芯片发展历程与莫尔定律讲述课件

微电子制造原理与技术第二部分芯片制造原理与技术李明材料科学与工程学院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微电子制造原理与技术李明材料科学与工程学院芯片发展历程第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）第1个晶体管的诞生1947.12.23点接触式晶体管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场效应晶体管理论的建立场效应晶体管理论场效应晶体管理论的建立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)晶体管制造工艺的摸索1950-1956:基本晶体管制造技术发展晶体管制造工艺的第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：224mm2IntelP4J.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？第1个集成电路的发明第1个IC4千2百万个晶体管、尺寸：22第一个Si单片电路IC-“微芯片”byR.Noyce(Fairchild,IC技术创始人之一)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.Noy1958-1960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)IC制造工艺的进步1958-1960基本IC工艺和器件进一步IC制造工艺的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FromSSItoVLSI/ULSI小规模集成电路(S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、应用制造技术IC快速发展强烈依赖材料与技术研发性能(速度、能力可集成度提高---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集成度提高---新工艺技术1958-1967SSI*平面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1978-1987VLSI集成度提高---新工艺技术IC快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1998-2007SoC/SLSI,纳米尺度CMOS集新制造方法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-assemblySource:FSIInternational,Inc.IC快速发展源泉——材料与技术研发新制造方法新材料新封装形式器件、电路新原理SoMoore'sLawGordonMoore,“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Moore'sLawGordonMoore,“CramMoore’sobservationaboutsiliconintegration(cost,yield,andreliability)hasfueledtheworldwidetechnologyrevolution:ICminiaturizationdowntonanoscaleandSoCbasedsystemintegration.莫尔定律——原始依据Moore’sobservationaboutsili莫尔定律的有效性——延续至今莫尔定律的有效性——延续至今莫尔定律的有效性——延续至今莫尔定律的有效性——延续至今莫尔定律——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-0.8µ（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

32nm/2009→28nm/2011→22nm/2012ICIndustry:“Makeitbiginamake-it-smallbusiness”!IC工业就是一个在做小中做大的生意莫尔定律——特征尺寸集成电路的特征参数从1959年以来缩小了140倍ICIndMOS尺寸缩小莫尔定律——特征尺寸MOS尺寸缩小莫尔定律——特征尺寸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？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集成电路走向系统芯片SOC——SystemOnAChip芯片制造技术的发展趋势SOC集成电路走向系统芯片芯片制造技术的发展趋势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。

MEMS技术和生物信息技术将成为

下一代半导体主流技术芯片