集成电路工艺技术发展趋势.ppt

集成电路工艺技术发展现状与趋势 张正元 1 目录 二 集成电路工艺发展现状 一 概述 三 集成电路技术发展趋势 2 四 声光电公司集成电路发展思路 一 概述 3 集成电路是信息技术产业的核心 是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性 基础性和先导性产业 2015年中国集成电路进口额达14303 4亿元 同比增加7 出口金额达4312 6亿元 同比增加15 4 连续第六年远超过石油成为第一大进口商品 贸易逆差持续扩大 针对我国集成电路产业发展水平与国外存在较大差距 难以对构建国家产业核心竞争力 保障信息安全等形成有力支撑 国家相继出台 集成电路发展推进纲要 集成电路产业发展白皮书 2015版 等相关政策支持集成电路的发展 我国信息技术产业发展迎来了新的历史机遇 国家高度重视网络安全与信息化建设 没有网络安全就没有国家安全 没有信息化就没有现代化 各位同学选择这个方向既是把握住了社会发展的主流方向 同时也是展示自己才华的平台 好好努力 MOSFET的基本结构和图形 1 集成电路特点 遵循Moore定律 1965年Intel公司的创始人之一GordonE Moore预言集成电路产业的发展规律集成电路的集成度每三年增长四倍特征尺寸每三年缩小倍 10G1G100M10M1M100K10K1K0 1K 1970 1980 1990 2000 2010 存储器容量60 年 每三年 翻两番 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番 1 E 91 E 81 E 71 E 61 E 51 E 41 E 3 70 74 78 82 86 90 94 98 2002 芯片上的晶体管数目 微处理器性能每三年翻两番 半导体材料中 硅材料是集成电路的主要材料 是发展的主流 为满足不同需求 也发展其他材料的器件 集成电路技术是近50年来发展最快的技术微电子技术的进步 按此比率下降 小汽车价格不到1美分 等比例缩小 Scaling down 定律 1974年由Dennard提出基本指导思想是 保持MOS器件内部电场不变 恒定电场规律 简称CE律等比例缩小器件的纵向 横向尺寸 以增加跨导和减少负载电容 提高集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍数 漏源电流方程 由于VDS VGS VTH W L tox均缩小了 倍 Cox增大了 倍 因此 IDS缩小 倍 门延迟时间tpd为 其中VDS IDS CL均缩小了 倍 所以tpd也缩小了 倍 标志集成电路性能的功耗延迟积PW tpd则缩小了 3倍 恒定电场定律的问题 阈值电压不可能缩的太小源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小电源电压标准的改变会带来很大的不便 恒定电压等比例缩小规律 简称CV律 保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变 对其它参数进行等比例缩小按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律 而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强CV律一般只适用于沟道长度大于1 m的器件 它不适用于沟道长度较短的器件 准恒定电场等比例缩小规则 缩写为QCE律CE律和CV律的折中 本世纪初采用的最多随着器件尺寸的进一步缩小 强电场 高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则 电源电压必须降低 同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能 实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例器件尺寸将缩小 倍 而电源电压则只变为原来的 倍 集成电路工艺流程长 且要求高 随着向深亚微米工艺推进 工艺流程更为复杂 制造成本会更大 设备要求更高 建一条8英寸线 需要10亿人民币 如果建一条65纳米的12英寸线 就需要上百亿人民币 并且运转过程中还要持续投入 氧化扩散光刻离子注入金属化LPCVD二氧化硅淀积LPCVD多晶硅淀积 Si SiO2 扩散源 扩散区 扩散过程演示 Si SiO2 未曝光的正胶 1 生长SiO2 