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微电子技术新进展,内容简介,微电子技术历史简要回顾 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几个关键技术 集成电路(IC)发展成为系统芯片(SOC) 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学科,1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H. Brattain Bardeen提出了表面态理论， Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验 1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管,晶体管的发明,1947年12月23日 第一个晶体管 NPN Ge晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain,获得1956年Nobel物理奖,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,1952年5月，英国科学家G. W. A. Dummer第一次提出了集成电路的设想 1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(Clair Kilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布。,集成电路发明50年,1958年第一块集成电路： TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,The Moores Law,微小化,Moores Law: Quantitative,微电子技术是50年来发展最快的技术,世界上第一台计算机,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：7min,第一台通用电子计算机：ENIAC 1946年2月14日 Moore School，Univ. of Pennsylvania 18,000个电子管70000个电阻、10000个电容器以及6000个继电器 组成。,微处理器的发展,1979年3月 16 Bit 2.9万晶体管 5到8MHz 1.5m,1985年10月 32 Bit 27.5万晶体管 16到32 MHz 1m,8088,Intel 386,1971年第一个 微处理器4004 2000多个晶体管 10m的PMOS工艺,1982年286微处理器 13.4万个晶体管 频率6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz,微处理器的发展,4044,1989年4月 25到50 MHz 1-0.8m 32 Bit 120万晶体管,Intel 486,Pentium,1993年3月 32 Bit 310万晶体管 60到166 MHz 0.8m,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,1999年2月，英特尔推出Pentium III处理器，整合950万个晶体管，0.25m工艺制造 2002年1月推出的Pentium 4处理器，其整合5500万个晶体管，采用0.13m工艺生产 2002年8月13日，英特尔开始90nm制程的突破，业内首次在生产中采用应变硅；2005年顺利过渡到了65nm工艺。,2007年英特尔推出45nm正式量产工艺，45nm技术是全新的技术，可以让摩尔定律至少再服役10年。,多核微处理器,AMD四核“Barcelona”处理器 采用300mm晶圆， 45纳米技术制造,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： (1)开发产品的复杂程度激增; (2)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 已进入后PC时代 计算机（PC)-Computer 通讯（Cell Telephone )-Communication 消费类电子(汽车电子）-Consumption,集成电路追求目标3G(G=109)-3T(T=1012) 存储量（GBTByte） 速度（GHzTHz)、 数据传输率(Gbps- Tbps, bits per second) 三个主要发展方向： 继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸 集成电路(IC)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（ASIC） 微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科,二、微电子技术的主要发展方向(2),增大晶圆尺寸,集成电路制造工艺,Single die,Going up to 12” (300mm),Wafer,大生产的硅片直径已经从200mm转入300mm。 2015年左右有可能出现400mm-450mm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,常常作为技术水平的标志。对MOS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）。 缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能/价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,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。,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1959年以来40年间缩小了140倍。而平均晶体管价格降低了107倍。 特征尺寸：10微米-1.0微米-0.8（亚微米 ）半微米 0.5 深亚微米 0.35, 0.25, 0.18, 0.13 纳米 90 nm 65 nm 45nm,微电子技术面临的挑战和关键技术,（1）继续增大晶圆尺寸 （2）Sub-100nm光刻技术 （3）互连线技术 （4）新器件结构与新材料,INCREASE OF WAFER DIAMETER,COMPARISON OF PRODUCTION COSTS (Cu/Low-K 65 nm),第一个关键技术：Sub-100nm光刻,193nm（immersion) 光刻技术成为 Sub-100nm(90nm-32/22nm)工艺的功臣,新的一代曝光技术？,传统的铝互联（电导率低、易加工） 铜互连首先在0.25/0.18m技术中使用 在0.13m以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用（预测可缩到20nm） 高速铜质接头和新型低-k介质材料,探索碳纳米管等替代材料,第二个关键技术：多层互连技术,器件内部延迟,2厘米连线延迟,（bottom layer）,2厘米连线延迟,（top layer）,2厘米连线延迟约束,器件及互连线延迟,0,0.5,1,1.5,2,2.5,3,3.5,4,1997,1999,2001,2003,2006,2009,延迟值(ns),互连技术与器件特征尺寸的缩小,新型器件结构-高性能、低功耗晶体管 FinFET Nano Electronic Device 新型材料体系 SOI材料 应变硅 高K介质 金属栅电极,第三个关键技术:新器件与新材料,Challenges to CMOS Device Scaling,Si CMOS is expected to dominate for at least the next 10 - 15 years while 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） 绝缘衬底上的硅技术,QUASI-PLANAR SOI FinFET,10 nm GATE LENGTH FinFET,栅介质的限制,传统的栅结构,重掺杂多晶硅,SiO2,硅化物,经验关系: L T ox Xj1/3,90nm65nm工艺：栅极栅介质已经缩小到1.2nm了 （约等于5个原子厚度）栅极栅介质太薄，就会造成漏电电流穿透,在45nm工艺中采用HighK金属栅极晶体管 使摩尔定律得到了延伸（可以到35nm、25nm工艺）,新一代小尺寸器件问题,诞生基于新原理的器件和电路,Which can replace Si CMOS? Targets: Lower cost Less power consumption Higher performance,DNA IC,Single electron transistor (SET),Spintronics,NANOELECTRONIC DEVICE OPTIONS,集成电路走向系统芯片,七十年代的集成电路设计,八十年代的电子系统设计,PE,L2,MEM,Math,Bus,Controller,IO,Graphics,PCB集成 工艺无关,系统,世纪之交的系统设计,SYSTEM-ON-A-CHIP,集成电路走向系统芯片,SOC与IC的设计原理是不同的，它是微电子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、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行为级开始自顶向下（Top-Down）。,SOC主要三个关键支持技术,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（Functional Partition Theory）。硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是21世纪IT业发展的一大趋势。 IP模块库的复用技术 IP模块有三种： 软核-主要是功能描述； 固核-主要为结构设计； 硬核-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。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和快闪存储器以及A/D、D/A等都可以成为硬核。 模块界面间的综合分析技术 主要包括IP模块间的胶联逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等。,现场可编程门阵列 (FPGA)替代 专用集成电路（ASIC）,用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。 “整个市场都认为这是半导体的未来。”,MEMS技术和生物信息技术将成为 下一代半导体主流技术,MEMS技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微机电系统。 微电子与生物技术紧密结合的以DNA芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。 采用微电子加工技术，在指甲盖大小的硅片上制作含有多达10-20万种DNA基因片段的芯片。芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化。对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要作用。,双极晶体管设计,设计一（单学号） 中功率开关晶体管设计 重点考虑开关特性和频率特性,中功率开关晶体管设计指标,VCC=25V，VBB=1.5V，RL=50 W RB=100 W ，脉冲幅度7.5V， 脉冲宽度1.5ms，脉冲重复频率1.5KHZ，开关时间： ton=50ns，toff=100ns Icm=800mA，Pcm=700mW，fT=100MHZ BVCBO=60V，VSUS=45V(集电极维持电压) b DC