微电子技术进展

1、内容简介内容简介 微电子技术历史简要回顾微电子技术历史简要回顾 微电子技术发展方向微电子技术发展方向 增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸面临的挑战和增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸面临的挑战和几个关键技术几个关键技术 集成电路集成电路(IC)发展成为系统芯片发展成为系统芯片(SOC)可编程器件可能取代专用集成电路（可编程器件可能取代专用集成电路（ASIC） 微电子技术与其它领域相结合将产生新产业微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和学科和学科 19521952年年5 5月，英国科学家月，英国科学家G. W. A. DummerG. W. A. Dummer第一次提出了集成电路的设想第一次提出了集成电路的设

2、想 19581958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比比(Clair Kilby)(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于世界上第一块集成电路，并于19591959年公布。年公布。1958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器件，个器件，Ge晶片晶片晶体管的发明晶体管的发明1947年年12月月23日日第一个晶体管第一个晶体管NPN Ge晶体管晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. BrattainThe Moores LawMoores Law: Qua

3、ntitative微电子技术是微电子技术是50年来发展最快的技术年来发展最快的技术大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min8088Intel 38619711971年第一个年第一个微处理器微处理器4004400420002000多个晶体管多个晶体管10m10m的的PMOSPMOS工艺工艺19821982年年286286微处理器微处理器13.413.4万个晶体管万个晶体管频率频率6MHz6MHz、8MHz8MHz、10MHz10MHz和和12.5MHz12.5MHz40444044Intel 486PentiumP6

4、 (Pentium Pro) in 1996150 to 200 MHz clock rate196 mm*25500K transistors(external cache)0.35 micron4 layers metal3.3volt VDD20W typical powerDissipation387 pins19991999年年2 2月，英特尔推出月，英特尔推出Pentium IIIPentium III处理处理器，整合器，整合950950万个晶体管，万个晶体管，0.25m0.25m工艺制造工艺制造20022002年年1 1月推出的月推出的Pentium 4Pentium 4处理器，

5、其整处理器，其整合合55005500万个晶体管，采用万个晶体管，采用0.13m0.13m工艺生产工艺生产 20022002年年8 8月月1313日，英特尔开始日，英特尔开始90nm90nm制程的突制程的突破，业内首次在生产中采用应变硅；破，业内首次在生产中采用应变硅；20052005年年顺利过渡到了顺利过渡到了65nm65nm工艺。工艺。 20072007年英特尔推出年英特尔推出45nm45nm正式正式量产工艺，量产工艺，45nm45nm技术是全新的技术是全新的技术，可以让摩尔定律至少再技术，可以让摩尔定律至少再服役服役1010年年。 AMD四核四核“Barcelona”处理器处理器 采用采用

6、300mm晶圆，晶圆， 45纳米技术制造纳米技术制造二、微电子技术的主要发展方向二、微电子技术的主要发展方向(1) 电子信息类产品的开发明显出现了两个特点：电子信息类产品的开发明显出现了两个特点： (1)开发产品的复杂程度激增开发产品的复杂程度激增; (2)开发产品的上市时限紧迫（开发产品的上市时限紧迫（TTM) 集成电路在电子销售额中的份额逐年提高集成电路在电子销售额中的份额逐年提高已进入后已进入后PC时代时代 计算机（计算机（PC)-Computer 通讯（通讯（Cell Telephone )-Communication 消费类电子消费类电子(汽车电子）汽车电子）-Consumption

7、集成电路追求目标集成电路追求目标3G(G=109)-3T(T=1012) 存储量（存储量（GBTByte） 速度（速度（GHzTHz)、 数据传输率数据传输率(Gbps- Tbps, bits per second) 三个主要发展方向：三个主要发展方向： 继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸集成电路集成电路(IC)将发展成为系统芯片将发展成为系统芯片(SOC) 可编程器件可能取代专用集成电路（可编程器件可能取代专用集成电路（ASIC）微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科学科二、微电子技术的主要发展方向二、微电子技术的主

