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1、微电子制造原理与技术微电子制造原理与技术第二部分第二部分第二部分 芯片制造原理与技术芯片制造原理与技术芯片制造原理与技术李明芯片发展历程与莫尔定律晶体管结构及其作用芯片微纳制造技术第1个晶体管的诞生l1947.12.23点接触式晶体管ByBardeen&Brattainl第一篇关于晶体管的文章BrWebsters“Thetransistor,asemiconductortriode”（晶体管，一个半导体三级管）l“Transistor=transfer+resistor,（晶体管传输+电阻）Transferringelectricalsignalacrossaresistor”（经过一个电阻传
2、输点信号）l场效应晶体管理论场效应晶体管理论通过表面电荷调制半导体薄膜的电导通过表面电荷调制半导体薄膜的电导率率(Phys.Rev.74,232,1948)l1956Nobel物理奖：物理奖：Bardeen,BrattainandShockley场效应晶体管理论的建立l1950-1956:基本晶体管制造技术发展基本晶体管制造技术发展l-从基于锗的器件转为硅衬底从基于锗的器件转为硅衬底l-从合金化制造从合金化制造p/n结转变为扩散制备结转变为扩散制备pn结结l1950扩散结扩散结(Hall,Dunlap;GE)l1952结型场效应晶体管结型场效应晶体管(Shockley;BellLab)l195
3、4第一个硅晶体管第一个硅晶体管(TI：德州仪器）：德州仪器）)l1955扩散结和晶体管结合扩散结和晶体管结合(BellLab)晶体管制造工艺的摸索第1个集成电路的发明第第1个个IC锗衬底，台式结构、锗衬底，台式结构、2个晶体管、个晶体管、2个电容、个电容、8个电阻，黑蜡保护刻蚀，打线结合个电阻，黑蜡保护刻蚀，打线结合4千千2百百万万个个晶晶体体管管、尺寸：尺寸：224mm2Intel P4J.Kilbyl集成电路之父集成电路之父l2000Nobel物理奖物理奖l1958.9.12发明了第发明了第1个个IC“SolidCircuit”距离晶体管发明已经过去距离晶体管发明已经过去11年，年，why
4、？第第一一个个Si单单片片电电路路IC-“微微芯芯片片”byR.Noyce(Fairchild,IC技术创始人之一技术创始人之一)第1个在Si单片上实现的集成电路l 1958-1960 基本IC工艺和器件进一步- 氧化工艺(Atalla; bell Lab)- PN结隔离(K. Levovec)- Al金属膜的蒸发制备- 平面工艺技术(J. Hoerni; Fairchild) l1959-63 MOS 器件与工艺-1959 MOS 电容 (J. Moll; Stanford)-1960-63 Si表面和MOS器件研究 (Sah, Deal, Grove)-1962 PMOS (Fairchi
5、ld); NMOSFET (美国无线电公司)-1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild)IC制造工艺的进步FromSSItoVLSI/ULSIl小规模集成电路小规模集成电路(SSI)2-30l中规模集成电路中规模集成电路(MSI)30-103l大规模集成电路大规模集成电路(LSI)103-5l超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI:VeryLarge)105-7l甚大规模甚大规模ULSI(UltraLarge)107-9l极大规模极大规模SLSI(SuperLarge)109l巨大规模巨大规模(GSI:Gigantic/Giga)晶体管数目晶体管数目IC芯片中晶
6、体管（脑细胞）数目制造技术制造技术Si和其他材料的开发和其他材料的开发器件物理器件物理电路和系统电路和系统-IC快速发展强烈依赖材料与技术研发性能性能(速度、能力可靠性速度、能力可靠性)功能从简单逻辑门到复杂系统功能从简单逻辑门到复杂系统产量、价格、应用产量、价格、应用集成度提高集成度提高-新工艺技术新工艺技术l1958-1967SSI*平面工艺平面工艺l1968-1977LSI*离子注入掺杂离子注入掺杂*多晶硅栅极多晶硅栅极*局部硅氧化的器件隔离技术局部硅氧化的器件隔离技术*单晶管单晶管DRAMbyR.Denard(1968patent)*微处理器微处理器(1971,Intel)IC快速发展
7、强烈依赖材料与技术研发l1978-1987VLSI*精细光刻技术精细光刻技术(电子束制备掩膜版电子束制备掩膜版)*等离子体和反应离子刻蚀技术等离子体和反应离子刻蚀技术*磁控溅射制备薄膜磁控溅射制备薄膜l1988-1997ULSI*亚微米和深亚微米技术亚微米和深亚微米技术*深紫外光刻和图形技术深紫外光刻和图形技术集成度提高集成度提高-新工艺技术新工艺技术IC快速发展强烈依赖材料与技术研发l1998-2007SoC/SLSI,纳米尺度纳米尺度CMOS*Cu和和Low-k互连技术互连技术*High-k栅氧化物栅氧化物*绝缘体上绝缘体上SOI,etcl2008-集成度提高集成度提高-新工艺技术新工艺技
8、术IC快速发展强烈依赖材料与技术研发新制造方法新制造方法300mmequipmentProcessingchemistriesAlliancesAdvancedProcessControlIntegratedmetrology新材料新材料CopperInterconnectsSilicon-On-Insulator(SOI)Low-kSiliconGermanium(SiGe)StrainedSilicon新封装形式新封装形式FlipChipWaferScalePackaging3DPackagingSysteminapackage器件、电路新原理器件、电路新原理System-on-Chip(
9、SOC)MagnetoresistiveRAMDouble-gateTransistorsCarbonNanotubeTransistorsBiologicalandMolecularSelf-assemblySource:FSIInternational,Inc.IC快速发展源泉材料与技术研发Moores LawGordon Moore, “Cramming More Components Onto IntegratedCircuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.莫尔定律lIntel创始人GordonMoorel1965年提出
