芯片發(fā)展歷程與莫爾定律

1、李 明材料科學(xué)與工程學(xué)院芯片發(fā)展歷程與莫爾定律晶體管結(jié)構(gòu)及其作用芯片微納制造技術(shù)第1個晶體管的誕生l1947.12.23 點接觸式晶體管 By Bardeen & Brattainl第一篇關(guān)于晶體管的文章 Br Websters “The transistor, a semiconductor triode”（晶體管，一個半導(dǎo)體三級管）l“Transistor =transfer + resistor, （晶體管傳輸+電阻） Transferring electrical signal across a resistor”（經(jīng)過一個電阻傳輸點信號）l場效應(yīng)晶體管理論場效應(yīng)晶體管理論通過

2、表面電荷調(diào)制半導(dǎo)體薄膜的電導(dǎo)通過表面電荷調(diào)制半導(dǎo)體薄膜的電導(dǎo) 率率 (Phys. Rev. 74, 232,1948)l1956 Nobel 物理獎：物理獎：Bardeen, Brattain and Shockley場效應(yīng)晶體管理論的建立l1950-1956: 基本晶體管制造技術(shù)發(fā)展基本晶體管制造技術(shù)發(fā)展l-從基于鍺的器件轉(zhuǎn)為硅襯底從基于鍺的器件轉(zhuǎn)為硅襯底l-從合金化制造從合金化制造 p/n結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散制備結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散制備pn結(jié)結(jié)l1950 擴散結(jié)擴散結(jié)(Hall, Dunlap; GE)l1952 結(jié)型場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管 ( Shockley; Bell Lab)l1954 第一

3、個硅晶體管第一個硅晶體管(TI：德州儀器）：德州儀器）)l1955 擴散結(jié)和晶體管結(jié)合擴散結(jié)和晶體管結(jié)合(Bell Lab)晶體管制造工藝的摸索第1個集成電路的發(fā)明第第1個個IC鍺襯底，臺式結(jié)構(gòu)、鍺襯底，臺式結(jié)構(gòu)、2個晶體管、個晶體管、2個電容、個電容、8個電阻，黑蠟保護刻蝕，打線結(jié)合個電阻，黑蠟保護刻蝕，打線結(jié)合4千千2百萬個晶體管、百萬個晶體管、尺寸：尺寸：224mm2Intel P4J. Kilbyl集成電路之父集成電路之父l2000 Nobel 物理物理獎獎l1958.9.12發(fā)明了發(fā)明了第第1個個IC“Solid Circuit” 距離晶體管發(fā)明已經(jīng)過去距離晶體管發(fā)明已經(jīng)過去11年，

4、年，why？ 第一個第一個Si單片電路單片電路IC-“微芯微芯片片 ” b y R . N o y c e (Fairchild, IC技術(shù)創(chuàng)始人之技術(shù)創(chuàng)始人之一一)第1個在Si單片上實現(xiàn)的集成電路l 1958-1960 基本IC工藝和器件進一步- 氧化工藝(Atalla; bell Lab)- PN結(jié)隔離(K. Levovec)- Al金屬膜的蒸發(fā)制備- 平面工藝技術(shù)(J. Hoerni; Fairchild) l1959-63 MOS 器件與工藝-1959 MOS 電容 (J. Moll; Stanford)-1960-63 Si表面和MOS器件研究 (Sah, Deal, Grove)-

5、1962 PMOS (Fairchild); NMOSFET (美國無線電公司)-1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild)IC制造工藝的進步From SSI to VLSI/ULSIl小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路(SSI) 2-30l中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路 (MSI) 30-103l大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 (LSI) 103-5l超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路(VLSI: Very Large ) 105-7l甚大規(guī)模甚大規(guī)模ULSI(Ultra Large) 107-9l極大規(guī)模極大規(guī)模SLSI(Super Large) 109l巨大規(guī)模巨大規(guī)模(

