微電子發展課件

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1、Moore定律定律Moore定律定律?1965年年Intel公司的創始人之一公司的創始人之一Gordon E.Moore預言集成電路產預言集成電路產業的發展規律業的發展規律集成電路的集成度每三年集成電路的集成度每三年增長四倍增長四倍特征尺寸每三年縮小特征尺寸每三年縮小 倍倍2Moore定律定律10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存儲器容量存儲器容量 60%/年年 每三年，翻兩番每三年，翻兩番1965，Gordon Moore 預測預測半導體芯片上的晶體管數目每兩年翻兩番半導體芯片上的晶體管數目每兩年翻兩番 1.E+91

2、.E+91.E+81.E+81.E+71.E+71.E+61.E+61.E+51.E+51.E+41.E+41.E+31.E+370 74 78 82 86 90 94 70 74 78 82 86 90 94 98 200298 2002芯片上的體管數目芯片上的體管數目 微處理器性能微處理器性能 每三年翻兩番每三年翻兩番Moore定律：定律：微處理器的性能微處理器的性能100 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010集成電路技術是近集成電路技術是近50年來發展最快的技術年來發展最快的技術微電子技術的進步微電子技術的進步 年年份份特特征征參參

3、數數19591970-19712000比比率率設設計計規規則則 m2580.18140電電源源電電壓壓VDD(伏伏）551.53硅硅片片直直徑徑尺尺寸寸（mm）53030060集集成成度度62 1032 1093 108DRAM密密度度（bit)1K1G106微微處處理理器器時時鐘鐘頻頻率率(Hz)750K1G103平平均均晶晶體體管管價價格格$100.310-6107 半半導導體體發發展展計計劃劃（S SI IA A 1 19 99 99 9年年版版）年年 份份1999200020012002200320042005200820112014特特征征尺尺寸寸（nm）18016515013012

4、0110100705035存存貯貯器器生生產產階階段段產產品品代代256M512M1G2G16GMPU芯芯片片功功能能數數（百百萬萬晶晶體體管管）23.847.695.219053915234308硅硅片片直直徑徑(mm)200200300300300300300300300450在在 生生 產產 階階 段段DRAM封封裝裝后后單單位位比比特特價價（百百萬萬分分之之一一美美分分）157.63.81.90.241999 Edition （SIA美美 EECA歐歐 EIAJ日日 KSIA南南朝朝鮮鮮 TSIA臺臺）Moore定律定律 性能價格比性能價格比?在過去的在過去的20年中，改進年中，改進了

5、了1,000,000倍倍?在今后的在今后的20年中，還將年中，還將改進改進1,000,000倍倍?很可能還將持續很可能還將持續 40年年 等比例縮小等比例縮小(Scaling-down)定律定律等比例縮小等比例縮小(Scaling-down)定律定律?1974年由年由Dennard?基本指導思想是：保持基本指導思想是：保持MOS器件器件內部電場不變：內部電場不變：恒定電場規律，恒定電場規律，簡稱簡稱CE律律等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，等比例縮小器件的縱向、橫向尺寸，以增加跨導和減少負載電容，提高以增加跨導和減少負載電容，提高集成電路的性能集成電路的性能電源電壓也要縮小相同的倍數電源電壓也要

6、縮小相同的倍數?漏源電流方程：漏源電流方程：?由于由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均縮小了均縮小了 倍，倍，Cox增大了增大了 倍，因此，倍，因此，IDS縮小縮小 倍。門延遲時間倍。門延遲時間tpd為：為：?其中其中VDS、IDS、CL均縮小了均縮小了 倍，所以倍，所以tpd也縮小也縮小了了 倍。標志集成電路性能的功耗延遲積倍。標志集成電路性能的功耗延遲積PW tpd則縮小了則縮小了 3倍。倍。ICWLVVVVdsoxsGSTHDSDS2oxoxoxtC0tVCIpdDSLDSoxLWLCC恒定電場定律的問題恒定電場定律的問題?閾值電壓不可能縮的太小閾值電壓不可能縮的太小?源漏耗

