新型硅基集成微电子及光电子材料课件.ppt
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1、主要内容主要内容微电子的发展规律与现状微电子的发展规律与现状0.130.13微米以下面临的问题及可能的解决办法微米以下面临的问题及可能的解决办法高高K K介质材料介质材料缓冲层或隔离层材料缓冲层或隔离层材料 Si基发光材料基发光材料工作设想工作设想一一. 微电子技术发展的规律及现状微电子技术发展的规律及现状Moore定律定律等比例缩小等比例缩小(Scaling-down)定律定律自发明以来,自发明以来,IC芯片的集成度每芯片的集成度每三年提高三年提高4倍,而倍,而加工特征尺寸缩加工特征尺寸缩小小 倍。这就是倍。这就是Intel公司创始人公司创始人之一之一G. E. Moore 1965年总结的
2、规年总结的规律,被称为摩尔律,被称为摩尔定律。定律。2 2 2 22微电子技术发展的微电子技术发展的ROADMAPMoore定律定律1965年年Intel公司的创始人之一公司的创始人之一G.E. Moore预言预言IC产业的发展规律产业的发展规律? 集成电路的集成度每三年增长四倍,集成电路的集成度每三年增长四倍,? 特征尺寸每三年缩小特征尺寸每三年缩小 倍倍2Moore定律定律10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存储器容量存储器容量 60%/年年 每三年,翻两番每三年,翻两番1965年,年,G. Moore 预测半导体
3、芯片上的晶体管预测半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番数目每两年翻两番微处理器的性能微处理器的性能100 G10 G1 G100 M10 M1 MKilo19701980199020002010Peak Advertised Performance (PAPMooresLawReal AppliedPerformance (RAP) 41% GrowthIC技术是近技术是近50年来发展最快的技术年来发展最快的技术 年年份份特特征征参参数数19591970-19712000比比率率设设计计规规则则 m2580.18140电电源源电电压压VDD(伏伏)551.53硅硅片片直直径径尺尺寸寸(mm)5
4、3030060集集成成度度62 1032 1093 108DRAM密密度度(bit)1K1G106微微处处理理器器时时钟钟频频率率(Hz)750K1G103平平均均晶晶体体管管价价格格$100.310-6107Moore定律定律 性能价格比性能价格比 在过去的在过去的20年中,改进了年中,改进了1,000,000倍倍 在今后的在今后的20年中,还将改进年中,还将改进1,000,000倍倍9IC类型类型(按器件结构分按器件结构分)双极型双极型IC:主要由双极三极管构成主要由双极三极管构成?NPN型型?PNP型型MOS型型IC:主要由主要由MOS三极管构成三极管构成?NMOS?PMOS?CMOS双
5、极双极-MOS(BiMOS)型型IC:综合了双极和综合了双极和MOS器件器件两者的优点,但制作工艺复杂两者的优点,但制作工艺复杂目前,采用目前,采用CMOS工艺制作的工艺制作的IC器件占总数的器件占总数的90%以上以上1011我国年微电子发展情况我国年微电子发展情况上海中芯国际:上海中芯国际:8 8英寸,英寸,0.250.25微米微米上海宏力上海宏力: 8 8英寸,英寸,0.250.25微米微米北京华夏半导体北京华夏半导体: 8 8英寸,英寸,0.250.25微米微米天津天津Motorola: 8 8英寸,英寸,0.250.25微米微米上海贝岭上海贝岭: 华虹华虹NEC:12我国微电子发展情况
6、(南昌)我国微电子发展情况(南昌) 晶湛科技有限公司晶湛科技有限公司?国内第六条国内第六条8英英寸生产线寸生产线 江西联创光电公司江西联创光电公司?国家国家 “铟镓氮铟镓氮LED外延片、芯片产业化外延片、芯片产业化”示范工程企业,国家半导体照明工程产业示范工程企业,国家半导体照明工程产业化南昌基地核心企业化南昌基地核心企业 晶能(晶能(LatticePower)公司)公司?硅基蓝光硅基蓝光LED生产线生产线132121世纪初叶是我国微电子世纪初叶是我国微电子产业的黄金时期产业的黄金时期! !我国年微电子发展展望我国年微电子发展展望14微电子的特点微电子的特点微电子中的空间尺度以微电子中的空间尺
