集成电路工艺技术发展趋势

集成电路工艺技术发展现状与趋势张正元1目录二、集成电路工艺发展现状一、概述三、集成电路技术发展趋势2四、声光电公司集成电路发展思路一、概述3集成电路是信息技术产业的核心，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。2015年中国集成电路进口额达14303.4亿元，同比增加7%，出口金额达4312.6亿元，同比增加15.4%。连续第六年远超过石油成为第一大进口商品。贸易逆差持续扩大。针对我国集成电路产业发展水平与国外存在较大差距，难以对构建国家产业核心竞争力、保障信息安全等形成有力支撑。国家相继出台《集成电路发展推进纲要》、《集成电路产业发展白皮书（2015版》等相关政策支持集成电路的发展。我国信息技术产业发展迎来了新的历史机遇，国家高度重视网络安全与信息化建设，没有网络安全就没有国家安全，没有信息化就没有现代化。各位同学选择这个方向既是把握住了社会发展的主流方向，同时也是展示自己才华的平台，好好努力！MOSFET的基本结构和图形n-MOSFETp-MOSFETGG»1965年Intel公司的创始人之一GordonE.Moore预言集成电路产业的发展规律集成电路的集成度每三年增长四倍特征尺寸每三年缩小倍210G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存储器容量60%/年每三年，翻两番半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番1.E+91.E+81.E+71.E+61.E+51.E+41.E+3’70’74’78’82’86’90’94’98’2002芯片上的晶体管数目微处理器性能每三年翻两番i8080:6,000m68000:68,000PowerPC601:2,800,000PentiumPro:5,500,000i4004:2,300M6800:4,000i8086:28,000i80286:134,000m68020:190,000i80386DX:275,000m68030:273,000i80486DX:1,200,000m68040:1,170,000Pentium:3,300,000PowerPC604:3,600,000PowerPC620:6,900,000“Itanium”:15,950,000PentiumII:7,500,000半导体材料中，硅材料是集成电路的主要材料，是发展的主流。为满足不同需求，也发展其他材料的器件。集成电路技术是近50年来发展最快的技术微电子技术的进步按此比率下降，小汽车价格不到1美分年份特征参数19591970-19712000比率设计规则m2580.18140电源电压VDD(伏）551.53硅片直径尺寸（mm）53030060集成度6210321093108DRAM密度（bit)1K1G106微处理器时钟频率(Hz)750K1G103平均晶体管价格$100.310-6107»1974年由Dennard提出»基本指导思想是：保持MOS器件内部电场不变：恒定电场规律，简称CE律等比例缩小器件的纵向、横向尺寸，以增加跨导和减少负载电容，提高集成电路的性能电源电压也要缩小相同的倍数»漏源电流方程：»由于VDS、(VGS-VTH)、W、L、tox均缩小了倍，Cox增大了倍，因此，IDS缩小倍。门延迟时间tpd为：»其中VDS、IDS、CL均缩小了倍，所以tpd也缩小了倍。标志集成电路性能的功耗延迟积PWtpd则缩小了3倍。ICWLVVVVdsoxsGSTHDSDS2oxoxoxtC0tVCIpdDSLDSoxLWLCC阈值电压不可能缩的太小源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小电源电压标准的改变会带来很大的不便»恒定电压等比例缩小规律(简称CV律)保持电源电压Vds和阈值电压Vth不变，对其它参数进行等比例缩小按CV律缩小后对电路性能的提高远不如CE律，而且采用CV律会使沟道内的电场大大增强CV律一般只适用于沟道长度大于1m的器件，它不适用于沟道长度较短的器件。»准恒定电场等比例缩小规则，缩写为QCE律CE律和CV律的折中，本世纪初采用的最多随着器件尺寸的进一步缩小，强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则，电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能，实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例器件尺寸将缩小倍，而电源电压则只变为原来的/倍参数CE(恒场)律CV(恒压)律QCE(准恒场)律器件尺寸L,W,tox等1/1/1/电源电压1/1/掺杂浓度2阈值电压1/1/电流1/2/负载电容1/1/1/电场强度1门延迟时间1/1/21/功耗1/23/2功耗密度133功耗延迟积1/31/2/3栅电容面积1/21/21/2集成密度222»氧化扩散»光刻»离子注入»金属化»LPCVD二氧化硅淀积»LPCVD多晶硅淀积SiSiO2扩散源扩散区扩散过程演示SiSiO2未曝光的正胶1.生长SiO22.涂胶3.曝光4.显影5.腐蚀SiO26.去胶已曝光的正胶正胶光刻过程演示高能注入离子SiSiO2未经退火的注入区退火后的注入区1.离子注入2.退火离子注入及退火过程演示NPN2.金属化Ⅰ光刻4.介质光刻及平整化6.金属化Ⅱ光刻1.金属化层Ⅰ3.介质5.金属化层ⅡSiO2CBE金属化过程演示热氧化SiO2LPCVD多晶硅LPCVDSiO2P阱N+N+P+P+N型衬底LPCVD二氧化硅淀积25二、集成电路国内外发展现状国外发展迅速，公司很多，IBM、JAZZ、MAXIM、Infinen、Conexant、OnSemi、Philips、Alcatel、ST、Motorola、NEC、ADI、Hitachi、AT&TBell、SiGe、AMS、NS、TI、ADI、NXP、ATMEL、三星、TSMC......