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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想微电子技术历史简要回想微电子技术开展方向微电子技术开展方向增大晶圆尺寸和减少特征尺寸面临的挑增大晶圆尺寸和减少特征尺寸面临的挑战和几个关键技术战和几个关键技术集成电路集成电路(IC)开展成为系统芯片开展成为系统芯片(SOC)可编程器件能够取代公用集成电路可编程器件能够取代公用集成电路ASIC微电子技术与其它领域相结合将产生新微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和学科产业和学科1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研讨小组, W. Schokley，J. Bardeen、W. H. BrattainBardeen提出了外表态实际， S
2、chokley给出了实现放大器的根本想象，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获得得1956年年Nobel物理物理奖晶体管的三位晶体管的三位晶体管的三位晶体管的三位发发明人：巴丁、肖克莱、布拉明人：巴丁、肖克莱、布拉明人：巴丁、肖克莱、布拉明人：巴丁、肖克莱、布拉顿顿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
3、第一次提出了集成电电路的想象路的想象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)为为首首的的研研讨讨小小组组研研制制出出了了世界上第一世界上第一块块集成集成电电路，并于路，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晶片晶片获得得2000年年Nobel物理物理奖TheMooresLaw微小化Moores Law: Quantitative微电子技术是微电子技术是50年来开展最快的技
4、术年来开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；分量：30吨；功率：140KW；平均无缺点运转时间：7min第一台通用第一台通用电电子子计计算机：算机：ENIAC ENIAC 19461946年年2 2月月1414日日Moore SchoolMoore School，Univ. of Univ. of PennsylvaniaPennsylvania18,00018,000个个电电子管子管7000070000个个电电阻、阻、1000010000个个电电容器以容器以及及60006000个个继电继电器器组组成。成。微处置器的开展微
5、处置器的开展 1979 1979 1979 1979年年年年3 3 3 3月月月月 16 Bit 16 Bit 16 Bit 16 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 1.5m1.5m1.5m1.5m 1985 1985 1985 1985年年年年10101010月月月月 32 Bit 32 Bit 32 Bit 32 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 16 16 16 16到到到到32 MHz32 MHz32 MHz32 MHz 1m1m1m1m8088I
6、ntel38619711971年第一个年第一个微微处处置器置器4004400420002000多个晶体管多个晶体管10m10m的的PMOSPMOS工工艺艺19821982年年286286微处置器微处置器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微处置器的开展微处置器的开展40444044 1989 1989 1989 1989年年年年4 4 4 4月月月月 25252525到到到到50 MHz50 MHz50 MHz50 MHz 1-0.8m1-0.8m1-0.8m1-0.8m 32 Bit 32 Bit
7、 32 Bit 32 Bit 120 120 120 120万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管Intel486Pentium 1993 1993 1993 1993年年年年3 3 3 3月月月月 32 Bit 32 Bit 32 Bit 32 Bit 310 310 310 310万晶体管万晶体管万晶体管万晶体管 60 60 60 60到到到到166 MHz166 MHz166 MHz166 MHz 0.8m 0.8m 0.8m 0.8mP6 (Pentium Pro) in 1996150 to 200 MHz clock rate196 mm*25500K transistors(exter
8、nal cache)0.35 micron4 layers metal3.3volt VDD20W typical powerDissipation387 pins19991999年年2 2月，英特月，英特尔尔推出推出Pentium IIIPentium III处处置器，整置器，整合合950950万个晶体管，万个晶体管，0.25m0.25m工工艺艺制造制造20022002年年1 1月推出的月推出的Pentium 4Pentium 4处处置器，其整合置器，其整合55005500万个晶体管，采用万个晶体管，采用0.13m0.13m工工艺艺消消费费 20022002年年8 8月月1313日，英特日，
9、英特尔尔开开场场90nm90nm制程的突破，制程的突破，业业内初次在消内初次在消费费中采用中采用应变应变硅；硅；20052005年年顺顺利利过过渡到了渡到了65nm65nm工工艺艺。 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。多核微处置器AMD四核四核“Barcelona处处置器置器采用采用300mm晶晶圆圆，45纳纳米技米技术术制造制造二、微电子技术的主要开展方向二、微电子技术的主要开展方向(1)电子信息类产品的开发明显出现了两个电子信息类产品的开发明显出现了两个特点：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
10、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集成电路在电子销售额中的份额逐年提高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集成集成电电路追求目的路追求目的3G(G=109)-3T(T=1012)存存储储量量 GBTByte 速度速度 GHzTHz)、数据数据传输传输率率(Gbps-Tbps,bitspersecond)三个主要开展方向：三个主要开展方向：继续继续增大晶增大晶圆圆尺寸和减少特征尺寸尺寸和减少特