7、盡區寬度不可能按源漏耗盡區寬度不可能按比例縮小比例縮小?電源電壓標準的改變會帶電源電壓標準的改變會帶來很大的不便來很大的不便?恒定電壓等比例縮小規律恒定電壓等比例縮小規律(簡稱簡稱CV律律)保持電源電壓保持電源電壓Vds和閾值電壓和閾值電壓Vth不變，對其它不變，對其它參數進行等比例縮小參數進行等比例縮小按按CV律縮小后對電路性能的提高遠不如律縮小后對電路性能的提高遠不如CE律，而且采用律，而且采用CV律會使溝道內的電場大大增律會使溝道內的電場大大增強強CV律一般只適用于溝道長度大于律一般只適用于溝道長度大于1 m的器件，的器件，它不適用于溝道長度較短的器件。它不適用于溝道長度較短的器件。?準

8、恒定電場等比例縮小規則，縮寫為準恒定電場等比例縮小規則，縮寫為QCE律律CE律和律和CV律的折中，本世紀初采用的最多律的折中，本世紀初采用的最多隨著器件尺寸的進一步縮小，強電場、高功隨著器件尺寸的進一步縮小，強電場、高功耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按耗以及功耗密度等引起的各種問題限制了按CV律進一步縮小的規則，電源電壓必須降低。律進一步縮小的規則，電源電壓必須降低。同時又為了不使閾值電壓太低而影響電路的同時又為了不使閾值電壓太低而影響電路的性能，實際上電源電壓降低的比例通常小于性能，實際上電源電壓降低的比例通常小于器件尺寸的縮小比例器件尺寸的縮小比例器件尺寸將縮小器件尺寸將縮小 倍，而

9、電源電壓則只變為原倍，而電源電壓則只變為原來的來的/倍倍參數參數CE(恒場恒場)律律CV(恒壓恒壓)律律QCE(準恒場準恒場)律律器件尺寸器件尺寸L,W,tox等等1/1/1/電源電壓電源電壓1/1/摻雜濃度摻雜濃度 2 閾值電壓閾值電壓1/1/電流電流1/2/負載電容負載電容1/1/1/電場強度電場強度1 門延遲時間門延遲時間1/1/21/功耗功耗1/2 3/2功耗密度功耗密度1 3 3功耗延遲積功耗延遲積1/31/2/3柵電容柵電容 面積面積1/21/21/2集成密度集成密度 2 2 2微電子技術的微電子技術的三個發展方向三個發展方向?21世紀硅微電子技術的三個主要發展方向世紀硅微電子技術

10、的三個主要發展方向特征尺寸繼續等比例縮小特征尺寸繼續等比例縮小集成電路集成電路(IC)將發展成為系統芯片將發展成為系統芯片(SOC)微電子技術與其它領域相結合將產生新的產微電子技術與其它領域相結合將產生新的產業和新的學科，例如業和新的學科，例如MEMS、DNA芯片等芯片等微電子技術的三個發展方向微電子技術的三個發展方向?第一個關鍵技術層次：微細加工第一個關鍵技術層次：微細加工0.15 m和和0.13 m已進入大生產已進入大生產0.09 m和和0.75 m正在進入大生產技術也已正在進入大生產技術也已經完成開發，具備大生產的條件經完成開發，具備大生產的條件 當然仍有許多開發與研究工作要做，例如當然

