微电子技术新进展

微电子技术新进展第1页/共57页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

第2页/共57页EEIC1952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(ClairKilby)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年第3页/共57页EEIC1958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物理奖第4页/共57页EEIC1946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第5页/共57页EEIC1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管

W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得1956年Nobel物理奖第6页/共57页EEIC晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿第7页/共57页TheMoore’sLaw第8页/共57页Moore’sLaw:Quantitative微电子技术是50年来发展最快的技术第9页/共57页EEIC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：ENIAC1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000个电子管70000个电阻、10000个电容器以及6000个继电器组成。第10页/共57页EEIC微处理器的发展第11页/共57页EEIC1979年3月

16Bit2.9万晶体管

5到8MHz1.5µm

1985年10月

32Bit27.5万晶体管

16到32MHz1µm8088Intel3861971年第一个微处理器40042000多个晶体管10μm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第12页/共57页EEIC

1989年4月25到50MHz1-0.8µm

32Bit120万晶体管Intel486Pentium

1993年3月

32Bit310万晶体管

60到166MHz0.8µm第13页/共57页P6(PentiumPro)in1996150to200MHzclockrate196mm**25500Ktransistors(externalcache)0.35micron4layersmetal3.3voltVDD>20WtypicalpowerDissipation387pins第14页/共57页EEIC·1999年2月，英特尔推出PentiumIII处理器，整合950万个晶体管，0.25μm工艺制造·2002年1月推出的Pentium4处理器，其整合5500万个晶体管，采用0.13μm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。第15页/共57页

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。第16页/共57页多核微处理器第17页/共57页AMD四核“Barcelona”处理器采用300mm晶圆，45纳米技术制造第18页/共57页二、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（CellTelephone)---Communication

消费类电子(汽车电子）---Consumption第19页/共57页集成电路追求目标3G(G=109)---3T(T=1012)

存储量（GB—TByte）速度（GHz—THz)、数据传输率(Gbps-

Tbps,bitspersecond)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)第20页/共57页增大晶圆尺寸第21页/共57页EEIC集成电路制造工艺第22页/共57页SingledieGoingupto12”(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。

第23页/共57页EEIC

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。第24页/共57页EEIC

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-0.8µ（亚微米）→半微米0.5µ→深亚微米0.35µ,0.25µ,0.18µ,0.13µ→纳米

90nm→65nm→45nm

第25页/共57页第26页/共57页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第27页/共57页第28页/共57页INCREASEOFWAFERDIAMETER第29页/共57页COMPARISONOFPRODUCTIONCOSTS

(Cu/Low-K65nm)第30页/共57页第一个关键技术：Sub-100nm光刻第31页/共57页193nm（immersion)光刻技术成为Sub-100nm(90nm-32/22nm)工艺的功臣第32页/共57页第33页/共57页新的一代曝光技术？第34页/共57页

·传统的铝互联（电导率低、易加工）·铜互连首先在0.25/0.18µm技术中使用·在0.13µm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：多层互连技术第35页/共57页器件及互连线延迟00.511.522.533.54199719992001200320062009延迟值(ns)器件内部延迟2厘米连线延迟（bottomlayer）2厘米连线延迟（toplayer）2厘米连线延迟约束第36页/共57页互连技术与器件特征尺寸的缩小第37页/共57页第38页/共57页

新型器件结构-高性能、低功耗晶体管

FinFET

Nano

ElectronicDevice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:新器件与新材料第39页/共57页

ChallengestoCMOSDeviceScalingElectrostaticsDoubleGate-Retaingatecontroloverchannel-MinimizeOFF-statedrain-sourceleakageTransportHighMobilityChannel-Highmobility/injectionvelocity-HighdrivecurrentforlowintrinsicdelayParasiticsSchottkyS/D-Reducedextrinsicresistance4.GateleakageHigh-KDielectrics-Reducedpowerconsumption5.GatedepletionMetalGate123BULK45SiCMOSisexpectedtodominateforatleastthenext10-15yearswhilescalingoftraditionalFETsisexpectedtoslowinthenext5-10years,sofindingwaystoaddfunctionandimproveperformanceoffutureIC'swithnewmaterialsanddevicestructuresiscrucial.

第40页/共57页SOI(Silicon-On-Insulator）

绝缘衬底上的硅技术第41页/共57页

QUASI-PLANARSOIFinFET第42页/共57页10nmGATELENGTHFinFET第43页/共57页

随着

tgate

的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长超薄栅氧化层栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于3nm后tgate大量的晶体管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:LToxXj1/3第44页/共57页90nm→65nm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第45页/共57页在45nm工艺中采用High－K＋金属栅极晶体管使摩尔定律得到了延伸（可以到35nm、25nm工艺）第46页/共57页隧穿效应SiO2的性质栅介质层Tox<1纳米量子隧穿模型高K介质?杂质涨落器件沟道区中的杂质数仅为百的量级统计规律新型栅结构?电子输运的渡越时间～碰撞时间介观物理的输运理论?沟道长度

L<50纳米L源漏栅Toxp型硅n+n+多晶硅NMOSFET

栅介质层新一代小尺寸器件问题带间隧穿反型层的量子化效应电源电压1V时，栅介质层中电场约为5MV/cm，硅中电场约1MV/cm考虑量子化效应的器件模型?…...可靠性诞生基于新原理的器件和电路第47页/共57页WhichcanreplaceSiCMOS?Targets:LowercostLesspowerconsumptionHigherperformanceDNAICSingleelectrontransistor(SET)SpintronicsCarbonNanotube(CNT)MolecularDevicesNANOELECTRONICDEVICEOPTIONS第48页/共57页SOCSystemOnAChip集成电路走向系统芯片第49页/共57页七十年代的集成电路设计微米级工艺基于晶体管级互连主流CAD：图形编辑VddABOut第50页/共57页八十年代的电子系统设计PEL2MEMMathBusControllerIOGraphicsPCB集成工艺无关系统亚微米级工艺依赖工艺基于标准单元互连主流CAD:门阵列标准单元集成电路芯片第51页/共57页世纪之交的系统设计SYSTEM-ON-A-CHIP深亚微米、超深亚微米级工艺基于IP复用主流CAD：软硬件协 同设计MEMORYCache/SRAMorevenDRAMProcessor

CoreDSP

ProcessorCoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISAInterfaceGlueGluePCIInterfaceI/OInterfaceLANInterface第52页/共57页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）。第53页/共57页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（FunctionalPartitionTheory）。硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是