芯片发展历程与莫尔定律讲述课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,By Bardeen & Brattain,第一篇关于晶体管的文章,Br Websters,“The transistor, a semiconductor triode”,（晶体管，一个半导体三级管）,“Transistor =transfer + resistor,（晶体管传输,+,电阻）,Transferring electrical signal across,a resistor”,（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),1956 Nobel,物理奖：,Bardeen, Brattain and Shockley,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; 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,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：,224mm,2,Intel P4,J. Kilby,集成电路之父,2000 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,” 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,第一个Si单片电路IC-“微芯片” by R. Noy,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),-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,1958-1960 基本IC工艺和器件进一步IC制造工艺的,From SSI to VLSI/ULSI,小规模集成电路,(SSI) 2-30,中规模集成电路,(MSI) 30-10,3,大规模集成电路,(LSI) 10,3-5,超大规模集成电路,(VLSI:,Very Large,) 10,5-7,甚大规模,ULSI(,Ultra Large,) 10,7-9,极大规模,SLSI(,Super,Large) 10,9,巨大规模,(GSI:,Gigantic,/Giga),晶体管数目,IC,芯片中晶体管（脑细胞）数目,From SSI to VLSI/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,1958-1967 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,集成度提高-新工艺技术1958-1967 SSI *平面,1978-1987 VLSI,*,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,1988-1997 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,1978-1987 VLSI集成度提高-新工艺技术IC快,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,1998- 2007 SoC/SLSI, 纳米尺度CMOS集,新制造方法,300mm equipment,Processing chemistries,Alliances,Advanced Process Control,Integrated 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,Biological and Molecular Self-assembly,Source: FSI International, 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So,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的规律,Moores LawGordon Moore, “Cram,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,Moores observation about sili,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,-,0.8,（,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IC Ind,MOS,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（,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，,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,System On A Chip,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,芯片制造技术的发展趋势,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,小结,发展历程,莫尔定律,特征尺寸,发展趋势,小结发展历程,人有了知识，就会具备各种分析能力，,明辨是非的能力。,所以我们要勤恳读书，广泛阅读，,古人说“书中自有黄金屋。,”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，,培养逻辑思维能力；,通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，,培养文学情趣；,通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。,有许多书籍还能培养我们的道德情操，,给我们巨大的精神力量，,鼓舞我们前进,。,人有了知识，就会具备各种分析能力，,芯片发展历程与莫尔定律讲述课件,