微电子技术的发展现状与趋势志勇课件.ppt

1,微电子技术发展现状与趋势西北大学信息科学与技术学院张志勇,2,微电子技术的战略地位与作用微电子技术的发展历史与现状微电子技术的发展规律与趋势,3,电子学,微电子学,微电子学（Microelectronics）微型电子学,什么是微电子学或微电子技术？,4,微电子技术的核心集成电路（IntegratedCircuit，缩写IC）通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能。,5,6,微电子技术的战略地位与作用,7,微电子技术信息社会发展的基石,自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光纤和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。实现社会信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机和/或通讯设备，以及国防安全系统，它们的基础都是微电子技术。,8,1991年的海湾战争双方出动军队100多万人，经历42天，伊拉克伤亡10多万人（其中死亡2万多人），被俘17.5万人，击毁了3700多辆坦克、2600多门火炮、2400多辆装甲车和243架飞机（其余的147架飞机紧急转移到伊朗才免遭厄运）。多国部队出兵80多万人，死亡149人（其中美军79人），伤513人，出动10万余架次飞机，仅损失45架（包括非战斗损失9架）。硅片打败了钢铁！,9,世界第一台通用电子计算机-ENIAC,大小：长30.48m，宽6m，高2.5m；速度：5000次/sec；功率：150KW；平均无故障运行时间：7min,1946年2月14日在美国宾夕法尼亚大学的莫尔电机学院诞生(莫科里)，由18,800多个电子管组成，重量30多吨，占地面积170多平方米。,10,这样的计算机能够进入办公室、车间、家庭和我们的手提包里？当时有的科学家认为全世界只要4台ENIAC就足够了。目前，全世界计算机不包括微机在内有几百万台，微机总量约6亿台，每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。,11,集成电路的战略地位首先表现在当代国民经济的“食物链”关系：,进入信息化社会的判据：微电子技术产值占工农业总产值的0.5%,微电子技术产值进入信息社会的判据,12,集成电路产值1万亿美元,GDP50万亿美元,据美国半导体协会（SIA）预测,2012年,电子信息服务业30万亿美元相当于1997年全世界GDP总和,电子装备6-8万亿元,13,统计数据表明：发达国家在发展过程中都有一条规律集成电路（IC）产值的增长率（RIC）高于电子工业产值的增长率（REI）电子工业产值的增长率又高于GDP的增长率（RGDP）一般有一个近似的关系：RIC1.52REIREI3RGDP,14,几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的年发电量(170亿度/年)对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的年发电量(139亿度/年),3、微电子技术对传统产业的带动作用,15,电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度,16,没有微电子的电子工业只能是劳动密集型的组装业，不能形成高附加值的知识经济，中国的硅谷将是无芯的硅谷,17,4、微电子产业的战略重要性,2020年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元,18,微电子技术的发展水平和微电子产业的规模已经成为衡量一个国家综合实力强弱的重要标志！,19,微电子技术的发展历史与现状,20,理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求,发展历史,21,1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen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,发展历史,22,1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain,获得1956年Nobel物理奖,发展历史,23,晶体管的三位发明人：肖克莱、巴丁、布拉顿,发展历史,24,集成电路的发明,1952年5月，英国科学家达默（G.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(J.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年公布了该结果,发展历史,25,获得2000年Nobel物理奖,1958年第一块集成电路：TI公司的J.Kilby基片为Ge晶片，集成了12个器件。,发展历史,26,微电子发展史上的几个里程碑,1962年F.Wanlass、C.T.SahCMOS技术现在集成电路产业中占95%以上1967年Kahng、S.Sze非挥发存储器1968年Dennard单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器计算机的心脏美国欧特泰克公司认为：微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经济的三大技术创新,发展历史,27,第一个CPU-Intel4004,1971年由Intel制造2000多个晶体管10m的PMOS工艺,发展历史,28,Intel8088,1979年3月16Bit5到8MHz2.9万个晶体管1.5m工艺,29,Intel386,1985年10月32Bit16到32MHz27.5万晶体管1m工艺,30,Intel486,1989年4月32Bit25到50MHz120万个晶体管1-0.8m,31,Pentium,1993年3月32Bit60到166MHz310万个晶体管0.8m,32,P6(PentiumPro-高能奔腾),1995年11月面市150to200MHz时钟550万个晶体管0.35微米工艺4层金属互联387管脚,33,IntelPentium840EE双核处理器,制造工艺：90nm晶体管数：2.3亿个芯片面积：206mm2互联技术：7层铜互连最高功耗：130W,34,2007年1月英特尔推出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。,四核CPU制造工艺：45nm晶体管数：8.2亿个管脚数：775个核心技术：铪金属高-K与金属栅组合新工艺,35,0.5m,1m头发丝粗细的百分之一,3050m(皮肤细胞的大小),100nm,我们已进入纳米时代90nm-32nm工艺已进入规模生产晶体管本身的宽度只有30-50nm集成度已达109-1010,发展现状,36,多层铜互连技术已实现9层互连，IntelPentium840EE双核处理器采用的是7层互连技术。,发展现状,37,集成电路走向系统芯片,发展现状,38,微电子技术发展规律与趋势,39,微电子发展的规律,发展规律,集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而芯片加工特征尺寸每三年缩小倍。