微電子技術新進展

1、內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介 微電子技術歷史簡要回顧微電子技術歷史簡要回顧 微電子技術發(fā)展方向微電子技術發(fā)展方向 增大晶圓尺寸和縮小特征尺寸面臨的挑戰(zhàn)和增大晶圓尺寸和縮小特征尺寸面臨的挑戰(zhàn)和 幾個關鍵技術幾個關鍵技術 集成電路集成電路(IC)發(fā)展成為系統(tǒng)芯片發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC) 可編程器件可能取代專用集成電路（可編程器件可能取代專用集成電路（ASIC） 微電子技術與其它領域相結合將產(chǎn)生新產(chǎn)業(yè)微電子技術與其它領域相結合將產(chǎn)生新產(chǎn)業(yè) 和學科和學科 19521952年年5 5月，英國科學家月，英國科學家G. W. A. DummerG. W. A. Dummer 第一次提出了集成電路的設想第一次提出了集成

2、電路的設想 19581958年以德克薩斯儀器公司的科學家基爾年以德克薩斯儀器公司的科學家基爾 比比(Clair Kilby)(Clair Kilby)為首的研究小組研制出了為首的研究小組研制出了 世界上第一塊集成電路，并于世界上第一塊集成電路，并于19591959年公布。年公布。 1958年第一塊集成電路：年第一塊集成電路： TI公司的公司的Kilby，12個器件，個器件，Ge晶片晶片 晶體管的發(fā)明晶體管的發(fā)明 1947年年12月月23日日 第一個晶體管第一個晶體管 NPN Ge晶體管晶體管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain The Moores Law M

3、oores Law: Quantitative 微電子技術是微電子技術是50年來發(fā)展最快的技術年來發(fā)展最快的技術 大小：長24m，寬6m，高2.5m 速度：5000次/sec；重量：30噸； 功率：140KW；平均無故障運行時間：7min 8088 Intel 386 19711971年第一個年第一個 微處理器微處理器40044004 20002000多個晶體管多個晶體管 10m10m的的PMOSPMOS工藝工藝 19821982年年286286微處理器微處理器 13.413.4萬個晶體管萬個晶體管 頻率頻率6MHz6MHz、8MHz8MHz、10MHz10MHz和和12.5MHz12.5MH

4、z 40444044 Intel 486 Pentium P6 (Pentium Pro) in 1996 150 to 200 MHz clock rate 196 mm*2 5500K transistors (external cache) 0.35 micron 4 layers metal 3.3volt VDD 20W typical power Dissipation 387 pins 19991999年年2 2月，英特爾推出月，英特爾推出Pentium IIIPentium III處理處理 器，整合器，整合950950萬個晶體管，萬個晶體管，0.25m0.25m工藝制造工藝制造

5、 20022002年年1 1月推出的月推出的Pentium 4Pentium 4處理器，其整處理器，其整 合合55005500萬個晶體管，采用萬個晶體管，采用0.13m0.13m工藝生產(chǎn)工藝生產(chǎn) 20022002年年8 8月月1313日，英特爾開始日，英特爾開始90nm90nm制程的突制程的突 破，業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應變硅；破，業(yè)內(nèi)首次在生產(chǎn)中采用應變硅；20052005年年 順利過渡到了順利過渡到了65nm65nm工藝。工藝。 20072007年英特爾推出年英特爾推出45nm45nm正式正式 量產(chǎn)工藝，量產(chǎn)工藝，45nm45nm技術是全新的技術是全新的 技術，可以讓摩爾定律至少再技術，可以

6、讓摩爾定律至少再 服役服役1010年年。 AMD四核四核“Barcelona”處理器處理器 采用采用300mm晶圓，晶圓， 45納米技術制造納米技術制造 二、微電子技術的主要發(fā)展方向二、微電子技術的主要發(fā)展方向(1) 電子信息類產(chǎn)品的開發(fā)明顯出現(xiàn)了兩個特點：電子信息類產(chǎn)品的開發(fā)明顯出現(xiàn)了兩個特點： (1)開發(fā)產(chǎn)品的復雜程度激增開發(fā)產(chǎn)品的復雜程度激增; (2)開發(fā)產(chǎn)品的上市時限緊迫（開發(fā)產(chǎn)品的上市時限緊迫（TTM) 集成電路在電子銷售額中的份額逐年提高集成電路在電子銷售額中的份額逐年提高 已進入后已進入后PC時代時代 計算機（計算機（PC)-Computer 通訊（通訊（Cell Telepho

