微电子技术新进展22070.pptx

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1、微电子技术新进展西安理工大学西安理工大学电子工程系电子工程系 高高 勇勇内容简介内容简介微电子技术历史简要回顾微电子技术历史简要回顾微电子技术发展方向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几个关键技术集成电路集成电路(IC)发展成为系统芯片发展成为系统芯片(SOC)可编程器件可能取代专用集成电路（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微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和学科和学科EEI19521952年年5 5月月，英英国国科科学学家家G.G.W.W.A.A.DummerDumme

2、r第一次提出了集成电路的设想第一次提出了集成电路的设想19581958年年以以德德克克萨萨斯斯仪仪器器公公司司的的科科学学家家基基尔尔比比(Clair(Clair Kilby)Kilby)为为首首的的研研究究小小组组研研制制出出了了世界上第一块集成电路，并于世界上第一块集成电路，并于19591959年公布。年公布。集成电路发明集成电路发明5050年年EEI1958年第一块集成电路：年第一块集成电路：TI公司的公司的Kilby，12个器件，个器件，Ge晶片晶片获得获得2000年年Nobel物理奖物理奖TheMooresLawMoores Law:Quantitative微电子技术是微电子技术是5

3、0年来发展最快的技术年来发展最快的技术EEI世界上第一台计算机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第一台通用电子第一台通用电子计算机：计算机：ENIAC ENIAC 19461946年年2 2月月1414日日Moore SchoolMoore School，Univ.of Univ.of PennsylvaniaPennsylvania18,00018,000个电子管个电子管7000070000个电阻、个电阻、1000010000个电容器以及个电容器以及60006000个继电器个继电器组成。组

4、成。EEI 1979 1979 1979 1979年年年年3 3 3 3月月月月 16 Bit16 Bit16 Bit16 Bit 2.9 2.9 2.9 2.9万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管 5 5 5 5到到到到8MHz8MHz8MHz8MHz 1.51.51.51.5 m m m m 1985198519851985年年年年10101010月月月月 32 Bit32 Bit32 Bit32 Bit 27.5 27.5 27.5 27.5万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管 16161616到到到到32 MHz32 MHz32 MHz32 MHz 1 1 1 1 m m m m8088Int

5、el38619711971年第一个年第一个微处理器微处理器4004400420002000多个晶体管多个晶体管10m10m的的PMOSPMOS工艺工艺19821982年年286286微处理器微处理器13.413.4万个晶体管万个晶体管频率频率6MHz6MHz、8MHz8MHz、10MHz10MHz和和12.5MHz12.5MHz微处理器的发展微处理器的发展40444044EEI 1989198919891989年年年年4 4 4 4月月月月 25252525到到到到50 MHz50 MHz50 MHz50 MHz 1-0.81-0.81-0.81-0.8 m m m m 32 Bit32 Bi

6、t32 Bit32 Bit 120 120 120 120万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管Intel486Pentium 1993199319931993年年年年3 3 3 3月月月月 32 Bit32 Bit32 Bit32 Bit 310 310 310 310万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管 60606060到到到到166 MHz166 MHz166 MHz166 MHz 0.8 0.8 0.8 0.8 m m m mP6(Pentium Pro)in 1996150 to 200 MHz clock rate196 mm*25500K transistors(external cach

7、e)0.35 micron4 layers metal3.3volt VDD20W typical powerDissipation387 pinsEEI19991999年年2 2月，英特尔推出月，英特尔推出Pentium IIIPentium III处理处理器，整合器，整合950950万个晶体管，万个晶体管，0.25m0.25m工艺制造工艺制造20022002年年1 1月推出的月推出的Pentium 4Pentium 4处理器，其整处理器，其整合合55005500万个晶体管，采用万个晶体管，采用0.13m0.13m工艺生产工艺生产 20022002年年8 8月月1313日，英特尔开始日，英特

8、尔开始90nm90nm制程的突制程的突破，业内首次在生产中采用应变硅；破，业内首次在生产中采用应变硅；20052005年年顺利过渡到了顺利过渡到了65nm65nm工艺。工艺。20072007年英特尔推出年英特尔推出45nm45nm正式正式量产工艺，量产工艺，45nm45nm技术是全新的技术是全新的技术，可以让摩尔定律至少再技术，可以让摩尔定律至少再服役服役1010年年。多核微处理器AMD四核四核“Barcelona”处理器处理器采用采用300mm晶圆，晶圆，45纳米技术制造纳米技术制造二、微电子技术的主要发展方向二、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：电子信息

9、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开发产品的复杂程度激增;(2)开发产品的上市时限紧迫（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集成电路在电子销售额中的份额逐年提高已进入后已进入后PC时代时代计算机（计算机（PC)-Computer通讯（通讯（CellTelephone)-Communication消费类电子消费类电子(汽车电子）汽车电子）-Consumption集成电路追求目标集成电路追求目标3G(G=109)-3T(T=1012)存储量（存储量（GBTByte）速度（速度（GHzTHz)、数据传输率数据传输率(Gbps-Tbps,bit