2 涂胶 3 曝光 4 显影 5 腐蚀SiO2 6 去胶 已曝光的正胶 正胶光刻过程演示 高能注入离子 Si SiO2 未经退火的注入区 退火后的注入区 1 离子注入 2 退火 离子注入及退火过程演示 N P N 2 金属化 光刻 4 介质光刻及平整化 6 金属化 光刻 SiO2 金属化过程演示 热氧化SiO2 LPCVD多晶硅 LPCVDSiO2 P阱 N N P P N型衬底 LPCVD二氧化硅淀积 25 二 集成电路国内外发展现状 国外发展迅速 公司很多 IBM JAZZ MAXIM Infinen Conexant OnSemi Philips Alcatel ST Motorola NEC ADI Hitachi AT TBell SiGe AMS NS TI ADI NXP ATMEL 三星 TSMC 等公司三星做存储器是世界第一 线宽做到了16纳米 台积电和台联电已经能够代加工22纳米 准备建立16纳米的FOUNDRY线 IBM TI ADI等美国公司重点在军事上 基本不对外开放 二 国内外集成电路状况 国内从事民用产品生产的企业 华虹 NEC等 最细线宽达到了0 09微米 主要工艺是CMOS BICMOS工艺 军用集成电路研制生产单位 航天771所 中国电科24所 47所 58所 最细线宽达到了0 25微米 主要工艺是CMOS BICMOS CBIP SOICBIP SOICMOS工艺 研制生产高性能的集成电路产品 如抗加集成电路 满足军用需要 与国外有做较大的差距 二 国内外集成电路状况 在国家大力支持下 集成电路取得了长足的进步 国内集成电路产业销售突破了3000亿人民币 2011年 2015年年均增长率达到了23 为我国集成电路产业的发展起到了重要的促进作用 二 国内外集成电路状况 29 三 集成电路技术发展趋势 支撑集成电路发展的主要技术 特征尺寸继续等比例缩小互连技术SOI与SiGe技术新材料 三 集成电路主要技术与发展趋势 22nm和45 m已进入大生产16nm技术也已经开发完成 正在进入大生产 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在7nm正在研发阶段 最关键的加工工艺 光刻技术还是一个大问题 尚未解决 微细加工 多层金属 如 Ti TiN W CU等 互连已在0 13um以下技术中使用 同时低介电常数绝缘材料的使用对提高可靠性也是一个支撑 光互连是解决引线变细后带来的线电阻增大问题的最佳途径 互连技术 互连技术与器件特征尺寸的缩小 资料来源 SolidstateTechnologyOct 1998 IBM拥有这两项技术 成为其领先同行制胜的法宝 SOI与SiGe技术 SOI Silicon On Insulator 绝缘衬底上的硅 技术 SOI技术 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 基区高掺杂条件下仍然有高的电子注入效率 能带结构的变化 突破了普通Si器件增益 频率 噪声之间不可调和的矛盾关系 并附带优异的负温度系数 优异的模拟SiGeHBT CMOS SiGeBiCMOS 高性能模数混合信号电路 以SiGe典型技术领头羊的IBM公司技术发展图 传统的栅结构 重掺杂多晶硅 SiO2 硅化物 经验关系 L ToxXj1 3 栅介质的限制 新材料技术 栅介质的限制 等效栅介质层的总厚度 Tox 1nm t栅介质层 Tox t多晶硅耗尽 t栅介质层 t量子效应 由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度 t多晶硅耗尽0 5nm 由量子效应引起的等效厚度 t量子效应0 5nm 限制 等效栅介质层的总厚度无法小于1nm 栅介质的限制 14nm 5nm 21世纪硅集成电路技术的三个主要发展方向特征尺寸继续等比例缩小 难度越来越大 成本越来越高 集成电路 IC 将发展成为系统芯片 SOC 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 如 3D集成微系统等 45 半导体技术发展路线图 1 集成电路走向系统芯片 集成电路走向系统芯片 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108 109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 在需求牵引和技术推动的双重作用下 