7、ne )-Communication 消費類電子消費類電子(汽車電子）汽車電子）-Consumption 集成電路追求目標集成電路追求目標3G(G=109)-3T(T=1012) 存儲量（存儲量（GBTByte） 速度（速度（GHzTHz)、 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率(Gbps- Tbps, bits per second) 三個主要發(fā)展方向：三個主要發(fā)展方向： 繼續(xù)增大晶圓尺寸和縮小特征尺寸繼續(xù)增大晶圓尺寸和縮小特征尺寸 集成電路集成電路(IC)將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片將發(fā)展成為系統(tǒng)芯片(SOC) 可編程器件可能取代專用集成電路（可編程器件可能取代專用集成電路（ASIC） 微電子技術與其它領域相結合將

8、產(chǎn)生新產(chǎn)業(yè)和新微電子技術與其它領域相結合將產(chǎn)生新產(chǎn)業(yè)和新 學科學科 二、微電子技術的主要發(fā)展方向二、微電子技術的主要發(fā)展方向(2)(2) 增大晶圓尺寸增大晶圓尺寸 集成電路制造工藝 Single die Going up to 12” (300mm) Wafer 大生產(chǎn)的硅片直徑已經(jīng)從大生產(chǎn)的硅片直徑已經(jīng)從200mm200mm轉入轉入300mm300mm。 20152015年左右有可能出現(xiàn)年左右有可能出現(xiàn)400mm-450mm400mm-450mm直徑的硅片。直徑的硅片。 縮小器件的特征尺寸 所謂特征尺寸是指器件中最小線條寬度所謂特征尺寸是指器件中最小線條寬度, ,常常作為常常作為 技術水平的

9、標志。對技術水平的標志。對MOSMOS器件而言，通常指器件柵電極器件而言，通常指器件柵電極 所決定的溝道幾何長度，是一條工藝線中能加工的最小所決定的溝道幾何長度，是一條工藝線中能加工的最小 尺寸，也是設計采用的最小設計尺寸單位（設計規(guī)則）尺寸，也是設計采用的最小設計尺寸單位（設計規(guī)則） 縮小特征尺寸從而提高集成度是提高產(chǎn)品性能縮小特征尺寸從而提高集成度是提高產(chǎn)品性能/ /價價 格比最有效手段之一。只有特征尺寸縮小了，在同等集格比最有效手段之一。只有特征尺寸縮小了，在同等集 成度的條件下，芯片面積才可以做得更小成度的條件下，芯片面積才可以做得更小, ,而且可以使而且可以使 產(chǎn)品的速度、可靠性都得

10、到提高，相應成本可以降低產(chǎn)品的速度、可靠性都得到提高，相應成本可以降低。 縮小器件的特征尺寸 集成電路最主要的特征參數(shù)的設計規(guī)則從集成電路最主要的特征參數(shù)的設計規(guī)則從 19591959年以來年以來4040年間縮小了年間縮小了140140倍。而平均晶體管價倍。而平均晶體管價 格降低了格降低了107107倍。倍。 特征尺寸：特征尺寸：1010微米微米-1.0-1.0微米微米- -0.80.8 （亞微米亞微米 ） 半微米半微米 0.5 0.5 深亞微米深亞微米 0.35, 0.25, 0.35, 0.25, 0.18, 0.130.18, 0.13 納米納米 90 nm 65 nm 45nm90 n

11、m 65 nm 45nm 微電子技術面臨的挑戰(zhàn)和關鍵技術微電子技術面臨的挑戰(zhàn)和關鍵技術 （1 1）繼續(xù)增大晶圓尺寸）繼續(xù)增大晶圓尺寸 （2 2）Sub-100nmSub-100nm光刻技術光刻技術 （3 3）互連線技術）互連線技術 （4 4）新器件結構與新材料）新器件結構與新材料 INCREASE OF WAFER DIAMETER COMPARISON OF PRODUCTION COSTS (Cu/Low-K 65 nm) 第一個關鍵技術：第一個關鍵技術：Sub-100nmSub-100nm光刻光刻 193nm193nm（immersion)immersion) 光刻技術成為光刻技術成為