11、仍有許多開發與研究工作要做，例如IP模塊模塊的開發，為的開發，為EDA服務的器件模型模擬開發以及基服務的器件模型模擬開發以及基于上述加工工藝的產品開發等于上述加工工藝的產品開發等在在0.07-0.065um正在研發階段，最關鍵的加工正在研發階段，最關鍵的加工工藝工藝光刻技術還是一個大問題，尚未解決光刻技術還是一個大問題，尚未解決微電子器件的特征尺寸繼續縮小微電子器件的特征尺寸繼續縮小?第二個關鍵技術：互連技術第二個關鍵技術：互連技術銅互連已在銅互連已在0.15/0.13um技術代中使技術代中使用；但是在用；但是在0.13um以后，銅互連與以后，銅互連與低介電常數絕緣材料共同使用時的低介電常數絕

12、緣材料共同使用時的可靠性問題還有待研究開發可靠性問題還有待研究開發微電子器件的特征尺寸繼續縮小微電子器件的特征尺寸繼續縮小互連技術與器件特征尺寸的縮小互連技術與器件特征尺寸的縮?。ㄙY料來源：（資料來源：Solidstate Technology Oct.,1998）?第三個關鍵技術第三個關鍵技術新型器件結構新型器件結構新型材料體系新型材料體系 高高K介質介質 金屬柵電極金屬柵電極 低低K介質介質 SOI材料材料微電子器件的特征尺寸繼續縮小微電子器件的特征尺寸繼續縮小 重摻雜多晶硅重摻雜多晶硅SiO2 硅化物硅化物 經驗關系經驗關系:L Tox Xj1/3對柵介質層的要求對柵介質層的要求年年 份

13、份199920012003200620092012技技 術術0.180.150.130.100.070.05等效柵氧化層厚度等效柵氧化層厚度(nm)4523231.521.5 1nm+t柵介質層柵介質層 Tox t多晶硅耗盡多晶硅耗盡 t柵介質層柵介質層 t量子效應量子效應 :t多晶硅耗盡多晶硅耗盡 0.5nm t量子效應量子效應 0.5nm 隨著器件縮小隨著器件縮小致亞致亞50納米納米SiO2無法適應亞無法適應亞50納米器件的要求納米器件的要求SiO2（3.9）SiO2/Si 界面界面硅基集成電路硅基集成電路發展的基石發展的基石得以使微電得以使微電子產業高速子產業高速和持續發展和持續發展SO

14、I(Silicon-On-Insulator:絕緣襯底上的硅絕緣襯底上的硅)技術技術SOI技術：優點技術：優點?完全實現了介質隔離完全實現了介質隔離,徹底消除了體徹底消除了體硅硅CMOSCMOS集成電路中的寄生閂鎖效應集成電路中的寄生閂鎖效應?速度高速度高?集成密度高集成密度高?工藝簡單工藝簡單?減小了熱載流子效應減小了熱載流子效應?短溝道效應小短溝道效應小,特別適合于小尺寸器件特別適合于小尺寸器件?體效應小、寄生電容小，特別適合于體效應小、寄生電容小，特別適合于低壓器件低壓器件?SOISOI材料價格高材料價格高?襯底浮置襯底浮置?表層硅膜質量及其界面質量表層硅膜質量及其界面質量SOI技術：缺

15、點技術：缺點隧穿效應隧穿效應SiO2的性質的性質柵介質層柵介質層Tox1納米納米量子隧穿模型量子隧穿模型高高K介質介質?雜質漲落雜質漲落器件溝道區中的雜器件溝道區中的雜質數僅為百的量級質數僅為百的量級統計規律統計規律新型柵結構新型柵結構?電子輸運的電子輸運的渡越時間渡越時間碰撞時間碰撞時間介觀物理的介觀物理的輸運理論輸運理論?溝道長度溝道長度 L50納米納米L源源漏漏柵柵Toxp 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 柵介質層柵介質層帶間隧穿帶間隧穿反型層的反型層的量子化效應量子化效應電源電壓電源電壓1V時，柵介質層中電場時，柵介質層中電場約為約為5MV/cm，硅中電場約，硅中電場約1M