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 集成电路走向系统芯片 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 集成电路走向系统芯片 2 3D集成微系统 52 集成电路一方面提升功能和性能的同时 与MEMS等传感器融合 实现单片集成 进一步提升更多的功能 53 AnalogDevicesGyroSingleChipRateSensor5VOperationStdAtmosphere100degpersecondSelf Test0 03deg sec sqrthzCompensated5 单片集成MEMS 54 单片集成MEMS加速度传感器 55 单片集成MEMS图象传感器 通过3D集成方式 集成不同功能 材料的器件 往微系统方向发展 56 微系统的内涵微系统融合微电子 微光子 MEMS 架构 算法五大要素 采用新的设计思想 设计方法 制造方法 将传感器 驱动器 执行器及信号处理 控制电路 接口 通信和电源等集成在一起 形成具有多种功能的微装置 微系统的特点微型化高集成多功能大批量低成本高可靠 多功能集成多学科融合多单位协同 58 60 移动终端 智能交通 卫星通讯 通讯 汽车电子 光通讯 雷达 飞行器 微系统技术是航空 航天 卫星通讯 移动通讯 智能交通 物联网为代表的民用电子领域的核心支撑技术 61 四 声光电有限公司集成电路发展思路 62 利用国内外的高档FOUNDRY线 开展65纳米及以下的高档模拟集成电路设计技术研究 突破设计关键技术 建立IP库 开发高档集成电路产品 缩短与国外差距 工艺上 以现有的6英寸线 开发6英寸0 25微米特色工艺 支撑抗加等专用集成电路产品研制与生产 满足军民需要 63 设计技术 高档特色工艺 BCD SOI工艺 GeSiBICMOS工艺 互补双极工艺 高性能JFET工艺 多功能集成工艺 异质材料集成 重点发展的关键技术 SIP 3D集成工艺 梯化物 Si GaN Si GaAs Si工艺 大力发展微系统 以模拟集成电路 微声 惯性 光电子技术方向为基础 通过技术融合 集成创新 努力发展主业方向 微系统技术和产品 项目重点发展四类微系统技术 支撑电子信息装备集成化 一体化 微型化发展 组合导航微系统 光电子 微电子 MEMS 架构 算法 多光谱成像微系统 光电子 微光子 微电子 射频模拟微系统 MEMS 微波 微声 微电子 智能传感器微系统 MEMS 光电子 微电子 已具备微系统基础和条件 子集团已具备的工艺能力 阶段成果 石英微型陀螺 对石英微机械陀螺敏感芯片的结构进行微型化设计 结合ASIC电路技术 研制出集成式石英微陀螺 LNA低噪声放大器通过片外匹配网络和天线相连 信号经共用的LNA放大后送入到两个独立通道的镜相抑制混频器MIXER 完成镜像抑制功能和下变频 混频后的信号再经带通滤波器 滤波后的信号送入VGA可变增益放大后 送入到A D输出 输出的SIGN MAG数字信号送到基带芯片 经基带芯片解调计算出定位信息 XN248组合三模双通道卫星导航射频电路原理框图 阶段成果 XN248组合三模双通道卫星导航射频电路 单光谱成像多光谱探测微系统技术方案 PtSi探测器阵列与CMOS读出电路芯片级倒装焊接互连 PtSi探测器阵列与CMOS读出电路互连采用倒装焊接的方式 探测器阵列光敏元输出点与读出电路单元接口电路的输入通过In凸点相连接 读出电路为每个光敏元提供一致的偏置电压 使得PtSi二极管阵列收集的信号通过CMOS读出电路芯片读出 In柱凸点 单光谱成像多光谱探测微系统技术方案 PtSi探测器阵列与InGaAs雪崩探测器共Si基异构集成 将PtSi探测器阵列与InGaAs雪崩二极管利用共Si基异构集成技术与Si基的信号处理电路互连 在同一信号处理电路上实现对PtSi和InGaAs两种材料不同波段信号的处理 多光谱感知微系统 CCD感光阵列 CMOS图像传感器读出电路 第二分阶段 eCCD芯片级互连技术 智能传感器微系统 单元技术 2微米SOI互补双极工艺 2微米多晶硅发射极工艺 2微米BICMOS工艺 0 5微米CMOS工艺 0 5微米BICMOS工艺 0 5微米双多晶硅自对准多晶硅发射极工艺 0 5微米GeSiBICMOS工艺 0 5微米SOI互补双极工艺 在MEMS深槽刻蚀技术 腐蚀出硅深槽图片 深宽比达到20 1 硅硅键合和带图形的硅玻璃键合 60000g加速度计和气体传感器芯片图 梳状加速度传感器芯片图 温湿度传感器封装过程和封装后实物照片 单片集成加速度传感器样品照片 电阻式单片集成