芯片发展历程与莫尔定律

,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,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）,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,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,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,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),-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)30-10,3,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,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,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,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 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，,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？,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,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,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,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,小结,发展历程,莫尔定律,特征尺寸,发展趋势,