微电子技术新进展.ppt

《微电子技术新进展.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微电子技术新进展.ppt（68页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、微电子技术新进展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1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面态理论，Scho

2、kley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晶体管的发明晶体管的发明1947年年12月月23日日第一个晶体管第一个晶体管NPNGe晶体管晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain获得获得1956年年Nobel物理奖物理奖晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿19521952年年5 5月月，英英国国科科学学家家G.G.W.W.A.A.DummerDummer第一次提出了集成电路的

3、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1958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TheMooresLaw微小化Moores Law:Quantitative微电子技术是微电子技术是50年来发展最快的技术年来

4、发展最快的技术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。组成。微处理器的发展微处理器的发

5、展 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 m8088Intel38

6、619711971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40444044 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 Bit32 Bit

7、32 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 cache)0.35

8、micron4 layers metal3.3volt VDD20W typical powerDissipation387 pins19991999年年2 2月，英特尔推出月，英特尔推出Pentium IIIPentium III处理器，整处理器，整合合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，其整合处理器，其整合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，英特尔开始90nm90n

9、m制程的突破，业制程的突破，业内首次在生产中采用应变硅；内首次在生产中采用应变硅；20052005年顺利过渡到了年顺利过渡到了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：电子信息类产品的开发明显出现

10、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,bitspersecond

11、)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200mm200mm转入转入300mm3

12、00mm。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。缩小器件的特征尺寸 所所谓谓特特征征尺尺寸寸是是指指器器件件中中最最小小线线条条宽宽度度,常常常常作作为为技技术术水水平平的的标标志志。对对MOSMOS器器件件而而言言，通通常常指指器器件件栅栅电电极极所所决决定定的的沟沟道道几几何何长长度度，是是一一条条工工艺艺线线中中能能加加工工的的最最小小尺尺寸寸，也也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则）。是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则）。缩缩小小特特征征尺尺寸寸从从而而提提高高集集成成度度是是提提高高产产品品性性能能

13、/价价格格比比最最有有效效手手段段之之一一。只只有有特特征征尺尺寸寸缩缩小小了了，在在同同等等集集成成度度的的条条件件下下，芯芯片片面面积积才才可可以以做做得得更更小小,而而且且可可以以使使产产品品的的速度、可靠性都得到提高，相应成本可以降低速度、可靠性都得到提高，相应成本可以降低。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年年以来以来4040年间缩小了年间缩小了140140倍。而平均晶体管价格降低了倍。而平均晶体管价格降低了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（

14、亚微米 ）半半微米微米 0.5 0.5 深亚微米深亚微米 0.35,0.25,0.18,0.130.35,0.25,0.18,0.13 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

15、：第一个关键技术：Sub-100nmSub-100nm光刻光刻193nm193nm（immersion)immersion)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缘以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用（预测可缩到材料共同使用（预测可缩到20nm20nm）高速铜质

16、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,探索碳探索碳纳米管等替代材料纳米管等替代材料第二个关键技术：多层互连技术第二个关键技术：多层互连技术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)(

17、ns)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.Tra

18、nsport High Mobility Channel -High mobility/injection velocity -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 lea

19、st the next 10-15 yearsnwhile scaling of traditional FETs is expected 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-PLANARSOIFinFET10nmGATELENG

20、THFinFET 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1.2nm1.2n

21、m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）隧穿效应隧穿效应SiO2的性质的性质栅介质层栅介质层Tox1纳米纳米量子隧穿模型量子隧穿模型高高K介质介质?杂质涨落杂质涨落器件沟道区中的杂器件沟道区中的杂质数仅为百的量级质数仅为百的量级统计规律统计规律新型栅结构新型栅结构?电子输运的电子输运的渡越时间渡越时间碰撞时间碰撞时间介观物理的介观物理的输运理论输运理论?沟道长度沟道长度L20(VCE=1V，IC=500mA)设计二（双学号）高频大功率晶体管重点考虑功率特性和高频特性高频大功率晶体管设计指标工作频率：f 400MHz交流输出功率：P0=5w （f=400MHz）交流功率增益：Kp 5db （f=400MHz）工作电压：VCC=28V工作效率：甲类工作状态，=401、分析主要参数的决定因素2、选定图形结构3、确定纵向结构参数4、确定横向结构参数5、验算参数是否满足要求6、确定器件结构及工艺版图设计步骤（设计报告要求内容）