10、l集成电路的集成度，每18-24个月提高一倍l1960以来，Moore定律一直有效芯片上晶体管（脑细胞）尺寸随时间不断缩小的规律Moores observation about silicon integration (cost, yield, and reliability) has fueled the worldwide technology revolution: (1)IC miniaturization down to nanoscale and (2)SoC based system integration.莫尔定律原始依据莫尔定律的有效性延续至今莫尔定律的有效性延续至今莫尔定律
11、特征尺寸l特征尺寸是指器件中最小线条宽度特征尺寸是指器件中最小线条宽度, ,为技术水平为技术水平的标志的标志l对对MOSMOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟器件而言，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道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸l也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则）也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则） l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/ /价格比最有效手段之一价格比最有效手段之一集成度提高一倍，特征尺寸*0.7l集成电路的特征参数从集成电路的特征参数从19591959年以来缩小了
12、年以来缩小了140140倍倍l平均晶体管价格降低了平均晶体管价格降低了107107倍。倍。l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 ）半半微米微米 0.5 0.5 深深亚亚微米微米 0.35, 0.25, 0.18, 0.35, 0.25, 0.18, 0.13 0.13 纳米纳米 90 nm 65 nm 45nm90 nm 65 nm 45nm32nm/2009 28nm/2011 22nm/2012ICIndustry:“Makeitbiginamake-it-smallbusiness”!IC工业就是一个在做小中做大的生意工业就是一
13、个在做小中做大的生意莫尔定律特征尺寸lMOSMOS尺寸缩小尺寸缩小莫尔定律特征尺寸l全球最大代工厂商台积电是唯一一家具体公布20nm工艺量产时间的企业预定2012年下半年量产l台积电（TSMC）于2010夏季动工建设的新工厂打算支持直至7nm工艺的量产l英特尔微细化竞争中固守头把交椅。从英特尔的发展蓝图来看，预计该公司将从2011年下半年开始22nm工艺的量产。l美国Achronix半导体（AchronixSemiconductor）于当地时间2010年11月1日宣布，将采用英特尔的22nm级工艺制造该公司的新型FPGA“Speedster22i”lCMOS技术的观点而言，2220nm工艺对各
14、公司来说均是3228nm工艺的延伸技术，也就是说很可能会通过使用高介电率（high-k）栅极绝缘膜/金属栅极的平面（Plane）CMOS来实现。那么，15nm工艺以后的CMOS技术又将如何发展？莫尔定律今后适用性？lSOC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设计计领领域域的一场革命。的一场革命。lSOC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
15、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。它它的的设设计必须从系统行为级开始自顶向下（计必须从系统行为级开始自顶向下（Top-Down）。）。集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片芯片制造技术的发展趋势SOCSOC集成电路走向系统芯片集成电路走向系统芯片SOCSystem On A Chip芯片制造技术的发展趋势10纳米以下的碳纳米管石墨烯石墨烯有望替代半导体有望替代半导体芯片制造技术的发展趋势l石墨烯石墨烯美国伦斯勒理工学美国伦斯勒理工学院成功在上生成带隙院成功在上生成带隙l用水就能变成半导体用水就能变成半导体l石墨烯本身并没有带隙，只具石墨烯本身并没有带隙，只具
16、有金属一样的特性有金属一样的特性 l石墨烯吸收了空气中的水分后，石墨烯吸收了空气中的水分后，在石墨烯上生成带隙。而且，在石墨烯上生成带隙。而且，可通过调节温度、在可通过调节温度、在00.2eV的范围内自由设定带隙值。的范围内自由设定带隙值。 石墨烯石墨烯10纳米以下的碳纳米管器件纳米以下的碳纳米管器件lMEMS技术技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实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。现了微电子与机械融为一体的系统。l 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
17、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新的的经经济济增增长点。长点。l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10-20万种万种DNA基因片段的芯片。芯片可在极短的时间内检基因片段的芯片。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。治疗和预防、转基因工程等具有极其重要作用。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芯片制造技术的发展趋势小结发展历程莫尔定律特征尺寸发展趋势