16、V/cm考慮量子化效應考慮量子化效應的器件模型的器件模型?.可靠性可靠性0.1umSub0.1um穩定狀態情況下的半導體增長率穩定狀態情況下的半導體增長率1997穩定狀態穩定狀態（2030）CMOS 技術技術0.25m0.035m年平均增長率年平均增長率16%7%(約為約為 GDP 增長率的增長率的 2 倍倍)半導體產業半導體產業/電子工業電子工業17%35%半導體產業半導體產業/GDP0.7%3%From Chemming Hu,(U.C.Berkely)2030年后，半導體加工技術走向成熟，年后，半導體加工技術走向成熟，類似于現在汽車工業和航空工業的情況類似于現在汽車工業和航空工業的情況誕

17、生基于新原理的器件和電路誕生基于新原理的器件和電路集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片SOCSystem On A Chip集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片分分立立元元件件集成集成電路電路 I C 系系 統統 芯芯 片片System On A Chip(簡稱簡稱SOC)將整個系統集成在將整個系統集成在一個一個微電子芯片上微電子芯片上在需求牽引和技術在需求牽引和技術推動的雙重作用下推動的雙重作用下系統芯片系統芯片(SOC)與集成與集成電路電路(IC)的設計思想是的設計思想是不同的，它是微電子技不同的，它是微電子技術領域的一場革命。術領域的一場革命。集成電路走向系統芯片集成電路走向系統

18、芯片微米級工藝微米級工藝基于晶體管級互連基于晶體管級互連主流主流CAD：圖形編輯：圖形編輯VddABOutPEL2MEMMathBusControllerIOGraphics PCB集成集成 工藝無關工藝無關系統系統亞微米級工藝亞微米級工藝依賴工藝依賴工藝基于標準單元互連基于標準單元互連主流主流CAD:門陣列門陣列 標準單元標準單元集成電路芯片集成電路芯片深亞微米、超深亞深亞微米、超深亞 微米級工藝微米級工藝基于基于IP復用復用主流主流CAD：軟硬件協：軟硬件協 同設計同設計 一般意義上的系統集成芯片一般意義上的系統集成芯片 廣義上的系統集成芯片廣義上的系統集成芯片電、光電、光、聲、聲、熱、磁

19、熱、磁力 等 外力 等 外界 信 號界 信 號的 采 集的 采 集 各 種各 種傳感器傳感器執執行行器器、顯顯示示器器等等信 息 輸信 息 輸入與模入與模/數傳輸數傳輸信信息息處處理理信 息 輸信 息 輸出與數出與數/模轉換模轉換信息存儲信息存儲?SOC是從整個系統的角度出發，把處理機制、是從整個系統的角度出發，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個芯片上完成整個系設計緊密結合起來，在單個芯片上完成整個系統的功能統的功能?SOC必須采用從系統行為級開始自頂向下必須采用從系統行為級開始自頂向下(Top-Down)地設計

20、地設計?SOC的優勢的優勢嵌入式模擬電路的嵌入式模擬電路的Core可以抑制噪聲問題可以抑制噪聲問題嵌入式嵌入式CPU Core可以使設計者有更大的自由度可以使設計者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的輸出緩沖器降低功耗，不需要大量的輸出緩沖器使使DRAM和和CPU之間的速度接近之間的速度接近集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片?SOC與與IC組成的系統相比，由于組成的系統相比，由于SOC能夠能夠綜合并全盤考慮整個系統的各種情況，可綜合并全盤考慮整個系統的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能的系統指標的系統指標若采用若采用IS方法和方法和0.3

21、5 m工藝設計系統芯片，工藝設計系統芯片，在相同的系統復雜度和處理速率下，能夠相在相同的系統復雜度和處理速率下，能夠相當于采用當于采用0.25 0.18 m工藝制作的工藝制作的IC所實現所實現的同樣系統的性能的同樣系統的性能與采用常規與采用常規IC方法設計的芯片相比，采用方法設計的芯片相比，采用SOC完成同樣功能所需要的晶體管數目可以完成同樣功能所需要的晶體管數目可以有數量級的降低有數量級的降低集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片21世紀的微電子世紀的微電子將是將是SOC的時代的時代?SOC的三大支持技術的三大支持技術軟硬件協同設計：軟硬件協同設計：Co-DesignIP技術技術界面綜合界