11、征尺寸集成集成电电路路(IC)将开展成将开展成为为系系统统芯片芯片(SOC)可可编编程器件能程器件能够够取代公用集成取代公用集成电电路路 ASIC 微微电电子技子技术术与其它与其它领领域相域相结结合将合将产产生新生新产业产业和新学和新学科科二、微电子技术的主要开展方向二、微电子技术的主要开展方向(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大消大消费的硅片直径曾的硅片直径曾经从从200mm200mm转入入300mm300mm。20212021年左右有能年左右有能够出出现400mm-450mm400mm-450mm直
12、径的硅片。直径的硅片。减少器件的特征尺寸 所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度,经常作为技术程度的标志。对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决议的沟道几何长度，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那么。 减少特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能/价钱比最有效手段之一。只需特征尺寸减少了，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，相应本钱可以降低。 减少器件的特征尺寸 集成电路最主要的特征参数的设计规那么从1959年以来40年间减少了140倍。而平均晶体管价钱降低了107倍。 特征尺寸：10微米-1.0微米-0.8亚微米
13、半微米 0.5 深亚微米 0.35, 0.25, 0.18, 0.13 纳米 90 nm 65 nm 45nm 微微电子技子技术面面临的挑的挑战和关和关键技技术1 1继续增大晶圆尺寸继续增大晶圆尺寸2 2Sub-100nmSub-100nm光刻技术光刻技术3 3互连线技术互连线技术4 4新器件构造与新资料新器件构造与新资料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193nm193nmimmersion) immersion) 光刻技术
14、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、易加工铜互连首先在0.25/0.18m技术中运用在0.13m以后，铜互连与低介电常数绝缘资料共同运用预测可缩到20nm高速铜质接头和新型低-k介质资料,探求碳纳米管等替代资料第二个关键技术：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 layer2 2厘米连线延迟厘米连线延迟top layertop layer2 2厘米连
15、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 4199719971999199920012001200320032006200620212021延迟值延迟值(ns)(ns)互连技术与器件特征尺寸的减少互连技术与器件特征尺寸的减少 新型器件构造新型器件构造-高性能、低功耗晶体管高性能、低功耗晶体管FinFETNanoElectronicDevice新型资料体系新型资料体系SOI资料资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:新器件与新资料新器件与新资料Challengest
16、oCMOSDeviceScaling1.Electrostatics Double Gate2. - Retain gate control over channel3. - Minimize OFF-state drain-source leakage4.Transport High Mobility Channel5. - High mobility/injection velocity6. - High drive current for low intrinsic delay7.Parasitics Schottky S/D8. - Reduced extrinsic resistan
17、ce9.4. Gate leakage High-K Dielectrics10. - Reduced power consumption11.5. Gate depletion Metal Gate123BULK45nSi CMOS is expected to dominate for at least 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
18、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tgate的减少，栅走的减少，栅走漏电流呈指数性增长漏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直接隧穿的走漏电流直接隧穿的走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介质的限制的限制传统
19、传统的的的的栅栅构造构造构造构造重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2硅化物硅化物 阅历阅历关系关系: L T ox Xj1/390nm65nm90nm65nm工工艺艺：栅栅极极栅栅介介质质曾曾经经减少到减少到1.2nm1.2nm了了 约约等于等于5 5个原子厚度个原子厚度 栅栅极极栅栅介介质质太薄，就会呵斥漏太薄，就会呵斥漏电电电电流穿透流穿透在在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
20、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构造新型栅构造? ?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实际输运实际? ?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思索功率特性和高频特性高频大功率晶体管设计目的任务频率：f 400MHz交流输出功率： P0 = 5w f =400MHz交流功率增益： Kp 5db f =400MHz任务电压：VCC= 28V任务效率：甲类任务形状，=401、分析主要参数的决议要素2、选定图形构造3、确定纵向构造参数4、确定横向构造参数5、验算参数能否满足要求6、确定器件构造及工艺幅员设计步骤设计报告要求内容
