微电子器件与IC设计 (1)

集成微电子器件主讲：徐静平教授绪论微电子器件的发展历史和现状:1947年：点接触晶体管问世；1950年代：可控制导电类型的超高纯度单晶问世，结型晶体管出现（取代真空管，收音机）；1960年代：第一代集成电路（IC）出现，电视时代；1970年代：集成电路（IC），微波时代；1980年代：大规模集成电路（LSI），卫星通信时代;1990年代：超大规模集成电路（VLSI），光通信时代Hz610Hz810Hz1010Hz1210Hz14101.晶体管的发明1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley肖克莱，J.Bardeen巴丁、W.H.Brattain布拉顿。Bardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验。1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管肖克莱(WilliamShockley)巴丁(JohnBardeen)布拉顿(WalterBrattain)二战结束时，诸多半导体方面的研究成果为晶体管的发明作好了理论及实践上的准备。1946年1月，依据战略发展思想，Bell实验室成立了固体物理研究组及冶金组，开展固体物理方面的研究工作。在系统的研究过程中，肖克莱根据肖特基的整流理论，预言通过“场效应”原理，可以实现放大器，然而实验结果与理论预言相差很多。经过周密的分析，巴丁提出表面态理论，开辟了新的研究思路，兼之对电子运动规律的不断探索，经过多次实验，于1947年12月实验观测到点接触型晶体管放大现象。第二年1月肖克莱提出结型晶体管理论，并于1952年制备出结型锗晶体管，从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕。晶体管的发明1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山（MountainView）贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克莱（WilliamShockley，1910—1989）、美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁（JohnBardeen，1908—1991）和美国纽约州缪勒海尔（MurrayHill）贝尔电话实验室的布拉顿（WalterBrattain，1902—1987），以表彰他们在1947年12月23日发明第一个对半导体的研究和PNP点接触式Ge晶体管效应的发现。世界上第一个Ge点接触型PNP晶体管蒸金箔塑料楔金属基极锗发射极集电极0.005cm的间距2.集成电路的发明1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer达默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年公布了该结果1958年第一块集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片1958年发明第一块简单IC的美国TI公司JackS.Kilby杰克·基尔比、美国加利福尼亚大学的赫伯特·克勒默和俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的泽罗斯·阿尔费罗夫一起获得2000年Nobel物理奖，以表彰他们为现代信息技术的所作出的基础性贡献，特别是他们发明的IC、激光二极管和异质晶体管。赫伯特·克勒默杰克·基尔比泽罗斯·阿尔费罗夫1958年9月12日，TI公司的JackS.Kilby在德州仪器半导体实验室展示了一个构造较为简单的设备。第一次将所有有源和无源元器件都集合到只有一个曲别针大小（不足1/2英寸见方）的半导体材料上。这块集成电路共集成了十二个元件（两个晶体管、两个电容和八个电阻）。Kilby本人也因此与赫伯特·克勒默和俄罗斯的泽罗斯·阿尔费罗夫一起荣获2000年度诺贝尔物理学奖。第一块集成电路集成电路草图青年基尔比Ge衬底上的混合集成电路，美国专利号31387431959年美国仙童/飞兆公司（Fairchilds）的R.Noicy诺依斯开发出用于IC的Si平面工艺技术，从而推动了IC制造业的大发展。1959年仙童公司制造的IC年轻时代的诺伊斯1958年，J.Kilby在对小型化IF放大器的仔细分析、特别是进行了成本分析后，他认为用传统的微型化模型的工作方式是解决不了问题的。解决问题的出路在于全半导体化——一个新的方法。因此他试图将电阻、电容等无源元件和有源元件都做在同一块半导体材料上。进一步分析认为有可能将这些元件同时“在位”制备在一起，并用互连形成电路。这时，Kilby实际上已完成了集成电路的创新思维过程。他很快就画出了关于触发器(flip-flop)的构思，用硅的体电阻做电阻器，用P-N结形成电容器（1959年7月24日的实验室笔记）。集成电路的发明集成电路早在1952年英国Dummer已经提出其概念，为什么它的发明不在英国而在美国呢？MichaelF.Wolff曾经总结了下面几条：1.Kilby和Noyce都强调广泛的半导体技术基础的重要性。1952年的英国并不存在这个基础，而美国却存在。2.客观需求对小型化的要求，特别是军事上应用提出的迫切需求，促进了集成电路的发明。基于同一理由，军队需求成为集成电路的最早用户，促进了集成电路的工业生产。集成电路发明的启示3.集成电路发明不是偶然的事件，相反地，它是对客观存在问题的一系列解决方案研究的结果，是技术发展的客观必然。4.Kilby和Noyce所在的两个公司TI和Fairchild公司都是年轻、成长中的公司，这里的管理者都营造了良好的有利于创新的氛围。而Dummer认为这正是当时的英国所缺乏的。Dummer还特意强调，美国公司所以具有创新的精神，还有下列一些条件：1.电子工程师往往用自己的资金或用风险基金创业，因而工作勤奋。2.政府支持（政府给予合同）往往帮助他们起步。3.国内市场的需求是一个成功的重要因素。4.在美国，鼓励员工在公司中持股，给予员工一个激励的机制。