微电子技术发展的一些基本规律及趋势、前景.doc

)微电子技术发展的一些基本规律1.1摩尔定律微电子技术无论是从其牛活的影响，都可以说是科学技术史上空前的，是其他任何产 业所无法比拟的近30年來，以微电子技术作为支撑的微电子产业的平均发展速度约保持在15%以上， 近几年来发展则更为迅速，其中1994年得增长率为25%,销售额达到1097亿美元，并 首次突破1000亿美元大关，现在，微电子产业的全球销售额已经高达2000亿美元，已经 成为整个信息产业的基础MOS集成电路已经成为微电子产业的核心，而存储器和微处理器又是MOS集成电路 中故具代表性的两大典型产品，它们的发展水平通常标志着整个微电子技术的发展水平， 口 60年代以来，集成电路的发展一直遵循1965年Intel公司的创始人Z — Gordon E.Moore 预言的集成电路产业的发展规律：即集成电路的集成度每三年增长4倍，特征尺寸每三年 缩小1.414...倍.这就是苦名的摩尔定律，该定律最先发表在1965年4月的Electronics Magazine杂志上，自从该定律发表以来，集成电路产业棊本上是按该定律预言的速度持 续发展40多年來，为了提髙电子集成系统的性能，降低成本，器件的特征尺寸不断缩小，制 作工艺的加工粘:度不断提高，同时硅片的而积也在不断增大。

集成电路芯片的特征尺寸己 经从1978年的1011 m发展到现在的0J3um,集成度从1971年的IK DRAM发展到现 在的1GDRAM；硅片的直径尺寸也逐渐由2英寸、3英寸、4英寸、6英寸、8英寸过渡 到12英寸图11.1给出了集成电路技术的标志性产品DRAM及其特征尺寸的发展历程 和趋势，图11.2给出了 CPU的发展历程和趋势，表11.1则给出了今后一-段时间微电子技 术发展的趋势表11」微电子技术发展趋势预测生产时 间/年19902000200120022003200420005DRAM 半节距/ nm13011510090807065MPU半 节距/ nm15013010790807065MPU栅长/ nm90756553454035MPU沟长/ nm6553453732282511.1.2按比例缩小定律按比例缩小定律（scaling-down）定律是1974年由Dennard捉出的，该论文发表在1974 年第9期的IEEE Journal of Solid-State Circuits杂志上，他的基本指导思想是在MOS器件 内部电场不变的条件下，通过按比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减小负载 电容，由此提高集成电路的性能。

同时电源电压也要与器件尺寸缩小相同的倍数这种维 持器件內部电场不变的按比例缩小定律叫做恒定电场规律，简称CE律，按CE律按比例 缩小后器件的参数如表11.2所示表11.2按比例缩小规律参数CE （恒场）律CV （恒压）律QCE （准恒场）律器件尺寸L、W, T1/ K1/ K1/ K电源电压1/K1A / K掺杂浓度KK2X K阈值电压1/K1入/ K电流1/KKx2/k负载电容1/K1/K1/K电场强度1KX门延迟时间1/K1/k21/X K功耗1/k2K入派功耗密度1K3入3功耗延迟积1/k31/K入派栅电容KKK面枳1/k21/k21/k2集成密度K2K2K2按比例缩小定律是实现超大规模集成电路迅速发展的基点几十年来集成电路工艺技 术和器件物理的研究和开发都是围绕这个基点进行的止是由于器件在按比例缩小技术方 而的不断进步和巨大成功，集成电路才有了今天的辉煌成就但是，简单的恒定电场定律 也存在较人的问题，其中主要的有：（1）阈值电压不可能缩得太小，因为阈值电压降低会 引起电路的抗干扰能力减弱，泄漏电流增加，不利于动态节点电平的保持，而且述会引起 静态功耗增加2）源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小。

3）电源电压标准的改变会带来 很大的不便，一•般地电源电床会在相当长的-个时期内保持稳定，最近提出的片内限床器 是解决该问题的-•种良好途径即集成电路外血仍然使用5V电源电压，但可以通过片内 限压器使施加在内部电路上的电压上的电压小于5V.为了克服CE律中存在的问题，有人提出了恒定电压按比例缩小规律（简称CV律, 即保持电源电压Vdd和阈值电压Vth不变，对其他参数进行比例缩小按CV律按比例 缩小后的参数如表11.2中的第二列所示可也看出器件尺寸按CV律缩小后对电路性能 的提高远不如CE律，其速度功耗积只降低了 k倍而冃采用CV律会使沟道内的电场大 大增强，由此带來了一系列的问题，这些问题将对电路的可靠性造成较大的彩响另外, 由丁•功耗密度增加了 k?倍，还会造成器件散热困难以及金属连线的电迁移等问题CV 律一般只适用于沟道长度大于I » m的器件，它不适用与沟道长度较短的器件在集成电路技术止中，实际采用的按比例缩小规律通常是CE律和CV律的折中为 了维持标准的5V电源电压，在很氏一段吋间内通常采用CV律进行按比例缩小然而随 着器件尺寸的进一步缩小，例如进入到亚微米领域以后，由于强电场、髙功耗以及功耗密 度等引起的各种问限制了按CV律进一步缩小的规则，电源电压降低。