12、Sub-100nm(90nm-32/22nm)Sub-100nm(90nm-32/22nm)工藝的功臣工藝的功臣 新的一代曝光技術？新的一代曝光技術？ 傳統(tǒng)的鋁互聯(lián)（電導率低、易加工）傳統(tǒng)的鋁互聯(lián)（電導率低、易加工） 銅互連首先在銅互連首先在0.25/0.18m0.25/0.18m技術中使用技術中使用 在在0.13m0.13m以后，銅互連與低介電常數(shù)絕以后，銅互連與低介電常數(shù)絕 緣材料共同使用（預測可縮到緣材料共同使用（預測可縮到20nm20nm） 高速銅質(zhì)接頭和新型低高速銅質(zhì)接頭和新型低-k-k介質(zhì)材料介質(zhì)材料, ,探探 索碳納米管等替代材料索碳納米管等替代材料 第二個關鍵技術：多層互連技術

13、第二個關鍵技術：多層互連技術 器件及互連線延遲器件及互連線延遲 0 0 0.50.5 1 1 1.51.5 2 2 2.52.5 3 3 3.53.5 4 4 199719971999199920012001200320032006200620092009 延遲值延遲值(ns)(ns) 器件內(nèi)部延遲器件內(nèi)部延遲 2 2厘米連線延遲厘米連線延遲 （bottom layerbottom layer） 2 2厘米連線延遲厘米連線延遲 （top layertop layer） 2 2厘米連線延遲約束厘米連線延遲約束 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小 新型器件結構新型器件結構-

14、-高性能、低功耗晶體管高性能、低功耗晶體管 FinFET Nano Electronic Device 新型材料體系新型材料體系 SOI材料材料 應變硅應變硅 高高K介質(zhì)介質(zhì) 金屬柵電極金屬柵電極 第三個關鍵技術第三個關鍵技術:新器件與新材料新器件與新材料 Challenges to CMOS Device Scaling 1.Electrostatics Double Gate - Retain gate control over channel - Minimize OFF-state drain-source leakage 2.Transport High Mobility Chann

15、el - High mobility/injection velocity - High drive current for low intrinsic delay 3.Parasitics Schottky S/D - Reduced extrinsic resistance 4. Gate leakage High-K Dielectrics - Reduced power consumption 5. Gate depletion Metal Gate 1 2 3 BULK 4 5 nSi CMOS is expected to dominate for at least the nex

16、t 10 - 15 years nwhile scaling of traditional FETs is expected to slow in the next 5-10 years, so finding ways to add function and improve performance of future ICs with new materials and device structures is crucial. SOI(Silicon-On-Insulator） 絕緣襯底上的硅技術絕緣襯底上的硅技術 QUASI-PLANAR SOI FinFET 10 nm GATE LE

17、NGTH FinFET 隨著隨著 超薄柵超薄柵 氧化層氧化層 柵氧化層的勢壘柵氧化層的勢壘 G SD 直接隧穿的泄漏電流直接隧穿的泄漏電流 柵氧化層厚度小于柵氧化層厚度小于 3nm后后 tgate 大量的大量的 晶體管晶體管 重摻雜多晶硅重摻雜多晶硅 SiO2 硅化物硅化物 經(jīng)驗關系經(jīng)驗關系: L T ox Xj1/3 90nm90nm65nm65nm工藝：柵極柵介質(zhì)已經(jīng)縮小到工藝：柵極柵介質(zhì)已經(jīng)縮小到1.2nm1.2nm了了 （約等于（約等于5 5個原子厚度）柵極柵介質(zhì)太薄，就會造成漏電電流穿透個原子厚度）柵極柵介質(zhì)太薄，就會造成漏電電流穿透 在在45nm45nm工藝中采用工藝中采用High