7、度以 m和纳米和纳米nm为单位。为单位。微电子学是信息领域的重要基础学科微电子学是信息领域的重要基础学科,它以实它以实现电路和系统的集成为目的。同时现电路和系统的集成为目的。同时, 微电子学微电子学也是一门综合性很强的学科也是一门综合性很强的学科?涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科加工、图论、化学等多个学科微电子有很强的渗透性,它可以是与其他技微电子有很强的渗透性,它可以是与其他技术结合而诞生出一系列新的
8、产物,例如微机电术结合而诞生出一系列新的产物,例如微机电系统系统(MEMS)、生物芯片等、生物芯片等等比例缩小定律等比例缩小定律1974年由年由Dennard提出提出基本指导思想是:保持基本指导思想是:保持MOS器件内部器件内部电场不变:恒定电场规律(电场不变:恒定电场规律(CE律)律)?等比例缩小器件的纵向、横向尺寸,以增加跨等比例缩小器件的纵向、横向尺寸,以增加跨导和减少负载电容,提高集成电路的性能导和减少负载电容,提高集成电路的性能?电源电压也要缩小相同的倍数电源电压也要缩小相同的倍数CE律的问题律的问题阈值电压不可能缩的太小阈值电压不可能缩的太小源漏耗尽区宽度不可能按比例缩小源漏耗尽区
9、宽度不可能按比例缩小电源电压标准的改变会带来很大的不便电源电压标准的改变会带来很大的不便恒定电压等比例缩小规律恒定电压等比例缩小规律(CV律律)?保持电源电压保持电源电压Vds和阈值电压和阈值电压Vth不变,不变,对其它参数进行等比例缩小。对其它参数进行等比例缩小。准恒定电场定律(准恒定电场定律(QCE律)律)?CE律和律和CV律的折中,律的折中,20世纪采用的最多世纪采用的最多?随着器件尺寸的进一步缩小,强电场、高随着器件尺寸的进一步缩小,强电场、高功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制功耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按了按CV律进一步缩小的规则,电源电压必律进一步缩小的规则,电源电压必
10、须降低。同时又为了不使阈值电压太低而须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的性能,实际上电源电压降低的影响电路的性能,实际上电源电压降低的比例通常小于器件尺寸的缩小比例比例通常小于器件尺寸的缩小比例?器件尺寸将缩小器件尺寸将缩小 倍,而电源电压则只变倍,而电源电压则只变为原来的为原来的 / 倍倍特征尺寸继续等比例缩小特征尺寸继续等比例缩小ICIC发展成为片上系统发展成为片上系统(SOC) (SOC) 微电子技术与其它领域相结合将产生新的产微电子技术与其它领域相结合将产生新的产业和新的学科,例如业和新的学科,例如MEMSMEMS、DNADNA芯片等芯片等21世纪微电子技术的世纪微电子技术的
11、三个发展方向三个发展方向微细加工技术微细加工技术?目前目前0.18 m和和0.13 m已开始进入大已开始进入大生产生产?在在90nm-65nm阶段,最关键的加工阶段,最关键的加工工艺工艺光刻技术还是一个大问题,尚光刻技术还是一个大问题,尚未完全解决未完全解决二二. .特征尺寸缩小到特征尺寸缩小到0.130.13 m m以下以下面临的问题面临的问题互连技术互连技术 铜互连已在铜互连已在0.25/0.18um0.25/0.18um技术代中使技术代中使用;但是在用;但是在0.13um0.13um以下,铜互连与低以下,铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有
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