芯片发展历程与莫尔定律

1、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,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 By Bardeen GE) 1952 结型场效应晶体管 ( Shockley; Bell Lab) 1954 第一个硅晶体管(TI：德州仪器）) 1955 扩散结和晶体管结合(Bell Lab),晶体管制造工艺的摸索,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,Intel P4,J. Kilby 集成电路之父 2

2、000 Nobel 物理奖 1958.9.12发明了第1个IC“Solid Circuit”,距离晶体管发明已经过去11年，why？,第一个Si单片电路IC-“微芯片” by R. 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,1958-1960 基本IC工艺和器件进一步 - 氧化工艺(Atalla; bell Lab) - PN结隔离(K. Levovec) - Al金属膜的蒸发制备 - 平面工艺技术(J. Hoerni; Fairchild) 1959-63 MOS 器件与工艺 -1959 MOS 电容 (J. Moll; Stanford)

3、-1960-63 Si表面和MOS器件研究 (Sah, Deal, Grove) -1962 PMOS (Fairchild); NMOSFET (美国无线电公司) -1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild),IC制造工艺的进步,From SSI to VLSI/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: Very Large ) 105-7 甚大规模ULSI(Ultra Large) 107-9 极大规模SLSI(Super Large) 109 巨

4、大规模(GSI: Gigantic/Giga),晶体管数目,IC芯片中晶体管（脑细胞）数目,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,集成度提高-新工艺技术,1958-1967 SSI *平面工艺 1968-1977 LSI *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 DRAM by R. Denard (1968 patent) *微处理器( 1971, Intel),IC快速发展强烈依赖材料与技术研发,1978-1987 VLSI *精细光刻

5、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 1988-1997 ULSI * 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,1998- 2007 SoC/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, etc 2008-,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,新制造方法 300mm equipment Processing chemistries Alliances Advanced Process Control I

6、ntegrated metrology,新材料 Copper Interconnects Silicon-On-Insulator (SOI) Low-k Silicon Germanium (SiGe) Strained Silicon,新封装形式 Flip Chip Wafer Scale Packaging 3D Packaging System in a package,器件、电路新原理 System-on-Chip (SOC) Magnetoresistive RAM Double-gate Transistors Carbon Nanotube Transistors Biolog

7、ical and Molecular Self-assembly,Source: FSI International, Inc.,IC快速发展源泉材料与技术研发,Moores Law,Gordon Moore, “Cramming More Components Onto Integrated Circuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.,莫尔定律,Intel创始人Gordon Moore 1965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

8、的规律,Moores observation about silicon integration (cost, yield, and reliability) has fueled the worldwide technology revolution: IC miniaturization down to nanoscale and SoC based system integration.,莫尔定律原始依据,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

9、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,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 90 nm 65 nm 45nm 32nm/2009 28nm/2011 22nm/2012,IC Industry: “Make it big in a make-it-small business”! IC工业就是一个在

10、做小中做大的生意,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（Achronix Semiconductor）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，2220nm工艺对各公司来说均是

11、3228nm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？,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,集成电路走向系统芯片 SOCSystem On A Chip,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00.2eV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,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