22、面綜合(Interface Synthesis)技術技術集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片?軟硬件軟硬件Co-Design面向各種系統的功能劃分理論面向各種系統的功能劃分理論(Function Partation Theory)計算機計算機 通訊通訊 壓縮解壓縮壓縮解壓縮 加密與解密加密與解密集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片?IP技術技術軟軟IP核：核：Soft IP(行為描述行為描述)固固IP核：核：Firm IP(門級描述，網單門級描述，網單)硬硬IP核：核：Hard IP(版圖版圖)通用模塊通用模塊 CMOS DRAM 數?；旌希簲的；旌希篋/A、A/D 深亞微米電路優化設

23、計：在模型模擬的基礎上，深亞微米電路優化設計：在模型模擬的基礎上，對速度、功耗、可靠性等進行優化設計對速度、功耗、可靠性等進行優化設計 最大工藝容差設計：與工藝有最大的容差最大工藝容差設計：與工藝有最大的容差集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片?Interface SynthesisIP+Glue Logic(膠連邏輯膠連邏輯)面向面向IP綜合的算法及其實現技術綜合的算法及其實現技術集成電路走向系統芯片集成電路走向系統芯片MEMS技術和技術和DNA芯片芯片MEMS技術和技術和DNA芯片芯片?微電子技術與其它學科結合，誕微電子技術與其它學科結合，誕生出一系列嶄新的學科和重大的生出一系列嶄新的

24、學科和重大的經濟增長點經濟增長點MEMS(微機電系統微機電系統)：微電子技：微電子技術與機械、光學等領域結合術與機械、光學等領域結合DNA生物芯片：微電子技術與生生物芯片：微電子技術與生物工程技術結合物工程技術結合目前的目前的MEMS與與IC初期情況相似初期情況相似?集成電路發展初期，其電路在今天看來是很集成電路發展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應用也非常有限，以軍事需求為主簡單的，應用也非常有限，以軍事需求為主?集成電路技術的進步，加快了計算機更新換集成電路技術的進步，加快了計算機更新換代的速度，對中央處理器（代的速度，對中央處理器（CPU）和隨機存）和隨機存貯器（貯器（RAM）的需求越

25、來越大，反過來又促）的需求越來越大，反過來又促進了集成電路的發展。集成電路和計算機在進了集成電路的發展。集成電路和計算機在發展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，發展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命帶來了一場信息革命?現階段的微系統專用性很強，單個系統的應現階段的微系統專用性很強，單個系統的應用范圍非常有限，還沒有出現類似的用范圍非常有限，還沒有出現類似的CPU和和RAM這樣量大而廣的產品這樣量大而廣的產品MEMS器件及應用器件及應用?汽車工業汽車工業安全氣囊加速計、發動機壓力計、自動駕駛陀螺安全氣囊加速計、發動機壓力計、自動駕駛陀螺?武器裝備武器裝備制導、戰場偵察（化學、震

26、動）、武器智能化制導、戰場偵察（化學、震動）、武器智能化?生物醫學生物醫學疾病診斷、藥物研究、微型手術儀器、植入式儀器疾病診斷、藥物研究、微型手術儀器、植入式儀器?信息和通訊信息和通訊光開關、波分復用器、集成化光開關、波分復用器、集成化RF組件、打印噴頭組件、打印噴頭?娛樂消費類娛樂消費類游戲棒、虛擬現時眼鏡、智能玩具游戲棒、虛擬現時眼鏡、智能玩具大機器加工大機器加工小機器，小小機器，小機器加工微機器加工微機器機器微機械微機械用微電子加用微電子加工技術工技術MEMS系統系統X光鑄模光鑄模+壓壓塑技術塑技術(LIGA)從頂層向下從頂層向下從底層向上從底層向上分子和原子級加工分子和原子級加工國防、