10、spersecond)三个主要发展方向：三个主要发展方向：继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸集成电路集成电路(IC)将发展成为系统芯片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（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微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科学科二、微电子技术的主要发展方向二、微电子技术的主要发展方向(2)(2)增大晶圆尺寸增大晶圆尺寸EEI集成电路制造工艺Single dieGoing up to 12”(300mm)Wafer大生产的硅片直径已经从大生产的硅片直径已经从200mm20

11、0mm转入转入300mm300mm。20152015年左右有可能出现年左右有可能出现400mm-450mm400mm-450mm直径的硅片。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集成电路最主要的特征参数的设计规则从19591959年以来年以来4040年间缩小了年间缩小了140140倍。而平均晶体管价倍。而平均晶体管价格降低了格降低了107107倍。倍。特征尺寸：特征尺寸：1010微米微米-1.0-1.0微米微米-0.80.8（亚微米（亚微米 ）半微米半微米 0.5 0.5 深亚微米深亚微米 0.35,0.25,0.35,0.25,0.18,0.130.18

12、,0.13 纳米纳米 90 nm 65 nm 45nm90 nm 65 nm 45nm 微电子技术面临的挑战和关键技术微电子技术面临的挑战和关键技术（1 1）继续增大晶圆尺寸）继续增大晶圆尺寸（2 2）Sub-100nmSub-100nm光刻技术光刻技术（3 3）互连线技术）互连线技术（4 4）新器件结构与新材料）新器件结构与新材料INCREASEOFWAFERDIAMETERCOMPARISONOFPRODUCTIONCOSTS(Cu/Low-K65nm)第一个关键技术：第一个关键技术：Sub-100nmSub-100nm光刻光刻193nm193nm（immersion)immersion)

13、光刻技术成为光刻技术成为 Sub-100nm(90nm-32/22nm)Sub-100nm(90nm-32/22nm)工艺的功臣工艺的功臣新的一代曝光技术？新的一代曝光技术？传统的铝互联（电导率低、易加工）传统的铝互联（电导率低、易加工）铜互连首先在铜互连首先在0.25/0.18m0.25/0.18m技术中使用技术中使用在在0.13m0.13m以后，铜互连与低介电常数绝以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用（预测可缩到缘材料共同使用（预测可缩到20nm20nm）高速铜质接头和新型低高速铜质接头和新型低-k-k介质材料介质材料,探探索碳纳米管等替代材料索碳纳米管等替代材料第二个关键技术：多层互

14、连技术第二个关键技术：多层互连技术器件及互连线延迟器件及互连线延迟0 00.50.51 11.51.52 22.52.53 33.53.54 4199719971999199920012001200320032006200620092009延迟值延迟值(ns)(ns)器件内部延迟器件内部延迟2 2厘米连线延迟厘米连线延迟（bottom layerbottom layer）2 2厘米连线延迟厘米连线延迟（top layertop layer）2 2厘米连线延迟约束厘米连线延迟约束互连技术与器件特征尺寸的缩小互连技术与器件特征尺寸的缩小 新型器件结构新型器件结构-高性能、低功耗晶体管高性能、低功耗

15、晶体管 FinFETNanoElectronicDevice新型材料体系新型材料体系SOI材料材料应变硅应变硅高高K介质介质金属栅电极金属栅电极第三个关键技术第三个关键技术:新器件与新材料新器件与新材料ChallengestoCMOSDeviceScaling1.Electrostatics Double Gate -Retain gate control over channel -Minimize OFF-state drain-source leakage2.Transport High Mobility Channel -High mobility/injection velocity

16、 -High drive current for low intrinsic delay3.Parasitics Schottky S/D -Reduced extrinsic resistance4.Gate leakage High-K Dielectrics -Reduced power consumption5.Gate depletion Metal Gate123BULK45nSi CMOS is expected to dominate for at least the next 10-15 yearsnwhile scaling of traditional FETs is e

17、xpected to slow in the next 5-10 years,so finding ways to add function and improve performance of future ICs with new materials and device structures is crucial.SOI(Silicon-On-Insulator）绝缘衬底上的硅技术绝缘衬底上的硅技术 QUASI-PLANARSOIFinFET10nmGATELENGTHFinFET 随着随着 t tgategate 的缩小，栅泄漏的缩小，栅泄漏的缩小，栅泄漏的缩小，栅泄漏电流呈指数性增长

18、电流呈指数性增长电流呈指数性增长电流呈指数性增长超薄栅超薄栅氧化层氧化层栅氧化层的势垒栅氧化层的势垒GSD直接隧穿的泄漏电流直接隧穿的泄漏电流栅氧化层厚度小于栅氧化层厚度小于3nm后后tgate大量的大量的晶体管晶体管栅介质的限制栅介质的限制传统的栅结构传统的栅结构传统的栅结构传统的栅结构重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2硅化物硅化物 经验关系经验关系:L ToxXj1/390nm90nm65nm65nm工艺：栅极栅介质已经缩小到工艺：栅极栅介质已经缩小到1.2nm1.2nm了了（约等于（约等于5 5个原子厚度）栅极栅介质太薄，就会造成漏电电流穿透个原子厚度）栅极栅介质太薄，就会造成漏电电流穿透

