芯片发展历程与莫尔定律ppt课件.ppt

微电子制造原理与技术第二部分芯片制造原理与技术 芯片发展历程与莫尔定律晶体管结构及其作用芯片微纳制造技术 第1个晶体管的诞生 1947 12 23点接触式晶体管ByBardeen Brattain第一篇关于晶体管的文章BrWebster s Thetransistor asemiconductortriode 晶体管 一个半导体三级管 Transistor transfer resistor 晶体管 传输 电阻 Transferringelectricalsignalacrossaresistor 经过一个电阻传输点信号 2 场效应晶体管理论的建立 场效应晶体管理论通过表面电荷调制半导体薄膜的电导率 Phys Rev 74 232 1948 1956Nobel物理奖 Bardeen BrattainandShockley 3 晶体管制造工艺的摸索 1950 1956 基本晶体管制造技术发展 从基于锗的器件转为硅衬底 从合金化制造p n结转变为扩散制备pn结1950扩散结 Hall Dunlap GE 1952结型场效应晶体管 Shockley BellLab 1954第一个硅晶体管 TI 德州仪器 1955扩散结和晶体管结合 BellLab 4 第1个集成电路的发明 第1个IC锗衬底 台式结构 2个晶体管 2个电容 8个电阻 黑蜡保护刻蚀 打线结合 4千2百万个晶体管 尺寸 224mm2 IntelP4 J Kilby集成电路之父2000Nobel物理奖1958 9 12发明了第1个IC SolidCircuit 距离晶体管发明已经过去11年 why 5 第1个在Si单片上实现的集成电路 第一个Si单片电路IC 微芯片 byR Noyce Fairchild IC技术创始人之一 6 IC制造工艺的进步 1958 1960基本IC工艺和器件进一步 氧化工艺 Atalla bellLab PN结隔离 K Levovec Al金属膜的蒸发制备 平面工艺技术 J Hoerni Fairchild 1959 63MOS器件与工艺 1959MOS电容 J Moll Stanford 1960 63Si表面和MOS器件研究 Sah Deal Grove 1962PMOS Fairchild NMOSFET 美国无线电公司 1963CMOS Wanlass Sah Fairchild 7 FromSSItoVLSI ULSI 小规模集成电路 SSI 2 30中规模集成电路 MSI 30 103大规模集成电路 LSI 103 5超大规模集成电路 VLSI VeryLarge 105 7甚大规模ULSI UltraLarge 107 9极大规模SLSI SuperLarge 109巨大规模 GSI Gigantic Giga 晶体管数目 IC芯片中晶体管 脑细胞 数目 8 制造技术Si和其他材料的开发器件物理电路和系统 IC快速发展强烈依赖材料与技术研发 性能 速度 能力可靠性 功能从简单逻辑门到复杂系统产量 价格 应用 9 集成度提高 新工艺技术 1958 1967SSI 平面工艺1968 1977LSI 离子注入掺杂 多晶硅栅极 局部硅氧化的器件隔离技术 单晶管DRAMbyR Denard 1968patent 微处理器 1971 Intel IC快速发展强烈依赖材料与技术研发 10 1978 1987VLSI 精细光刻技术 电子束制备掩膜版 等离子体和反应离子刻蚀技术 磁控溅射制备薄膜1988 1997ULSI 亚微米和深亚微米技术 深紫外光刻和图形技术 集成度提高 新工艺技术 IC快速发展强烈依赖材料与技术研发 11 1998 2007SoC SLSI 纳米尺度CMOS Cu和Low k互连技术 High k栅氧化物 绝缘体上SOI etc2008 集成度提高 新工艺技术 IC快速发展强烈依赖材料与技术研发 12 新制造方法300mmequipmentProcessingchemistriesAlliancesAdvancedProcessControlIntegratedmetrology 新材料CopperInterconnectsSilicon On Insulator SOI Low kSiliconGermanium SiGe StrainedSilicon 新封装形式FlipChipWaferScalePackaging3DPackagingSysteminapackage 器件 电路新原理System on Chip SOC MagnetoresistiveRAMDouble gateTransistorsCarbonNanotubeTransistorsBiologicalandMolecularSelf assembly Source FSIInternational Inc IC快速发展源泉 材料与技术研发 13 Moore sLaw GordonMoore CrammingMoreComponentsOntoIntegratedCircuits Electronics Vol 38 No 8 April19 1965 莫尔定律 Intel创始人GordonMoore1965年提出集成电路的集成度 每18 24个月提高一倍1960以来 Moore定律一直有效 芯片上晶体管 脑细胞 尺寸随时间不断缩小的规律 14 Moore sobservationaboutsiliconintegration cost yield andreliability hasfueledtheworldwidetechnologyrevolution ICminiaturizationdowntonanoscaleandSoCbasedsystemintegration 莫尔定律 原始依据 15 莫尔定律的有效性 延续至今 16 莫尔定律的有效性 延续至今 17 莫尔定律 特征尺寸 特征尺寸是指器件中最小线条宽度 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 集成度提高一倍 特征尺寸 0 7 18 莫尔定律 特征尺寸 集成电路的特征参数从1959年以来缩小了140倍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90nm 65nm 45nm32nm 2009 28nm 2011 22nm 2012 ICIndustry Makeitbiginamake it smallbusiness IC工业就是一个在做小中做大的生意 19 莫尔定律 特征尺寸 MOS尺寸缩小 20 全球最大代工厂商台积电是唯一一家具体公布20nm工艺量产时间的企业 预定2012年下半年量产台积电 TSMC 于2010夏季动工建设的新工厂打算支持直至7nm工艺的量产英特尔 微细化竞争中固守头把交椅 从英特尔的发展蓝图来看 预计该公司将从2011年下半年开始22nm工艺的量产 美国Achronix半导体 AchronixSemiconductor 于当地时间2010年11月1日宣布 将采用英特尔的22nm级工艺制造该公司的新型FPGA Speedster22i CMOS技术的观点而言 22 20nm工艺对各公司来说均是32 28nm工艺的延伸技术 也就是说很可能会通过使用高介电率 high k 栅极绝缘膜 金属栅极的平面 Plane CMOS来实现 那么 15nm工艺以后的CMOS技术又将如何发展 莫尔定律 今后适用性 21 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 集成电路走向系统芯片 芯片制造技术的发展趋势 22 集成电路走向系统芯片SOC SystemOnAChip 芯片制造技术的发展趋势 23 10纳米以下的碳纳米管 石墨烯 有望替代半导体 芯片制造技术的发展趋势 石墨烯 美国伦斯勒理工学院成功在上生成带隙用水就能变成半导体石墨烯本身并没有带隙 只具有金属一样的特性石墨烯吸收了空气中的水分后 在石墨烯上生成带隙 而且 可通过调节温度 在0 0 2eV的范围内自由设定带隙值 石墨烯 10纳米以下的碳纳米管器件 24 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 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