Dummer认为，一个企业的成功总是有赖于一些人的创新和献身精神。这些总结和归纳虽然发表在20多年前，但对当前的科学研究工作和科技成果的产业化仍有着深刻的指导意义。集成电路发明的启示学习与科学研究是一个艰苦的过程，需要有艰苦奋斗的准备，需要终生的努力。“终生努力，便成天才。”--门捷列夫。60年代TTL、ECL出现并得到广泛应用。1966年MOSLSI发明（集成度高，功耗低）70年代MOSLSI得到大发展（出现集成化微处理器，存储器）VLSI，典型产品64KDRAM，16位MPU80年代VLSI出现，使IC进入了崭新的阶段（其标志为特征尺寸小于2m，集成度105个元件/片）典型产品4MDRAM(集成度8∙106，芯片面积91mm2，特征尺寸0.8μm，晶片直径150mm)，于89年开始商业化生产，95年达到生产顶峰。集成电路发展简史90年代ASIC、ULSI和巨大规模集成GSI等代表更高技术水平的IC不断涌现，并成为IC应用的主流产品。1GDRAM(集成度2.2∙109，芯片面积700mm2，特征尺寸0.18μm，晶片直径200mm)，2000年开始商业化生产，2004年达到生产顶峰。集成电路的规模不断提高，CPU(P4)己超过4000万晶体管，DRAM已达Gb规模。集成电路的速度不断提高，采用0.13μmCMOS工艺实现的CPU主时钟已超过2GHz，实现的超高速数字电路速率已超过10Gb/s，射频电路的最高工作频率已超过6GHz。由于集成电路器件制造能力按每3年翻两番，即每年58％的速度提升，而电路设计能力每年只以21％的速度提升，电路设计能力明显落后于器件制造能力，且其鸿沟(gap)呈现越来越变宽的趋势。工艺线建设投资费用越来越高。目前一条8英寸0.35μm工艺线的投资约20亿美元，但在几年内一条12英寸0．09μm工艺线的投资将超过100亿美元。如此巨额投资已非单独一个公司，甚至一个发展中国家所能单独负担的。21世纪集成电路复杂度不断增加，系统芯片或称芯片系统SoC(System-on-Chip)成为开发目标、纳米器件与电路等领域的研究已展开。英特尔曾于2003年11月底展示了首个能工作的65纳米制程的硅片，Intel2004年8月宣布，他们已经采用65纳米，生产出了70Mbit的SRAM。并计划于2005年正式进入商业化生产阶段。SRAM（静态存储器）将用于高速的存储设备，处理器中非常重要的缓存就是采用SRAM。Intel表示，通过采用第二代应变硅技术（应变硅技术是一种对晶体管沟道部分的硅施加应力使其变形，以此提高载流子迁移率的技术。借由加大硅原子间彼此的距离，电子便能够更加迅速地运行。而电子的运行速度越快，处理器的性能就越好。）可以将晶体管的性能提升10%~15%。与90纳米工艺制造的晶体管相比，65纳米制程晶体管可以在同样的性能下减少4倍的漏电电流。未来将会有越来越多的产品采用65纳米工艺。Intel公司2004年底宣布首次成功开发出15纳米的晶体管。Intel的15纳米晶体管基于CMOS工艺，工作电压为0.8伏，每秒可进行2.63万亿次开关转换。Intel计划在2009年开发出基于15纳米晶体管的芯片，到时该公司开发出的处理器将达到20GHz甚至更高。所谓Moore定律是在1965年由INTEL公司的Gordon.Moore提出的，其内容是硅集成电路按照4年（后来发展到3~4年）为一代、每代的芯片集成度要翻两番、工艺线宽约缩小30%、IC工作速度提高1.5倍等发展规律发展。GordonE.Moore博士-1965年集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，这就是摩尔定律不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力微电子发展的规律21.微细加工技术的提高微细加工技术水平通常用特征尺寸CD（CriticalDimension）表征，对于MOS工艺，特征尺寸指工艺所能达到的最小沟道长度或栅的宽度；对于双极Bipolar工艺而言，则是指发射区条的最小宽度。影响微细加工技术极限的因素，主要是光刻精度。随着技术的不断发展，体现为EUV（特短紫外光）的发展和电子束投影曝光技术的发展。总的来看，微细加工技术是沿着如下轨迹持续推进的：10m亚微米0.90.5m深亚微米（0.5m）0.180.12m纳米（0.1m）。大约每代产品的特征尺寸缩小0.7倍。半导体IC技术发展趋势2、芯片面积扩大随着IC芯片功能的日益强大，电路系统也更加复杂，单芯片面积也不断增大，以容纳更多的元器件和子单元。单片面积已由10mm2扩大到100mm2甚至几百mm2。大约每代产品的芯片面积增大1.5倍。3、大圆片Wafer，大直径化圆片大直径化的发展：4″5″6″8″10″12″16″（1″=1英寸=2.54cm=25.4mm）4、简化电路结构半导体IC的持续发展，不仅有赖于材料和工艺技术的进步，还需要从设计的角度出发，开发新型的电路结构，以尽可能少的元件，实现预期的设计指标和性能。表1.2将来硅基集成电路的要求（ITRS2005）年份2005200620072008200920102011201420172020DRAM半间距(nm)80706557514540282014ASIC栅长(nm)90786859524540282014MPU栅长(nm)5448423834302719139EOT(Å)141312111099877存储器容量8G8G16G16G16G32G32G64G128G256GMPU芯片晶体管数(百万晶体管)38638638677377377315463092618412368MPU芯片面积(mm2)1118814011188140111111111111硅片直径(mm)30030030030030030030045045045000.050.10.150.20.250.3199719992001200320062009特征尺寸（微米）工艺尺寸0100200300400500600199719992001200320062009晶体管数（M）晶体管数工艺特征尺寸单个芯片上的晶体管数0100200300400500600700199719992001200320062009芯片面积（