27、航空航天、生物醫學、環境國防、航空航天、生物醫學、環境監控、汽車都有廣泛應用。監控、汽車都有廣泛應用。2000年有年有120-140億美元市場億美元市場 相關市場達相關市場達1000億美元億美元2年后市場將迅速成長年后市場將迅速成長MEMS微系統微系統MEMS技術和技術和DNA芯片芯片?從廣義上講，從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執行器、是指集微型傳感器、微型執行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統以及電源于信號處理和控制電路、接口電路、通信系統以及電源于一體的微型機電系統一體的微型機電系統?MEMS技術是一種多學科交叉的前沿性領域，它幾乎涉技術是一種多學科交叉的前沿性領域，它

28、幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子、機械、光學、及到自然及工程科學的所有領域，如電子、機械、光學、物理學、化學、生物醫學、材料科學、能源科學等物理學、化學、生物醫學、材料科學、能源科學等MEMS技術和技術和DNA芯片芯片?MEMS在航空、航天、汽車、生物醫學、在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有環境監控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景領域中都有著十分廣闊的應用前景微慣性傳感器及微型慣性測量組合能應用于制導、微慣性傳感器及微型慣性測量組合能應用于制導、衛星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防衛星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣

29、囊、汽車防抱死系統抱死系統(ABS)、穩定控制和玩具、穩定控制和玩具微流量系統和微分析儀可用于微推進、傷員救護微流量系統和微分析儀可用于微推進、傷員救護MEMS系統還可以用于醫療、高密度存儲和顯示、系統還可以用于醫療、高密度存儲和顯示、光譜分析、信息采集等等光譜分析、信息采集等等已經制造出尖端直徑為已經制造出尖端直徑為5 m的可以夾起一個紅細胞的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等機等MEMS技術和技術和DNA芯片芯片?MEMS技技術及其產術及其產品的增長品的增長速度非常速度非常之高，并之高，并且目前正且目前正處在加速處

30、在加速發展時期發展時期MEMS技術和技術和DNA芯片芯片MEMS技術和技術和DNA芯片芯片?微電子與生物技術緊密結合的以微電子與生物技術緊密結合的以DNA(脫氧脫氧核糖核酸核糖核酸)芯片等為代表的生物工程芯片將芯片等為代表的生物工程芯片將是是21世紀微電子領域的另一個熱點和新的經世紀微電子領域的另一個熱點和新的經濟增長點濟增長點它是以生物科學為基礎，利用生物體、生物組織或細胞它是以生物科學為基礎，利用生物體、生物組織或細胞等的特點和功能，設計構建具有預期性狀的新物種或新等的特點和功能，設計構建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術相結合進行加工生產，它是生命科品系，并與工程技術相結合進行加

31、工生產，它是生命科學與技術科學相結合的產物學與技術科學相結合的產物具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到廣泛關注。目前最有代表性的生物芯片是廣泛關注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片芯片MEMS技術和技術和DNA芯片芯片?采用微電子加工技術，可以在指甲蓋大小采用微電子加工技術，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達的硅片上制作出包含有多達10萬種萬種DNA基基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內檢測或發現遺傳基因的變化等情的時間內檢測或發現遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾況，這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉基因工程等具有極其重病治療和預防、轉基因工程等具有極其重要的作用要的作用?Stanford和和Affymetrix公司的研究人員已公司的研究人員已經利用微電子技術在硅片或玻璃片上制作經利用微電子技術在硅片或玻璃片上制作出了出了DNA芯片。包括芯片。包括6000余種余種DNA基因基因片片段段謝謝 謝！謝！