,这就是由Intel公司创始人之一GordonMoore博士1975年在IEEE的学术年会上提出的，被称为摩尔定律。,40,CPU的晶体管数目遵守摩尔定律的规律,发展规律,41,存储器的性能和工艺复杂程度也符合摩尔定律,发展规律,42,由集成电路构成的其它电子系统也同样符合摩尔定律的规律,DigitalCellularMarket(PhonesShipped),发展规律,2019/12/15,43,可编辑,44,微电子技术是近50年来发展最快的技术,按此比率下降，小汽车价格不到1美分！,发展规律,45,Moore定律性能价格比,在过去的20年中，改进了100万倍在今后的20年中，还将改进100万倍很可能还将持续40年,发展规律,46,发展趋势,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)新型宽禁带半导体材料开发微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，例如MEMS、DNA芯片等,21世纪硅微电子技术的四个主要发展方向,47,方向一：继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸,300mm450mm,48,450mm晶圆的出现，除了生产效率大幅度提高的优势外，同时，对集成电路工艺带来极大的挑战，使集成电路工艺发生全面的转型与提升。,49,集成电路制造工艺流程,50,Singledie,Wafer,12(300mm),大生产的硅片直径已从200mm转入300mm，2015年左右将转入400mm-450mm直径的硅片。,51,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。,52,发展趋势,器件特征尺寸继续缩小带来的挑战,第一个关键技术层次：微细加工目前0.13m、90nm、65nm已进入大生产45nm大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等32nm工艺，最关键的加工工艺光刻技术还是一个大问题，尚未完全解决,53,发展趋势,铜互连已在0.13m/90、65、45nm技术代中使用；但是在45nm以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究开发,第二个关键技术：互连技术,器件特征尺寸继续缩小带来的挑战,54,发展趋势,第三个关键技术新型器件结构新型材料体系高K介质SOI材料,器件特征尺寸继续缩小带来的挑战,55,56,新一代小尺寸器件问题,57,栅介质的限制,发展趋势,最近intel公司采用金属铪（Hf）合金作为介质材料取得突破,58,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）,59,发展趋势,SOI技术(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅),60,SOI技术的优点：,完全实现了介质隔离,彻底消除了体硅CMOS集成电路中的寄生闩锁效应速度高集成密度高工艺简单减小了热载流子效应短沟道效应小,特别适合于小尺寸器件体效应小、寄生电容小，特别适合于低压器件,发展趋势,61,IC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法满足性能日益提高的整机系统的要求,IC设计与制造技术水平的提高，IC规模越来越大，已可以在一个芯片上集成108109个晶体管,分立元件,集成电路IC,系统芯片SystemOnAChip(简称SOC),将整个系统集成在一个微电子芯片上,系统芯片(SOC)与集成电路(IC)的设计思想是不同的，它是微电子技术领域的一场革命。,方向二：集成电路走向系统芯片SOC,发展趋势,62,发展趋势,SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、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SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPUCore可以使设计者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的输出缓冲器使DRAM和CPU之间的速度接近,63,发展趋势,21世纪的微电子将是SOC的时代,64,发展趋势,方向三：新型宽禁带半导体材料开发,砷化镓（GaAs）Si基器件的频率到10GHz，而GaAs的能力是1040GHz，而最高已突破100GHz。它是超高速化合物半导体中最成熟的材料，国际上用的GaAs单晶外延片已由3英寸、4英寸，近几年发展到6英寸，以前主要用于军事领域和卫星通信。磷化铟（InP）InP所制作的超高速器件比GaAs速度更快，频率可达40GHz以上，被认为是一种最有前途的化合物半导体材料，目前研究用的InP是2英寸基片。碳化硅（SiC）特别适用制作高温、高频、大功率电子器件。SiC器件可在500600高温条件下正常工作，SiC单晶衬底2英寸片已生产，在研制3英寸、4英寸SiC单晶衬底。,65,氮化镓（GaN）GaN除了用于制作微电子器件以外，还可用于光电子领域，用它制作蓝光发光二极管（LED）、绿光LED、蓝光激光二极管（LD）。硅锗（SiGe）SiGe是四族元素Si与Ge相结合的一种新颖半导体材料。SiGe芯片具有低功耗、低噪声、高频率的特性，其能带结构可人工调整，在微电子、光电子领域中有十分重要而独特的作用，被称为第二代硅技术。碳纳米管碳纳米管是由碳原子组成一堆细小的管子。这些管子只有头发丝的万分之一大，比现今Si晶体管小500倍。它可应用于微电子组件、平面显示器、无线通信、燃料电池及锂离子电池。,66,67,发展趋势,微电子技术与其它学科结合，诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点MEMS(微机电系统)：微电子技术与机械、光学等领域结合DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术结合,方向四：微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科,68,MEMS器件及应用,汽车工业安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺武器装备制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化生物医学疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器信息和通讯光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头娱乐消费类游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具,发展趋势,69,利用MEMS技术可以生产各种复杂的3-D结构,70,发展趋势,微机电系统MEMS,82年：美国U.C.Bekel