1、李 明材料科学与工程学院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 By Bardeen & Brattainl第一篇关于晶体管的文章 Br Websters “The transistor, a semiconductor triode”（晶体管，一个半导体三级管）l“Transistor =transfer + resistor, （晶体管传输+电阻） Transferring electrical signal across a resistor”（经过一个电阻传输点信号）l场效应晶体管理论场效应晶体管理论通过表面电荷
2、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)l1956 Nobel 物理奖：物理奖：Bardeen, Brattain and Shockley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; Bell Lab)l1954 第一个硅晶体
3、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(Bell Lab)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4千千2百万个晶体管、百万个晶体管、尺寸：尺寸：224mm2Intel P4J. Kilbyl集成电路之父集成电路之父l2000 Nobel 物理物理奖奖l1958.9.12发明了发明了第第1个个IC“Solid Circuit” 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，wh
4、y？ 第一个第一个Si单片电路单片电路IC-“微芯微芯片片 ” b y R . N o y c e (Fairchild, IC技术创始人之技术创始人之一一)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
5、 PMOS (Fairchild); NMOSFET (美国无线电公司)-1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild)IC制造工艺的进步From SSI to VLSI/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: Very Large ) 105-7l甚大规模甚大规模ULSI(Ultra Large) 107-9l极大规模极大规模SLSI(Super Large) 109l巨大规模巨大规模(GSI:
6、 Gigantic/Giga)晶体管数目晶体管数目IC芯片中晶体管（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l1958-1967 SSI *平面工艺平面工艺l1968-1977 LSI *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 DRAM by R. Denar
7、d (1968 patent)*微处理器微处理器( 1971, Intel)IC快速发展强烈依赖材料与技术研发l1978-1987 VLSI*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l1988-1997 ULSI * 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- 2007 SoC/SLSI, 纳米尺度纳米尺度CMOS*Cu 和和 Low-k 互连技术互连技术*
8、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 300mm equipment Processing chemistries Alliances Advanced Process Control Integrated metrology 新材料新材料 Copper Interconnects Silicon-On-Insulator (SOI) Low-k Silicon Germanium (SiGe) Strained Silicon 新封装形式新封装形式 Flip
9、 Chip Wafer Scale Packaging 3D Packaging System in a package器件、电路新原理器件、电路新原理System-on-Chip (SOC)Magnetoresistive RAMDouble-gate TransistorsCarbon Nanotube TransistorsBiological and Molecular Self-assemblySource: FSI International, Inc.IC快速发展源泉材料与技术研发Moores LawGordon Moore, “Cramming More Components
10、Onto IntegratedCircuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.莫尔定律lIntel创始人Gordon Moorel1965年提出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 m
11、iniaturization 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缩小特征尺寸从而
12、提高集成度是提高产品性能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 ）半微米半微米 0.5 0.5 深亚微米深亚微米 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
13、 nm 45nm 32nm/2009 28nm/2011 22nm/2012IC Industry: “Make it big in a make-it-small business”!IC工业就是一个在做小中做大的生意工业就是一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
14、国Achronix半导体（Achronix Semiconductor）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的设计原理是不同的，它是微电子设计领域的设计原理是不同的，它是微电子设计领域的一场革命。的一场革命。lSOC是从整个系统的角度出发，
15、把处理机制、模型算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法、软件（特别是芯片上的操作系统-嵌入式的操作系嵌入式的操作系统）、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（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SOC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
16、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
17、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 微电子与生物技术紧密结合的以微电子与生物技术紧密结合的以DNA芯片等为代表的生物芯片等为代表的生物工程芯片将是工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。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
18、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人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