8、要发展方向(2)(2)增大晶圆尺寸增大晶圆尺寸集成电路制造工艺Single dieGoing up to 12” (300mm)Wafer大生产的硅片直径已经从大生产的硅片直径已经从200mm200mm转入转入300mm300mm。20152015年左右有可能出现年左右有可能出现400mm-450mm400mm-450mm直径的硅片。直径的硅片。 缩小器件的特征尺寸 所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度, ,常常作为常常作为技术水平的标志。对技术水平的标志。对MOSMOS器件而言，通常指器件栅电极器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加

9、工的最小所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则）尺寸，也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则） 缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能/ /价价格比最有效手段之一。只有特征尺寸缩小了，在同等集格比最有效手段之一。只有特征尺寸缩小了，在同等集成度的条件下，芯片面积才可以做得更小成度的条件下，芯片面积才可以做得更小, ,而且可以使而且可以使产品的速度、可靠性都得到提高，相应成本可以降低产品的速度、可靠性都得到提高，相应成本可以降低。 缩小器件的特征尺寸 集成电路最主要的特征参数的设计规则从集成电路最

10、主要的特征参数的设计规则从19591959年以来年以来4040年间缩小了年间缩小了140140倍。而平均晶体管价倍。而平均晶体管价格降低了格降低了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（亚微米（亚微米 ）半微米半微米 0.5 0.5 深亚微米深亚微米 0.35, 0.25, 0.35, 0.25, 0.18, 0.130.18, 0.13 纳米纳米 90 nm 65 nm 45nm90 nm 65 nm 45nm 微电子技术面临的挑战和关键技术微电子技术面临的挑战和关键技术（1 1）继续增大晶圆尺寸）继续增大晶圆尺寸（2 2）Sub

11、-100nmSub-100nm光刻技术光刻技术（3 3）互连线技术）互连线技术（4 4）新器件结构与新材料）新器件结构与新材料INCREASE OF WAFER DIAMETERCOMPARISON OF PRODUCTION COSTS(Cu/Low-K 65 nm)第一个关键技术：第一个关键技术：Sub-100nmSub-100nm光刻光刻193nm193nm（immersion)immersion) 光刻技术成为光刻技术成为 Sub-100nm(90nm-32/22nm)Sub-100nm(90nm-32/22nm)工艺的功臣工艺的功臣新的一代曝光技术？新的一代曝光技术？ 传统的铝互联（

12、电导率低、易加工）传统的铝互联（电导率低、易加工）铜互连首先在铜互连首先在0.25/0.18m0.25/0.18m技术中使用技术中使用在在0.13m0.13m以后，铜互连与低介电常数绝以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用（预测可缩到缘材料共同使用（预测可缩到20nm20nm）高速铜质接头和新型低高速铜质接头和新型低-k-k介质材料介质材料, ,探探索碳纳米管等替代材料索碳纳米管等替代材料第二个关键技术：多层互连技术第二个关键技术：多层互连技术器件及互连线延迟器件及互连线延迟0 00.50.51 11.51.52 22.52.53 33.53.54 419971997199919992001

13、2001200320032006200620092009延迟值延迟值(ns)(ns)器件内部延迟器件内部延迟2 2厘米连线延迟厘米连线延迟（bottom layerbottom layer）2 2厘米连线延迟厘米连线延迟（top layertop layer）2 2厘米连线延迟约束厘米连线延迟约束互连技术与器件特征尺寸的缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小 新型器件结构新型器件结构- -高性能、低功耗晶体管高性能、低功耗晶体管 FinFET Nano Electronic Device 新型材料体系新型材料体系 SOI材料材料 应变硅应变硅 高高K介质介质 金属栅电极金属栅电极第三个关键技术第三个

14、关键技术:新器件与新材料新器件与新材料 Challenges to CMOS Device Scaling1.Electrostatics Double Gate - Retain gate control over channel - Minimize OFF-state drain-source leakage2.Transport High Mobility Channel - High mobility/injection velocity - High drive current for low intrinsic delay3.Parasitics Schottky S/D - R

15、educed extrinsic resistance4. Gate leakage High-K Dielectrics - Reduced power consumption5. Gate depletion Metal Gate123BULK45nSi CMOS is expected to dominate for at least the next 10 - 15 yearsnwhile scaling of traditional FETs is expected to slow in the next 5-10 years, so finding ways to add func