同吋乂为了不使阈 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，也就是说，在集成电路发展过程中实际釆用的是不完全按比例缩小的规则通常，器 件尺寸将缩小K倍，而电源电压则只变为原来的入/K, 一般地，我们称该规律为准恒定 电场按比例所赐奥规则，简称QCE律QCE律的结果也列入表11.2中，同时表11.3给 岀了儿种典型工艺的参数表11.3儿种典型工艺的参数特性尺 寸/» m532.51.20.80.50.350.250」5电源电压/V55553.33.33.32.51.0栅氧厚度/nm10060402515963.52.5结深/ um1.50.60.40.250.50.10.080.060.05阈值电H>/v1110.80.50.50.40.30.2相对速 度0.380.570.711.42.74.27.29.6根据按比例缩小定律，集成电路的速度等参数飞速提高，但实际上，巾于各种寄牛效 应不能按比例缩小，因为集成电路性能也不能按比例提高，集成电路性能提高的程度往往 小于按比例缩小定律预计的结果影响集成电路性能提高的主要因素有：(1)互连金属在整 个集成电路中所占的芯片面积越来越人，有的甚至高达80%以上，互连线的电阻和寄生 电容对电路性能的影响不能随着器件尺寸的缩小而降低，(2)由于小尺寸器件内部电场的 增强，载流子速度会达到饱和，使电路性能下降，(3)随着器件尺寸的缩小，漏源寄生串 联电阻迅速增大，对电路性能造成严重的负而影响。

4)电源电压降低，寄生结电容增大, 彫响电路的速度5)由丁•寄牛结电容的分压，使真正施加在器件上的电压进一步降低, 也会影响电路的速度)微电子技术发展的一些趋势和展望微电子技术史目前世界上发展最快的技术之一，正是山于它发展得人快，因此预测它 发展的趋势也就更加困难在科学发展史上，有很多预测失误的例子，例如在1900年， 著名物理学家开尔文在总结19世纪物理学所取得的成就是认为在已经基木建成的物理学 大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补和装修工作就行了，但实际情况是，1905 年爱因斯坦提出了量子论和相对论，从而使物理学的发展进入了一个与原來的以牛顿的绝 对时空观为代表的经典物理学完全不同的新领域在微电子学领域，也曾经出现过完全错谋的预测，例如在集成电路刚刚发明的吋候, 曾经有人预测集成电路的前呆不会太好，当吋的理由有网条：第一，当时的电路是由分立 元器件组成的，这样在组成电路吋可以对其中的每一•个晶体管都进行最优化设计，从而可 以得到高性能的电路，但在集成电路中，rh于其中所有器件的工艺耍兼容等问题，不可能 是所有器件制作晶休管的成品率约在90%左右，即使今后的成品率提高到99%,其至 99.9%,但如果集成电路的集成度为10000个晶体管，则集成电路的成品率为(99.9%),000° ^4.5X10 5 ,即约等于0。

当然，现在开来这个预测是十分可笑的，因为随着集成度的 提高，集成电路所能完成的工作是原来的分离器件组成的电路所无法完成的，即两者已经 发生了质的变化；另外，由于器件特征尺寸的缩小，其成品率也不适用于原来的计算方法即使有这些错误预言的先例，我们依然要对今后微电子技术的发展趋势进行预测和分 析,这是因为我们预测今后发展趋势的II的是为了确定今天的研究方向，不做科学的预测, 就没有办法确定今天努力的方向，因此只有在充分分析影响微电子技术发展的各种因素的 基础上，才能确定今天进行微电子科学技术研究的重点发展方向，基于这个目的，即使我 们的预测可能不是很准确，但我们仍然要进行预测，以期槊我们的预测能够对人家选择今 后的研究领域有一定的帮助2.1 21世纪初仍将以硅基CMOS电路为主流微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能及性能价格比，因此便要求提高芯 片的集成度，这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉以MOS技术为例，沟道长 度缩小可以提高集成电路的速度；同时缩小沟道长度和宽度还减小了器件尺寸，提高了集 成度，从而在同样大小的芯片上可以集成更多数目得晶体管，其至可以将结构更加复杂、 性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上；同时，随着集成度的提高，系统的速度和町 靠性也大大提髙，价格大幅度下降。

山于片内信号的延迟总小于芯片间的信号延迟，这样 在器件尺寸缩小后，即使器件木身的性能没有提高，報个集成系统的性能却得到了提髙自50多年前发明晶体管以來，为了提高电子系统的性能，降低成木，微电子器件的 特征尺寸不断缩小，加工楮度不断提高，同时硅片的回积不断增大，口 1958年集成电路 发明以来，集成电路芯片的发展基本上遵循了 Intel公司创始人Z—一Gordon E.Moore在 1965年预言的摩尔定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸缩小、伍倍在这期间, 虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业30多年来发展的状况证实了 Moore的预言而且根据我们的预测，微电子技术的这种发展趋势还将继续下去，这是其 他任何产业都无法与之比拟的现在,0.25卩m的CMOS工艺技术已进入大牛产，利用该技术科制作256Mb的DRAM 和600MHz的微处理器芯片，每片上集成的晶体管数在108-109量级，10mn的器件己在 实验室中制备成功，研究工作已进入亚45nm技术阶段，相应的栅氧化厚度只有2.0~1.0nm 预计到2010年，特征尺寸为45nm的256GDRAM产品将投入批量牛产然而随着器件特征尺5的不断缩小，将逐渐逼近其物理“极限”，研究微电子技术发 展中的限制问题已变得愈发迫切和重要。

早在70年代初，人们曾经预测MOS器件特征 尺寸“限制”为0.25U m,后來又预测为0」Sum. 0」u m……，然而所有这些预测一 •次次 都被实践所突破目前人们已制作出特征尺寸为10nm、仍能在室温下正常工作的 MOSFETo硅微电子技术发展的“。