18、HighK K金屬柵極晶體管金屬柵極晶體管 使摩爾定律得到了延伸（可以到使摩爾定律得到了延伸（可以到35nm35nm、25nm25nm工藝）工藝） 隧穿效應隧穿效應 SiO2的性質(zhì)的性質(zhì) 柵介質(zhì)層柵介質(zhì)層Tox 1納米納米 量子隧穿模型量子隧穿模型 高高K介質(zhì)介質(zhì)? ? 雜質(zhì)漲落雜質(zhì)漲落 器件溝道區(qū)中的雜器件溝道區(qū)中的雜 質(zhì)數(shù)僅為百的量級質(zhì)數(shù)僅為百的量級 統(tǒng)計規(guī)律統(tǒng)計規(guī)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 Tox p 型硅型硅 n+n+ 多晶硅

19、多晶硅 NMOSFET 柵介質(zhì)層柵介質(zhì)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(zhì)層中電場時，柵介質(zhì)層中電場 約為約為5MV/cm，硅中電場約，硅中電場約1MV/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 誕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 Which can replace Si CMOS? Targets: Lower cost Less power consumption Higher performance DNA IC Single electron transistor (SET

20、) Spintronics Carbon Nanotube (CNT) Molecular Devices NANOELECTRONIC DEVICE OPTIONS SOC System On A Chip 集成電路走向系統(tǒng)芯片集成電路走向系統(tǒng)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 Vdd A B Out PE L2 MEM Math Bus Controller IO Graphics PCB集成集成 工藝無關工藝無關 系統(tǒng)系統(tǒng) 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

21、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(xié)：軟硬件協(xié) 同設計同設計 集成電路走向系統(tǒng)芯片集成電路走向系統(tǒng)芯片 SOC與與IC的設計原理是不同的，它是微電子的設計原理是不同的，它是微電子 設計領域的一場革命。設計領域的一場革命。 SOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制 、模型算法、軟件（特別是芯片上的操作系統(tǒng)、模型算法、軟件（特別是芯片上的操作系統(tǒng) -嵌入式的操作系統(tǒng)）、芯片結構、各層次電嵌入式的操作系統(tǒng)）、芯片結構、各層次電 路直至器件的設計緊密結合起

22、來，在單個芯片路直至器件的設計緊密結合起來，在單個芯片 上完成整個系統(tǒng)的功能。它的設計必須從系統(tǒng)上完成整個系統(tǒng)的功能。它的設計必須從系統(tǒng) 行為級開始自頂向下（行為級開始自頂向下（Top-Down）。）。 SOC主要三個關鍵支持技術主要三個關鍵支持技術 軟、硬件的協(xié)同設計技術軟、硬件的協(xié)同設計技術 面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（ Functional Partition Theory）。硬件和軟件更加緊密）。硬件和軟件更加緊密 結合不僅是結合不僅是SOC的重要特點，也是的重要特點，也是21世紀世紀IT業(yè)發(fā)展的業(yè)發(fā)展的 一大趨勢。一大趨勢。 IP模

23、塊庫的復用技術模塊庫的復用技術 IP模塊有三種：模塊有三種： 軟核軟核-主要是功能描述；主要是功能描述； 固核固核-主要為結構設計；主要為結構設計； 硬核硬核-基于工藝的物理設計，與工藝相關，并經(jīng)基于工藝的物理設計，與工藝相關，并經(jīng) 過工藝驗證的。其中以硬核使用價值最高。過工藝驗證的。其中以硬核使用價值最高。CMOS的的 CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和快閃存儲器以及和快閃存儲器以及 A/D、D/A等都可以成為硬核。等都可以成為硬核。 模塊界面間的綜合分析技術模塊界面間的綜合分析技術 主要包括主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術和模塊間的膠聯(lián)邏輯技術和IP模塊綜合分模塊綜合分 析及其實現(xiàn)

24、技術等。析及其實現(xiàn)技術等。 現(xiàn)場可編程門陣列現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)(FPGA)替代替代 專用集成電路（專用集成電路（ASICASIC） 用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作用可編程邏輯技術把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，稱作SOPCSOPC。 “整個市場都認為這是半導體的未來。整個市場都認為這是半導體的未來?！?MEMS技術和生物信息技術將成為技術和生物信息技術將成為 下一代半導體主流技術下一代半導體主流技術 MEMS技術技術將微電子技術和精密機械加工技術相互融將微電子技術和精密機械加工技術相互融 合，實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。從廣義上合，實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。從廣義上 講，講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處 理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體 的微機電系統(tǒng)