16、tion and improve performance of future ICs with new materials and device structures is crucial.SOI(Silicon-On-Insulator） 绝缘衬底上的硅技术绝缘衬底上的硅技术 QUASI-PLANAR SOI FinFET10 nm GATE LENGTH FinFET 随着随着超薄栅超薄栅氧化层氧化层栅氧化层的势垒栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于栅氧化层厚度小于 3nm后后tgate大量的大量的晶体管晶体管 重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2 硅化物硅

17、化物 经验关系经验关系: L T ox Xj1/390nm90nm65nm65nm工艺：栅极栅介质已经缩小到工艺：栅极栅介质已经缩小到1.2nm1.2nm了了（约等于（约等于5 5个原子厚度）栅极栅介质太薄，就会造成漏电电流穿透个原子厚度）栅极栅介质太薄，就会造成漏电电流穿透在在45nm45nm工艺中采用工艺中采用HighHighK K金属栅极晶体管金属栅极晶体管使摩尔定律得到了延伸（可以到使摩尔定律得到了延伸（可以到35nm35nm、25nm25nm工艺）工艺）隧穿效应隧穿效应SiO2的性质的性质栅介质层栅介质层Tox1纳米纳米量子隧穿模型量子隧穿模型高高K介质介质? ?杂质涨落杂质涨落器件

18、沟道区中的杂器件沟道区中的杂质数仅为百的量级质数仅为百的量级统计规律统计规律新型栅结构新型栅结构? ?电子输运的电子输运的渡越时间渡越时间碰撞时间碰撞时间介观物理的介观物理的输运理论输运理论? ?沟道长度沟道长度 L50纳米纳米L源源漏漏栅栅Toxp 型硅型硅n+n+多晶硅多晶硅NMOSFET 栅介质层栅介质层带间隧穿带间隧穿反型层的反型层的量子化效应量子化效应电源电压电源电压1V时，栅介质层中电场时，栅介质层中电场约为约为5MV/cm，硅中电场约，硅中电场约1MV/cm考虑量子化效应考虑量子化效应的器件模型的器件模型? ? .可靠性可靠性诞生基于新原理的器件和电路诞生基于新原理的器件和电路W

19、hich can replace Si CMOS?Targets:Lower costLess power consumptionHigher performanceDNA ICSingle electron transistor (SET)SpintronicsCarbon Nanotube (CNT)Molecular Devices NANOELECTRONIC DEVICE OPTIONSSOCSystem On A Chip集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互连主流主流CAD：图形编辑：图形编辑VddABOutPEL2MEMMat

20、hBusControllerIOGraphics PCB集成集成 工艺无关工艺无关系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:门阵列门阵列 标准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片深亚微米、超深亚深亚微米、超深亚 微米级工艺微米级工艺基于基于IP复用复用主流主流CAD：软硬件协：软硬件协 同设计同设计集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片 SOC与与IC的设计原理是不同的，它是微电子的设计原理是不同的，它是微电子设计领域的一场革命。设计领域的一场革命。 SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、软

21、件（特别是芯片上的操作系统、模型算法、软件（特别是芯片上的操作系统-嵌入式的操作系统）、芯片结构、各层次电嵌入式的操作系统）、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片路直至器件的设计紧密结合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。它的设计必须从系统上完成整个系统的功能。它的设计必须从系统行为级开始自顶向下（行为级开始自顶向下（Top-Down）。）。SOC主要三个关键支持技术主要三个关键支持技术 软、硬件的协同设计技术软、硬件的协同设计技术 面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（Functional Partition Theory）。

22、硬件和软件更加紧密）。硬件和软件更加紧密结合不仅是结合不仅是SOC的重要特点，也是的重要特点，也是21世纪世纪IT业发展的业发展的一大趋势。一大趋势。 IP模块库的复用技术模块库的复用技术 IP模块有三种：模块有三种： 软核软核-主要是功能描述；主要是功能描述； 固核固核-主要为结构设计；主要为结构设计； 硬核硬核-基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺验证的。其中以硬核使用价值最高。过工艺验证的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和快闪存储器以及和快闪存储器以及A/D、D/A等都可以成为硬核。等都可以成为硬核。 模块界面间的综合分析技术模块界面间的综合分析技术 主要包括主要包括IP模块间的胶联逻