大规模集成电路

1、2016大规模集成电路的发展趋势和面临的挑战本文主要从三个方面讲述大规模集成电路的发展趋势和面临的挑战1肉发艹目前发展方向发展中面临的挑战1、大规模集成电路的发展历程（简述）一是不断开发新的技术与材料，使电路的集成度不断提高。二是利用现有的技术开发出适应不同行业的专用集成电路。从第一块集成电路板，到现代大规模集成电路的历程1、设计复杂，投入巨大IC产业是科技含量非常高的产业。2、IC芯片生产面临诸多的极限3、光刻技术的极限集成电路50年发展史：更快更小更低廉发展历史1958年，美国德州仪器公司展示了全球第一块集成电路板，这标志着世界从此进入到了集成电路的时代。集成电路具有体积小、重量轻、寿命长

2、和可靠性高等优点，同时成本也相对低廉，便于进行大规模生产。在近50年的时间里，集成电路已经广泛应用于工业、军事、通讯和遥控等各个领域。用集成电路来装配电子设备，其装配密度相比晶体管可以提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可以大大提高。1、第一块集成电路板几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，就几根零乱的电线将五个电子元件连接在一起，就形成了历史上第一个集成电路。虽然它看起来并形成了历史上第一个集成电路。虽然它看起来并不美观，但事实证明，其工作效能要比使用离散不美观，但事实证明，其工作效能要比使用离散的部件要高得多。历史上第一个集成电路出自杰的部件要高得多。历史上第一个集成电路出自杰克克-

3、 -基尔比之手。当时，晶体管的发明弥补了电子基尔比之手。当时，晶体管的发明弥补了电子管的不足，但工程师们很快又遇到了新的麻烦。管的不足，但工程师们很快又遇到了新的麻烦。为了制作和使用电子电路，工程师不得不亲自手为了制作和使用电子电路，工程师不得不亲自手工组装和连接各种分立元件，如晶体管、二极管、工组装和连接各种分立元件，如晶体管、二极管、电容器等。很明显，这种做法是不切实际的。于电容器等。很明显，这种做法是不切实际的。于是，基尔比提出了集成电路的设计方案。是，基尔比提出了集成电路的设计方案。2、半导体设备与铅结构模型在20世纪50年代，许多工程师都想到了这种集成电路的概念。美国仙童公司联合创始

4、人罗伯特-诺伊斯就是其中之一。在基尔比研制出第一块可使用的集成电路后，诺伊斯提出了一种“半导体设备与铅结构”模型。1960年，仙童公司制造出第一块可以实际使用的单片集成电路。诺伊斯的方案最终成为集成电路大规模生产中的实用技术。基尔比和诺伊斯都被授予“美国国家科学奖章”。他们被公认为集成电路共同发明者。3、戈登-摩尔提出摩尔定律英特尔公司的联合创始人之一戈登-摩尔也在集成电路的早期发展进程中扮演着重要的角色。早在1965年，摩尔就曾对集成电路的未来作出预测。他推算，到1975年每块芯片上集成的电子元件数量将达到65000个。而实际上，每过12个月芯片上集成的电子元件数量都会翻一番。这就是现在我们

5、所了解的计算机“摩尔定律”4、集成电路工艺突飞猛进随着电子技术的继续发展，超大规模集成电路应运而生。1967年出现了大规模集成电路，集成度迅速提高；1977年超大规模集成电路面世，一个硅晶片中已经可以集成15万个以上的晶体管；1988年，16M DRAM问世，1平方厘米大小的硅片上集成有3500万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段；1997年，300MHz奔腾问世,采用0.25工艺，奔腾系列芯片的推出让计算机的发展如虎添翼，发展速度让人惊叹，至此，超大规模集成电路的发展又到了一个新的高度。集成电路的集成度从小规模到大规模、再到超大规模的迅速发展，关键就在于集成电路的布图设计水

6、平的迅速提高，集成电路的布图设计由此而日益复杂而精密。这些技术的发展，使得集成电路的发展进入了一个新的发展的里程碑。相信随着科技的发展，集成电路还会有更高的发展。集成电路发展的过程中一直遵循美国INTEL公司的创始人之一戈登.摩尔在1965年发表的摩尔定律，即集成电路的集成度每三年翻两番。预计今后15年内集成电路的发展仍服从这一定律。超大规模集成电路发展趋势Hi集成电路沿着按比例缩小原理 , 以摩尔定律所预测的时间表向前推进 。 目前 , 已进人 0.13um0.18um，圆片直径 300mm生产阶段。集成度的不断提高离不开以下技术的发展：微细加工技术 ( 包括特征尺寸接近 100mm时所涉及

7、的诸如栅和层间电介质新材料 、 高电导率互连新技以及掺杂 、光刻 、腐蚀 、热处理 等创新加工技术 ) 。工艺集成和器件结构技术 ( 包括工艺流程方法学 、器件结构学 、不同工艺兼容 , 不同电路嵌人技术等 ) 。设计与测试技术 ( 包括适宜片上系统集成的设计方法学、标准化、认证与分析技术等 ) 。组装和封装技术 ( 包括适宜片上系统集成芯片封装的结构学 、热学 、力学等 ) 。大生产相关技术 ( 包括缺陷 、沽污控制、工艺参数与微结构分析、建模和仿真、生产网络规划学等 ) 。沿着上述持续缩小尺寸途径发展、随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟, 应用领域 的不断扩大 , 因此 , 不同类型的