19、在在45nm45nm工艺中采用工艺中采用HighHighK K金属栅极晶体管金属栅极晶体管使摩尔定律得到了延伸（可以到使摩尔定律得到了延伸（可以到35nm35nm、25nm25nm工艺）工艺）WhichcanreplaceSiCMOS?Targets:Lower costLess power consumptionHigher performanceDNA ICSingle electron transistor(SET)SpintronicsCarbon Nanotube(CNT)Molecular DevicesNANOELECTRONICDEVICEOPTIONSSOCSOCSystem

20、OnAChip集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片七十年代的集成电路设计七十年代的集成电路设计微米级工艺微米级工艺基于晶体管级互连基于晶体管级互连主流主流CAD：图形编辑：图形编辑VddABOut八十年代的电子系统设计八十年代的电子系统设计 PCB集成集成 工艺无关工艺无关系统系统亚微米级工艺亚微米级工艺依赖工艺依赖工艺基于标准单元互连基于标准单元互连主流主流CAD:门阵列门阵列 标准单元标准单元集成电路芯片集成电路芯片世纪之交的系统设计世纪之交的系统设计SYSTEM-ON-A-CHIPSYSTEM-ON-A-CHIP深亚微米、超深亚深亚微米、超深亚 微米级工艺微米级工艺基于基于IP复用复

21、用主流主流CAD：软硬件协：软硬件协 同设计同设计MEMORYMEMORYCache/SRAM Cache/SRAM or even DRAMor even DRAMProcessorProcessorCoreCoreDSPDSPProcessorProcessorCoreCoreGraphicsGraphicsMPEGMPEGVRAMVRAMMotionMotionEncryption/Encryption/DecryptionDecryptionSCSISCSIEISAInterfaceEISAInterfaceGlueGlueGlueGluePCIInterfacePCIInterfac

22、eI/OInterfaceI/OInterfaceLANInterfaceLANInterface集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片 SOC与与IC的的设设计计原原理理是是不不同同的的，它它是是微微电电子子设计领域的一场革命。设计领域的一场革命。SOC是是从从整整个个系系统统的的角角度度出出发发，把把处处理理机机制制、模模型型算算法法、软软件件（特特别别是是芯芯片片上上的的操操作作系系统统-嵌嵌入入式式的的操操作作系系统统）、芯芯片片结结构构、各各层层次次电电路路直直至至器器件件的的设设计计紧紧密密结结合合起起来来，在在单单个个芯芯片片上上完完成成整整个个系系统统的的功功能能。它它的的设

23、设计计必必须须从从系系统统行行为为级开始自顶向下（级开始自顶向下（Top-Down）。）。SOC主要三个关键支持技术主要三个关键支持技术软、硬件的协同设计技术软、硬件的协同设计技术面面向向不不同同系系统统的的软软件件和和硬硬件件的的功功能能划划分分理理论论（FunctionalPartitionTheory）。硬硬件件和和软软件件更更加加紧紧密密结结合合不不仅仅是是SOC的的重重要要特特点点，也也是是21世世纪纪IT业业发发展展的的一大趋势。一大趋势。IP模块库的复用技术模块库的复用技术IP模块有三种：模块有三种：软核软核-主要是功能描述；主要是功能描述；固核固核-主要为结构设计；主要为结构设

24、计；硬硬核核-基基于于工工艺艺的的物物理理设设计计，与与工工艺艺相相关关，并并经经过过工工艺艺验验证证的的。其其中中以以硬硬核核使使用用价价值值最最高高。CMOS的的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和和快快闪闪存存储储器器以以及及A/D、D/A等都可以成为硬核。等都可以成为硬核。模块界面间的综合分析技术模块界面间的综合分析技术主主要要包包括括IP模模块块间间的的胶胶联联逻逻辑辑技技术术和和IP模模块块综综合合分分析及其实现技术等。析及其实现技术等。现场可编程门阵列现场可编程门阵列 (FPGA)(FPGA)替代替代专用集成电路（专用集成电路（ASICASIC）用可编程逻辑技术把整个系统放

25、到一块硅片上，称作用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPCSOPC。“整个市场都认为这是半导体的未来。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技术和生物信息技术将成为下一代半导体主流技术下一代半导体主流技术MEMS技术技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融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。从广义上合，实现了微电子与机械融为一体的系统。从广义上讲，讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处是指集微型传感器、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理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源

26、于一体的微机电系统。的微机电系统。微微电电子子与与生生物物技技术术紧紧密密结结合合的的以以DNA芯芯片片等等为为代代表表的的生生物物工工程程芯芯片片将将是是21世世纪纪微微电电子子领领域域的的另另一一个个热热点点和和新的经济增长点。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有多达10-20万种万种DNA基因片段的芯片。芯片可在极短基因片段的芯片。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、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。重要作用。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH