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微电子技术新进展西安理工大学 电子工程系 高 勇
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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
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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 (Clair Kilby) 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
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EEI 1958 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
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EEI 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. Brattain1946 年 1 月， Bell 实验室正式成立半导体研 究小组, W. Schokley ， J. Bardeen 、 W. H. Brattain 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
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EEI 1947 年 12 月 23 日 第一个晶体管 NPN Ge 晶体管 W. Schokley J. Bardeen W. Brattain 获得 1956 年 Nobel 物理奖
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EEI 晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿
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The Moore’s Law
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Moore’s Law: Quantitative 微电子技术是 50 年来发展最快的技术
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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： ENIAC 1946 年 2 月 14 日 Moore School ， Univ. of Pennsylvania 18,000 个电子管 70000 个电阻、 10000 个电容器以及 6000 个继电器 组成。
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EEI 微处理器的发展微处理器的发展
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EEI 1979 年 3 月 1979 年 3 月 16 Bit 16 Bit 2.9 万晶体管 2.9 万晶体管 5 到 8MHz 5 到 8MHz 1.5µm1.5µm 1985 年 10 月 1985 年 10 月 32 Bit 32 Bit 27.5 万晶体管 27.5 万晶体管 16 到 32 MHz 16 到 32 MHz 1µm1µm 8088 Intel 386 1971 年第一个 微处理器 4004 2000 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 微处理器的发展微处理器的发展 4044
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EEI 1989 年 4 月 1989 年 4 月 25 到 50 MHz25 到 50 MHz 1-0.8µm1-0.8µm 32 Bit 32 Bit 120 万晶体管 120 万晶体管 Intel 486 Pentium 1993 年 3 月 1993 年 3 月 32 Bit 32 Bit 310 万晶体管 310 万晶体管 60 到 166 MHz 60 到 166 MHz 0.8µm 0.8µm
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P6 (Pentium Pro) in 1996 150 to 200 MHz clock rate 196 mm**2 5500K transistors (external cache) 0.35 micron 4 layers metal 3.3volt VDD >20W typical power Dissipation 387 pins P6 (Pentium Pro) in 1996 150 to 200 MHz clock rate 196 mm**2 5500K transistors (external cache) 0.35 micron 4 layers metal 3.3volt VDD >20W typical power Dissipation 387 pins
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EEI ·1999 年 2 月，英特尔推出 Pentium III 处理器， 整合 950 万个晶体管， 0.25μm 工艺制造 ·2002 年 1 月推出的 Pentium 4 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。
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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。
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多核微处理器
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AMD 四核 “Barcelona” 处理器 采用 300mm 晶圆， 45 纳米技术制造
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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（ Cell Telephone )---Communication 消费类电子 ( 汽车电子） ---Consumption
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集成电路追求目标 3G(G=10 9 )---3T(T=10 12 ) 存储量（ GB—TByte ） 速度（ GHz—THz) 、 数据传输率 (Gbps- Tbps, bits per second) 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)
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增大晶圆尺寸
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EEI 集成电路制造工艺
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Single die Going up to 12” (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。 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。
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EEI 缩小器件的特征尺寸 所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度, 常常作为技 术水平的标志。对 MOS 器件而言，通常指器件栅电极 所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小 尺寸，也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则） 缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能 / 价格 比最有效手段之一。只有特征尺寸缩小了，在同等集成 度的条件下，芯片面积才可以做得更小, 而且可以使产 品的速度、可靠性都得到提高，相应成本可以降低。
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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 0.5 µ→ 深亚微米 0.35µ, 0.25µ, 0.18µ, 0.13µ → 纳米 90 nm →65 nm → 45nm
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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
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INCREASE OF WAFER DIAMETER
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COMPARISON OF PRODUCTION COSTS (Cu/Low-K 65 nm)
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第一个关键技术： Sub-100nm 光刻
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193nm （ immersion) 光刻技术成为 Sub-100nm(90nm-32/22nm) 工艺的功臣
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新的一代曝光技术？
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· 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
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器件及互连线延迟 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 199719992001200320062009 延迟值 (ns) 器件内部延迟 2 厘米连线延迟 （ bottom layer ） 2 厘米连线延迟 （ top layer ） 2 厘米连线延迟约束
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互连技术与器件特征尺寸的缩小
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– 新型器件结构 - 高性能、低功耗晶体管 FinFET Nano Electronic Device – 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
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Challenges to CMOS Device Scaling 1.Electrostatics Double Gate - Retain gate control over channel - Minimize OFF-state drain-source leakage 2.Transport High Mobility Channel - High mobility/injection velocity - High drive current for low intrinsic delay 3.Parasitics Schottky S/D - Reduced extrinsic resistance 4. Gate leakage High-K Dielectrics - Reduced power consumption 5. Gate depletion Metal Gate 1 2 3 BULK 4 5 Si CMOS is expected to dominate for at least the next 10 - 15 years while 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 IC's with new materials and device structures is crucial.
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SOI(Silicon-On-Insulator ） 绝缘衬底上的硅技术
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QUASI-PLANAR SOI FinFET
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10 nm GATE LENGTH FinFET
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t gate 的缩小，栅泄漏 电流呈指数性增长 随着 t gate 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 G SD 直接隧穿的泄漏电流 栅氧化层厚度小于 3nm 后 t gate 大量的 晶体管 栅介质的限制 传统的栅结构 重掺杂多晶硅 SiO 2 硅化物 经验关系 : L T ox X j 1/3
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90nm→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
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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）
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隧穿效应 SiO 2 的性质 栅介质层 T ox <1 纳米 量子隧穿模型 高 K 介质 ? 杂质涨落 器件沟道区中的杂 质数仅为百的量级 统计规律 新型栅结构 ? 电子输运的 渡越时间～ 碰撞时间 介观物理的 输运理论 ? 沟道长度 L<50 纳米 L 源 漏 栅 Tox p 型硅 n+ 多晶硅 NMOSFET 栅介质层 新一代小尺寸器件问题 带间隧穿 反型层的 量子化效应 电源电压 1V 时，栅介质层中电场 约为 5MV/cm ，硅中电场约 1MV/cm 考虑量子化效应 的器件模型 ? …... 可靠性 诞生基于新原理的器件和电路
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Which can replace Si CMOS? Targets: Lower cost Less power consumption Higher performance DNA IC Single electron transistor (SET ) Spintronics Carbon Nanotube (CNT) Molecular Devices NANOELECTRONIC DEVICE OPTIONS
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SOC System On A Chip 集成电路走向系统芯片
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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 Vdd A B Out
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八十年代的电子系统设计 PE L2 MEM Math Bus Controller IO Graphics 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
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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/SRAM or even DRAM Processor Core DSP Processor Core GraphicsMPEG VRAM Motion Encryption/Decryption SCSI EISA Interface GlueGlue PCI Interface I/O Interface LAN Interface
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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 ）。
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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（ Functional Partition Theory ）。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。
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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。 ”
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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。
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