6、GSI: Gigantic/Giga)晶體管數(shù)目晶體管數(shù)目IC芯片中晶體管（腦細胞）數(shù)目制造技術(shù)制造技術(shù)Si 和其他材料的開發(fā)和其他材料的開發(fā)器件物理器件物理電路和系統(tǒng)電路和系統(tǒng)-IC快速發(fā)展強烈依賴材料與技術(shù)研發(fā)性能性能(速度、能力可靠性速度、能力可靠性)功能從簡單邏輯門到復(fù)雜系統(tǒng)功能從簡單邏輯門到復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)量、價格、應(yīng)用產(chǎn)量、價格、應(yīng)用集成度提高集成度提高-新工藝技術(shù)新工藝技術(shù)l1958-1967 SSI *平面工藝平面工藝l1968-1977 LSI *離子注入摻雜離子注入摻雜*多晶硅柵極多晶硅柵極*局部硅氧化的器件隔離技術(shù)局部硅氧化的器件隔離技術(shù)*單晶管單晶管 DRAM by R. D

7、enard (1968 patent)*微處理器微處理器( 1971, Intel)IC快速發(fā)展強烈依賴材料與技術(shù)研發(fā)l1978-1987 VLSI*精細光刻技術(shù)精細光刻技術(shù)(電子束制備掩膜版電子束制備掩膜版)*等離子體和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)等離子體和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)*磁控濺射制備薄膜磁控濺射制備薄膜l1988-1997 ULSI * 亞微米和深亞微米技術(shù)亞微米和深亞微米技術(shù) * 深紫外光刻和圖形技術(shù)深紫外光刻和圖形技術(shù)集成度提高集成度提高-新工藝技術(shù)新工藝技術(shù)IC快速發(fā)展強烈依賴材料與技術(shù)研發(fā)l1998- 2007 SoC/SLSI, 納米尺度納米尺度CMOS*Cu 和和 Low-k 互連技術(shù)互

8、連技術(shù)*High-k 柵氧化物柵氧化物*絕緣體上絕緣體上SOI, etcl2008-集成度提高集成度提高-新工藝技術(shù)新工藝技術(shù)IC快速發(fā)展強烈依賴材料與技術(shù)研發(fā)新制造方法新制造方法 300mm equipment Processing chemistries Alliances Advanced Process Control Integrated metrology 新材料新材料 Copper Interconnects Silicon-On-Insulator (SOI) Low-k Silicon Germanium (SiGe) Strained Silicon 新封裝形式新封裝形式

9、Flip Chip Wafer Scale Packaging 3D Packaging System in a package器件、電路新原理器件、電路新原理System-on-Chip (SOC)Magnetoresistive RAMDouble-gate TransistorsCarbon Nanotube TransistorsBiological and Molecular Self-assemblySource: FSI International, Inc.IC快速發(fā)展源泉材料與技術(shù)研發(fā)Moores LawGordon Moore, “Cramming More Compone

10、nts Onto IntegratedCircuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.莫爾定律lIntel創(chuàng)始人Gordon Moorel1965年提出l集成電路的集成度，每18-24個月提高一倍l1960 以來，Moore定律一直有效芯片上晶體管（腦細胞）尺寸隨時間不斷縮小的規(guī)律Moores observation about silicon integration (cost, yield, and reliability) has fueled the worldwide technology revolution: (1)

11、IC miniaturization down to nanoscale and (2) SoC based system integration.莫爾定律原始依據(jù)莫爾定律的有效性延續(xù)至今莫爾定律的有效性延續(xù)至今莫爾定律特征尺寸l特征尺寸是指器件中最小線條寬度特征尺寸是指器件中最小線條寬度, ,為技術(shù)水平為技術(shù)水平的標(biāo)志的標(biāo)志l對對MOSMOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝器件而言，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尺寸道幾何長度，是一條工藝線中能加工的最小尺寸l也是設(shè)計采用的最小設(shè)計尺寸單位（設(shè)計規(guī)則）也是設(shè)計采用的最小設(shè)計尺寸單位（設(shè)計規(guī)則） l縮小特征

12、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/ /價格比最有效手段之一價格比最有效手段之一集成度提高一倍，特征尺寸*0.7l集成電路的特征參數(shù)從集成電路的特征參數(shù)從19591959年以來縮小了年以來縮小了140140倍倍l平均晶體管價格降低了平均晶體管價格降低了107107倍。倍。l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, 0.18, 0.35, 0.25, 0.18, 0.13 0.13 納米納米 90 nm 65 nm 45nm90 n

