微型型手手術術儀儀器器、、植植入入式式儀儀器器信息息和和通通訊訊光開開關關、、波波分分復復用用器器、、集集成成化化RF組組件件、、打打印印噴噴頭頭娛樂樂消消費費類類游戲戲棒棒、、虛虛擬擬現(xiàn)現(xiàn)時時眼眼鏡鏡、、智智能能玩玩具具大機機器器加加工工小小機機器器，，小小機機器器加加工工微微機機器器微機機械械用微微電電子子加加工工技技術術MEMS系系統(tǒng)統(tǒng)X光光鑄鑄模模+壓壓塑塑技技術術(LIGA)從頂頂層層向向下下從底底層層向向上上分子子和和原原子子級級加加工工國防防、、航航空空航航天天、、生生物物醫(yī)醫(yī)學學、、環(huán)環(huán)境境監(jiān)監(jiān)控控、、汽汽車車都都有有廣廣泛泛應應用用。。2000年年有有120-140億億美美元元市市場場相關關市市場場達達1000億億美美元元2年年后后市市場場將將迅迅速速成成長長MEMS微系系統(tǒng)統(tǒng)MEMS技技術術和和DNA芯芯片片從廣廣義義上上講講，，MEMS是是指指集集微微型型傳傳感感器器、、微微型型執(zhí)執(zhí)行行器器、、信信號號處處理理和和控控制制電電路路、、接接口口電電路路、、通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)以以及及電電源源于于一一體體的的微微型型機機電電系系統(tǒng)統(tǒng)MEMS技技術術是是一一種種多多學學科科交交叉叉的的前前沿沿性性領領域域，，它它幾幾乎乎涉涉及及到到自自然然及及工工程程科科學學的的所所有有領領域域，，如如電電子子、、機機械械、、光光學學、、物物理理學學、、化化學學、、生生物物醫(yī)醫(yī)學學、、材材料料科科學學、、能能源源科科學學等等MEMS技技術術和和DNA芯芯片片MEMS在在航航空空、、航航天天、、汽汽車車、、生生物物醫(yī)醫(yī)學學、、環(huán)環(huán)境境監(jiān)監(jiān)控控、、軍軍事事以以及及幾幾乎乎人人們們接接觸觸到到的的所所有有領領域域中中都都有有著著十十分分廣廣闊闊的的應應用用前前景景微慣慣性性傳傳感感器器及及微微型型慣慣性性測測量量組組合合能能應應用用于于制制導導、、衛(wèi)衛(wèi)星星控控制制、、汽汽車車自自動動駕駕駛駛、、汽汽車車防防撞撞氣氣囊囊、、汽汽車車防防抱抱死死系系統(tǒng)統(tǒng)(ABS)、、穩(wěn)穩(wěn)定定控控制制和和玩玩具具微流流量量系系統(tǒng)統(tǒng)和和微微分分析析儀儀可可用用于于微微推推進進、、傷傷員員救救護護MEMS系系統(tǒng)統(tǒng)還還可可以以用用于于醫(yī)醫(yī)療療、、高高密密度度存存儲儲和和顯顯示示、、光光譜譜分分析析、、信信息息采采集集等等等等已經經制制造造出出尖尖端端直直徑徑為為5m的的可可以以夾夾起起一一個個紅紅細細胞胞的的微微型型鑷鑷子子，，可可以以在在磁磁場場中中飛飛行行的的象象蝴蝴蝶蝶大大小小的的飛飛機機等等MEMS技技術術和和DNA芯芯片片MEMS技術術及其產品的的增長速度非非常之高，并并且目前正處處在加速發(fā)展展時期MEMS技術術和DNA芯芯片MEMS技術術和DNA芯芯片微電子與生物物技術緊密結結合的以DNA(脫氧核核糖核酸)芯芯片等為代表表的生物工程程芯片將是21世紀微電電子領域的另另一個熱點和