8、集成电路相互镶嵌 , 形成了各种嵌人式系统和片上系统(即 S O C ) 。 世界集成电路生产目前已经进入纳米时代，全球多条90纳米/12英寸生产线用于规模化生产，基于70与65纳米之间水平线宽的生产技术已经基本成形，Intel公司的CPU芯片已经采用45纳米的生产工艺。在世界最高水平的单片集成电路芯片上，所容纳的元器件数量已经达到80多亿个。由于微细加工技术不断成熟和应用领域不断扩大 ,带动一系列交叉学科及其有 关技术的发展 , 例如微电子机械系统 ( M EM S ) 、微光电系统 ( M OE S ) 等。 世界集成电路（）工业的产值，年间成长了个数量级，预计今年将达到 元（人民币）。这

9、种规模的高速持续增长，在人类技术史上是空前的。今后，已经进入纳米加工水准的是否仍可保持过去年的成长速度？其所面临 的主要挑战是什么？大规模集成电路发展中面临的挑战三、超大规模集成电路发展过程中遇到的挑战:1、设计复杂，投入巨大IC产业是科技含量非常高的产业。IC芯片的生产过程有两个阶段芯片设计和芯片制造。其过程中涉及微电子学、光学、机械学、材料学、软件技术、光电子学和微光机电学等等。单单如此多的学科的人才建设已非同小可，更不谈动辄成万上亿的加工生产线的投资。随着IC业加工线宽的不断减小、生产规模的越来越大，随之而来的是每一次新的设计都需要生产线的更新换代其所需投资规模也越来越大。2、IC芯片生

10、产面临诸多的极限1、光刻技术的极限芯片的发展，主要是依靠其加工线宽的不断减小使得在硅片上最大地利用空间，加工出单位体积上最多个数的功能元件【通常根据线宽把芯片工艺划分为亚微米工艺(05斗m以上)深亚微米工艺(013斗mO35斗m)超深亚微米工艺(01岬以下)】。目前，Ic加工工艺已经进入超深亚微米阶段，主要以90nm、65nm加工技术为主，研发进度大概在45nm左右。 光刻工艺对半导体的集成度有着决定性的作用。光刻是利用激光对芯片进行刻蚀加工的过程。半导体的加工最小线宽是由光刻设备所采用的激光波长决定的，激光波长越短，所能加工出来的芯片线宽也就越小，那么半导体的集成度也就越高，即单位面积上可加

11、工成的元件个数越多。目前光刻设备所使用的光源相对于半导体加工线宽而言已基本达到其分辨率的理论极限，想进一步减小芯片加工线宽，提高半导体集成电路集成度须采用波长更短的激光光源。22、 MOS管的加工极限PAGE 18MOS管是半导体集成电路中最基本的单元，MOS管的尺寸大小直接决定着半导体集成电路的集成效率。MOS管加工过程中栅氧化层厚度是决定MOS管最小尺寸的非常重要的一个因数。当电路的特征线宽进入0.1um时，栅及氧化层厚度仅为15nm一2nm，相当于20个原子层。在如此薄的厚度下，对其加工是有相当的难度的特别是在清洗和栅刻蚀过程中不能对这层薄栅造成损伤。23、功耗越来越大PAGE 18He

12、ader Info OneAMOS管器件在正常工作状态下的功耗；Header Info TwoB栅氧化层由于过薄而漏电造成的功耗；Header Info ThreeC管间连线以及内外连线所造成的功耗。工作温度越来越高 集成电路的功耗主要来自三个部分： 就集成电路中的MOS管而言一个小小的芯片中有成万上亿个(现在的主流电脑CPu芯片中的MOS管已经达到十多亿个)。哪怕每个M0s管的功耗再小其累积总量也是“大的惊人”。随着半导体电路的集成度越来越高其功耗值也就越来越大。另外，随着集成度的越来越高，MOS管做的也越来越小，直接导致栅氧化层的厚度越来越薄，从而造成栅源之间漏电流的增加，最终此方面的功耗

13、也相应增加。集成度的提高也造成了管间连线的增加，这也为整个芯片“贡献”了不小的功耗。目前，一些集成度较高的芯片其功耗已经达到150w左右，100W白炽灯在工作时其表面的温度已经非常之高，人手基本不能接触摸。芯片在那么小的体积下有150W的功耗，将会产生更大的热量。这些热量如果不能及时的排出，那会是很危险的事件。一旦芯片温度达到150度，少则芯片不能正常工作，多则造成芯片的彻底损坏。24、工艺加工精度难以严格控制由于机械的加工精度都有一定的极限，即使最精密的机床，在纳米级加工尺度上都不能严格控制其精度，再加上近年来光刻设备的加工精度已经几乎接近其理论极限，故存在一定的偏差是难以避免的。对有十多亿个单元的芯片而言，其偏差所造成的成品率，以及性能和功耗上面的负面影响也是非常巨大的。PAGE 25总结 当今世界经济发展趋势在经济全球化在