13、m 65 nm 45nm 32nm/2009 28nm/2011 22nm/2012IC Industry: “Make it big in a make-it-small business”!IC工業(yè)就是一個在做小中做大的生意工業(yè)就是一個在做小中做大的生意莫爾定律特征尺寸lMOSMOS尺寸縮小尺寸縮小莫爾定律特征尺寸l全球最大代工廠商臺積電是唯一一家具體公布20nm工藝量產(chǎn)時間的企業(yè)預(yù)定2012年下半年量產(chǎn)l臺積電（TSMC）于2010夏季動工建設(shè)的新工廠打算支持直至7nm工藝的量產(chǎn) l英特爾微細化競爭中固守頭把交椅。從英特爾的發(fā)展藍圖來看，預(yù)計該公司將從2011年下半年開始22nm工藝的量

14、產(chǎn)。l美國Achronix半導(dǎo)體（Achronix Semiconductor）于當(dāng)?shù)貢r間2010年11月1日宣布，將采用英特爾的22nm級工藝制造該公司的新型FPGA“Speedster22i” lCMOS技術(shù)的觀點而言，2220nm工藝對各公司來說均是3228nm工藝的延伸技術(shù)，也就是說很可能會通過使用高介電率（high-k）柵極絕緣膜/金屬柵極的平面（Plane）CMOS來實現(xiàn)。那么，15nm工藝以后的CMOS技術(shù)又將如何發(fā)展？ 莫爾定律今后適用性？lSOC與與IC的設(shè)計原理是不同的，它是微電子設(shè)計領(lǐng)域的設(shè)計原理是不同的，它是微電子設(shè)計領(lǐng)域的一場革命。的一場革命。lSOC是從整個系統(tǒng)的角

15、度出發(fā)，把處理機制、模型算是從整個系統(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)法、軟件（特別是芯片上的操作系統(tǒng)-嵌入式的操作系嵌入式的操作系統(tǒng)）、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)統(tǒng)）、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密結(jié)合起來，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。它的設(shè)合起來，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。它的設(shè)計必須從系統(tǒng)行為級開始自頂向下（計必須從系統(tǒng)行為級開始自頂向下（Top-Down）。）。集成電路走向系統(tǒng)芯片集成電路走向系統(tǒng)芯片芯片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢SOC集成電路走向系統(tǒng)芯片集成電路走向系統(tǒng)芯片SOCSystem On A Chip芯片制造技術(shù)的發(fā)展趨

16、勢10納米以下的碳納米管石墨烯石墨烯有望替代半導(dǎo)體有望替代半導(dǎo)體芯片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢l石墨烯石墨烯美國倫斯勒理工學(xué)美國倫斯勒理工學(xué)院成功在上生成帶隙院成功在上生成帶隙l用水就能變成半導(dǎo)體用水就能變成半導(dǎo)體l石墨烯本身并沒有帶隙，只具石墨烯本身并沒有帶隙，只具有金屬一樣的特性有金屬一樣的特性 l石墨烯吸收了空氣中的水分后，石墨烯吸收了空氣中的水分后，在石墨烯上生成帶隙。而且，在石墨烯上生成帶隙。而且，可通過調(diào)節(jié)溫度、在可通過調(diào)節(jié)溫度、在00.2eV的范圍內(nèi)自由設(shè)定帶隙值。的范圍內(nèi)自由設(shè)定帶隙值。 石墨烯石墨烯10納米以下的碳納米管器件納米以下的碳納米管器件lMEMS技術(shù)技術(shù)將微電子技術(shù)和精密機械加工技術(shù)相互融合，實將微電子技術(shù)和精密機械加工技術(shù)相互融合，實現(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)?，F(xiàn)了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。l 微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合的以微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合的以DNA芯片等為代表的生物芯片等為代表的生物工程芯片將是工程芯片將是21世紀(jì)微電子領(lǐng)域的另一個熱點和新的經(jīng)濟增世紀(jì)微電子領(lǐng)域的另一個熱點和新的經(jīng)濟增長點。長點。 l采用微電子加工技術(shù)，在指