等公司三星做存储器是世界第一，线宽做到了16纳米；台积电和台联电已经能够代加工22纳米，准备建立16纳米的FOUNDRY线；IBM、TI、ADI等美国公司重点在军事上，基本不对外开放。二、国内外集成电路状况国内从事民用产品生产的企业：华虹、NEC等，最细线宽达到了0.09微米，主要工艺是CMOS、BICMOS工艺。军用集成电路研制生产单位：航天771所、中国电科24所、47所、58所，最细线宽达到了0.25微米，主要工艺是CMOS、BICMOS、CBIP、SOICBIP、SOICMOS工艺，研制生产高性能的集成电路产品（如抗加集成电路）满足军用需要。与国外有做较大的差距！二、国内外集成电路状况在国家大力支持下，集成电路取得了长足的进步，国内集成电路产业销售突破了3000亿人民币，2011年-2015年年均增长率达到了23%。为我国集成电路产业的发展起到了重要的促进作用。二、国内外集成电路状况29三、集成电路技术发展趋势»支撑集成电路发展的主要技术：特征尺寸继续等比例缩小互连技术SOI与SiGe技术新材料三、集成电路主要技术与发展趋势22nm和45m已进入大生产16nm技术也已经开发完成，正在进入大生产，具备大生产的条件。当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等在7nm正在研发阶段，最关键的加工工艺—光刻技术还是一个大问题，尚未解决多层金属（如：Ti/TiN、W、CU等）互连已在0.13um以下技术中使用；同时低介电常数绝缘材料的使用对提高可靠性也是一个支撑；光互连是解决引线变细后带来的线电阻增大问题的最佳途径。互连技术与器件特征尺寸的缩小（资料来源：SolidstateTechnologyOct.,1998）IBM拥有这两项技术，成为其领先同行制胜的法宝！！SOI(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅)技术完全实现了介质隔离,彻底消除了体硅CMOS集成电路中的寄生闩锁效应速度高集成密度高工艺简单减小了热载流子效应短沟道效应小,特别适合于小尺寸器件体效应小、寄生电容小，特别适合于低压器件SiBJTSiGeHBT能带变化基区高掺杂条件下仍然有高的电子注入效率。能带结构的变化突破了普通Si器件增益、频率、噪声之间不可调和的矛盾关系，并附带优异的负温度系数。优异的模拟SiGeHBT+CMOS=SiGeBiCMOS=高性能模数混合信号电路！以SiGe典型技术领头羊的IBM公司技术发展图重掺杂多晶硅SiO2硅化物经验关系:LToxXj1/3对栅介质层的要求年份1999200120032006200920122015技术0.180.150.130.100.070.050.02等效栅氧化层厚度(nm)4—52—32—31.5—21.51.01.0栅介质的限制新材料技术栅介质的限制等效栅介质层的总厚度：Tox1nm+t栅介质层Toxt多晶硅耗尽t栅介质层t量子效应++由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度:t多晶硅耗尽0.5nm由量子效应引起的等效厚度:t量子效应0.5nm～～限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm随着器件缩小致亚50纳米寻求介电常数大的高K材料来替代SiO2SiO2无法适应亚50纳米器件的要求栅介质的限制SiO2（＝3.9）SiO2/Si界面硅基集成电路发展的基石得以使微电子产业高速和持续发展14nm5nm21世纪硅集成电路技术的三个主要发展方向特征尺寸继续等比例缩小（难度越来越大，成本越来越高！）集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科，如：3D集成微系统等45半导体技术发展路线图1、集成电路走向系统芯片解调/纠错传输反向多路器MPEG解码DRAMDRAM声频接口视频接口IBMCPUSTBPSCIIEEE1284GPIO,etcDRAM卫星/电缆第二代将来第三代SOCSystemOnAChip集成电路走向系统芯片IC的速度很高、功耗很小，但由于PCB板中的连线延时、噪声、可靠性以及重量等因素的限制，已无法满足性能日益提高的整机系统的要求IC设计与制造技术水平的提高，IC规模越来越大，已可以在一个芯片上集成108~109个晶体管分立元件集成电路IC系统芯片SystemOnAChip(简称SOC)将整个系统集成在一个微电子芯片上在需求牵引和技术推动的双重作用下系统芯片(SOC)与集成电路(IC)的设计思想是不同的，它是微电子技术领域的一场革命。集成电路走向系统芯片一般意义上的系统集成芯片广义上的系统集成芯片电、光、声、热、磁力等外界信号的采集—各种传感器执行器、显示器等信息输入与模/数传输信息处理信息输出与数/模转换信息存储I.SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、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II.SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地设计III.SOC的优势嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题嵌入式CPUCore可以使设计者有更大的自由度降低功耗，不需要大量的输出缓冲器使DRAM和CPU之间的速度接近集成电路走向系统芯片2、3D集成微系统52集成电路一方面提升功能和性能的同时，与MEMS等传感器融合，实现单片集成，进一步提升更多的功能。53AnalogDevicesGyroSingleChipRateSensor5VOperationStdAtmosphere100degpersecondSelf-Test0.03deg/sec/sqrthzCompensated5%单片集成MEMS54单片集成MEMS加速度传感器55单片集成MEMS图象传感器»通过3D集成方式，集成不同功能、材料的器件，往微系统方向发展。56微系统的内涵微系统融合微电子、微光子、MEMS、架构、算法五大要素，采用新的设计思想、设计方法、制造方法，