微电子技术新进展

微电子技术新进展西安理工大学电子工程系高勇内容简介•微电子技术历史简要回顾•微电子技术发展方向–增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸面临的挑战和几个关键技术–集成电路(IC)发展成为系统芯片(SOC)可编程器件可能取代专用集成电路（ASIC）–微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和学科EEI•1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想•1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布。集成电路发明50年EEI1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片获得2000年Nobel物理奖TheMoore’sLawMoore’sLaw:Quantitative微电子技术是50年来发展最快的技术EEI世界上第一台计算机大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min第一台通用电子计算机：ENIAC1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000个电子管70000个电阻、10000个电容器以及6000个继电器组成。EEI•1979年3月•16Bit•2.9万晶体管•5到8MHz•1.5µm•1985年10月•32Bit•27.5万晶体管•16到32MHz•1µm8088Intel3861971年第一个微处理器40042000多个晶体管10μm的PMOS工艺1982年286微处理器13.4万个晶体管频率6MHz、8MHz、10MHz和12.5MHz微处理器的发展4044EEI•1989年4月•25到50MHz•1-0.8µm•32Bit•120万晶体管Intel486Pentium•1993年3月•32Bit•310万晶体管•60到166MHz•0.8µmP6(PentiumPro)in1996150to200MHzclockrate196mm**25500Ktransistors(externalcache)0.35micron4layersmetal3.3voltVDD20WtypicalpowerDissipation387pinsEEI·1999年2月，英特尔推出PentiumIII处理器，整合950万个晶体管，0.25μm工艺制造·2002年1月推出的Pentium4处理器，其整合5500万个晶体管，采用0.13μm工艺生产2002年8月13日，英特尔开始90nm制程的突破，业内首次在生产中采用应变硅；2005年顺利过渡到了65nm工艺。2007年英特尔推出45nm正式量产工艺，45nm技术是全新的技术，可以让摩尔定律至少再服役10年。多核微处理器AMD四核“Barcelona”处理器采用300mm晶圆，45纳米技术制造二、微电子技术的主要发展方向(1)电子信息类产品的开发明显出现了两个特点：(1)开发产品的复杂程度激增;(2)开发产品的上市时限紧迫（TTM)集成电路在电子销售额中的份额逐年提高已进入后PC时代•计算机（PC)-----Computer•通讯（CellTelephone)---Communication•消费类电子(汽车电子）---Consumption集成电路追求目标3G(G=109)---3T(T=1012)存储量（GB—TByte）速度（GHz—THz)、数据传输率(Gbps-Tbps,bitspersecond)三个主要发展方向：继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)可编程器件可能取代专用集成电路（ASIC）微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科二、微电子技术的主要发展方向(2)增大晶圆尺寸EEI集成电路制造工艺SingledieGoingupto12”(300mm)Wafer大生产的硅片直径已经从200mm转入300mm。2015年左右有可能出现400mm--450mm直径的硅片。EEI缩小器件的特征尺寸集成电路最主要的特征参数的设计规则从1959年以来40年间缩小了140倍。而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微电子技术面临的挑战和关键技术（1）继续增大晶圆尺寸（2）Sub-100nm光刻技术（3）互连线技术（4）新器件结构与新材料INCREASEOFWAFERDIAMETERCOMPARISONOFPRODUCTIONCOSTS(Cu/Low-K65nm)Cost/wafer$2,800200mmCost/cm2$8.92Cost/wafer$4,390300mmCost/cm2$6.21Cost/wafer+57%From200mmto300mmCost/cm2-30%第一个关键技术：Sub-100nm光刻193nm（immersion)光刻技术成为Sub-100nm(90nm-32/22nm)工艺的功臣新的一代曝光技术？·传统的铝互联（电导率低、易加工）·铜互连首先在0.25/0.18µm技术中使用·在0.13µm以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用（预测可缩到20nm）·高速铜质接头和新型低-k介质材料,探索碳纳米管等替代材料第二个关键技术：多层互连技术器件及互连线延迟00.511.522.533.54199719992001200320062009延迟值(ns)器件内部延迟2厘米连线延迟（bottomlayer）2厘米连线延迟（toplayer）2厘米连线延迟约束互连技术与器件特征尺寸的缩小–新型器件结构-高性能、低功耗晶体管FinFETNanoElectronicDevice–新型材料体系•SOI材料•应变硅•高K介质•金属栅电极第三个关键技术:新器件与新材料ChallengestoCMOSDeviceScaling1.ElectrostaticsDoubleGate-Retaingatecontroloverchannel-MinimizeOFF-statedrain-sourceleakage2.TransportHighMobilityChannel-Highmobility/injectionvelocity-Highdrivecurrentforlowintrinsicdelay3.ParasiticsSchottkyS/D-Reducedextrinsicresistance4.GateleakageHigh-KDielectrics-Reducedpowerconsumption5.GatedepletionMetalGate123BULK45SiCMOSisexpectedtodominateforatleastthenext10-15yearswhilescalingoftraditionalFETsisexpectedtoslowinthenext5-10years,sofindingwaystoaddfunctionandimproveperformanceoffutureIC'swithnewmaterialsanddevicestructuresiscrucial.SOI(Silicon-On-Insulator）绝缘衬底上的硅技术QUASI-PLANARSOIFinFET10nmGATELENGTHFinFET随着tgate的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长超薄栅氧化层栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于3nm后tgate大量的晶体管栅介质的限制传统的栅结构重掺杂多晶硅SiO2硅化物经验关系:LToxXj1/390nm→65nm工艺：栅极栅介质已经缩小到1.2nm了（约等于5个原子厚度）栅极栅介质太薄，就会造成漏电电流穿透在45nm工艺中采用High－K＋金属栅极晶体管使摩尔定律得到了延伸（可以到35nm、25nm工艺）WhichcanreplaceSiCMOS?Targets:LowercostLesspowerconsumptionHigherperformanceDNAICSingleelectrontransistor(SET)SpintronicsCarbonNanotube(CNT)MolecularDevicesNANOELECTRONICDEVICEOPTIONS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七十年代的集成电路设计•微米级工艺•基于晶体管级互连•主流CAD：图形编辑VddABOut八十年代的电子系统设计PEL2MEMMathBusControllerIOGraphics•PCB集成•工艺无关系统•亚微米级工艺•依赖工艺•基于标准单元互连•主流CAD:门阵列标准单元集成电路芯片世纪之交的系统设计SYSTEM-ON-A-CHIP•深亚微米、超深亚微米级工艺•基于IP复用•主流CAD：软硬件协同设计MEMORYCache/SRAMorevenDRAMProcessorCoreDSPProcessorCoreGraphicsMPEGVRAMMotionEncryption/DecryptionSCSIEISAInterfaceGlueGluePCIInterfaceI/OInterfaceLANInterface集成电路走向系统芯片•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）。SOC主要三个关键支持技术•软、硬件的协同设计技术面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论（FunctionalPartitionTheory）。硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是21世纪IT业发展的一大趋势。•IP模块库的复用技术IP模块有三种：软核----主要是功能描述；固核----主要为结构设计；硬核----基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺验证的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和快闪存储器以及A/D、D/A等都可以成为硬核。•模块界面间的综合分析技术主要包括IP模块间的胶联逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等。现场可编程门阵列(FPGA)替代专用集成电路（ASIC）用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。“整个市场都认为这是半导体的未来。”MEMS技术和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术•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。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微机电系统。•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。