➢CE律和CV律的折中，世纪采用的最多
➢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 。同时又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
➢器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变为原 来的/倍
PentiumPro
Kilo 1970
1980
1990
2000
2010
集成电路技术是近50年来发展最快的技术
微电子技术的进步
按此比率下降，小汽车价格不到1美分
Moore定律 性能价格比
在过去的20年中，改进 了1,000,000倍
在今后的20年中，还将 改进1,000,000倍
很可能还将持续 40年
由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均缩小了倍 ，Cox增大了倍，因此，IDS缩小倍。门延迟时 间tpd为：
其中VDS、IDS、CL均缩小了倍，所以tpd也缩小 了倍。标志集成电路性能的功耗延迟积PWtpd 则缩小了3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
Pentium II: 7,500,000 PowerPC620:6,900,000 i80486DPXPe:e1nn,t2tiu0iu0mm,0P:03r0o,3: 050,5,00m0006,08000P40oP:w1oe,w1r7eP0rCP,06C006010:24,:830,600,000,0000
Tox
t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 0～.5nm 由量子效应引起的等效厚度: t量子效应 ～ 0.5nm
等效栅介质层的总厚度： Tox > 1nm + t栅介质层 限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm
栅介质的限制
SiO2（＝3.9） SiO2/Si 界面
10 G 1G
100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970
存储器容量 60%/年 每三年，翻两番
1980
1990
2000 2010
Moore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
“Itanium”:15,950,000
2微电子发展的规律及趋势
Moore定律
Moore定律
1965年Intel公司的创始人之一 Gordon E. Moore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，
➢ 特征尺寸每三年缩小 倍
Moore定律 1965，Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番
硅基集成电路 发展的基石
随着器件缩小 致亚50纳米
得以使微电 子产业高速 和持续发展
SiO2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SiO2
SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅)技术
SOI技术：优点
完全实现了介质隔离, 彻底消除了体硅 CMOS集成电路中的寄生闩锁效应
微处理器的性能
100 G 10 G Giga
100 M 10 M
8080
8086
8028 6
8038 6
Peak
Advertised
Performance
(PAP)
Real Applied
Performance
(RAP)
41% Growth
Mega
Moore’s Law
8048 6 Pentium
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: LTox Xj1/3
超薄栅 氧化层
大量的 晶体管
栅介质的限制
G
S
D
直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层的势垒
随着 tgate 的缩小，栅泄漏 电流呈指数性增长
tgate
栅氧化层厚度小于 3nm后
限制：tgate~ 3 to 2 nm
栅介质的限制
等比例缩小 (Scaling-down)定律
等比例缩小(Scaling-down)定律
1974年由Dennard 基本指导思想是：保持MOS器件
内部电场不变：恒定电场规律， 简称CE律
➢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，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：
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,特别适合于小尺寸器件 体效应小、寄生电容小，特别适合于
低压器件
SOI技术：缺点
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<1质纳层米Tox
? 隧穿效应
➢目前0.09m已开始进入大生产
➢0.045 m大生产技术也已经完成开发，具备 大生产的条件
互连技术与器件特征尺寸的缩小 （资料来源：Solidstate Technology Oct.,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 ✓金属栅电极 ✓低K介质 ✓SOI材料
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
➢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(SOC) ➢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EMS、DNA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：微细加工
i80386DX:275,000
m68030:273,000
i80286:134,000 m68020:190,000
m68000:68,000
i8086:28,000 M6800:
4,000 i8080:6,000
i4004:2,300
1.E+3
’70 ’74 ’78 ’82 ’86 ’90 ’94 ’98 ’2002
来很大的不便
恒定电压等比例缩小规律(简称CV律)
➢保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它 参数进行等比例缩小
➢按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律 ，而且采用CV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1m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QCE 律