1、芯片發(fā)展歷程與莫爾定律演示文稿第一頁，共二十五頁。（優(yōu)選）芯片發(fā)展歷程與莫爾定律.第二頁，共二十五頁。第1個(gè)晶體管的誕生1947.12.23 點(diǎn)接觸式晶體管 By Bardeen & Brattain第一篇關(guān)于晶體管的文章 Br Websters “The transistor, a semiconductor triode”（晶體管，一個(gè)半導(dǎo)體三級(jí)管）“Transistor =transfer + resistor, （晶體管傳輸+電阻） Transferring electrical signal across a resistor”（經(jīng)過一個(gè)電阻傳輸點(diǎn)信號(hào)）第三頁，共二十五頁。場(chǎng)效應(yīng)晶體

2、管理論通過表面電荷調(diào)制半導(dǎo)體薄膜的電導(dǎo) 率 (Phys. Rev. 74, 232,1948)1956 Nobel 物理獎(jiǎng)：Bardeen, Brattain and Shockley場(chǎng)效應(yīng)晶體管理論的建立第四頁，共二十五頁。1950-1956: 基本晶體管制造技術(shù)發(fā)展-從基于鍺的器件轉(zhuǎn)為硅襯底-從合金化制造 p/n結(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散制備pn結(jié)1950 擴(kuò)散結(jié)(Hall, Dunlap; GE)1952 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ( Shockley; Bell Lab)1954 第一個(gè)硅晶體管(TI：德州儀器）)1955 擴(kuò)散結(jié)和晶體管結(jié)合(Bell Lab)晶體管制造工藝的摸索第五頁，共二十五頁。第1個(gè)

3、集成電路的發(fā)明第1個(gè)IC鍺襯底，臺(tái)式結(jié)構(gòu)、2個(gè)晶體管、2個(gè)電容、8個(gè)電阻，黑蠟保護(hù)刻蝕，打線結(jié)合4千2百萬個(gè)晶體管、尺寸：224mm2Intel P4J. Kilby集成電路之父2000 Nobel 物理獎(jiǎng)發(fā)明了第1個(gè)IC“Solid Circuit” 距離晶體管發(fā)明已經(jīng)過去11年，why？第六頁，共二十五頁。 第一個(gè)Si單片電路IC-“微芯片” by R. Noyce (Fairchild, IC技術(shù)創(chuàng)始人之一)第1個(gè)在Si單片上實(shí)現(xiàn)的集成電路第七頁，共二十五頁。 1958-1960 基本IC工藝和器件進(jìn)一步- 氧化工藝(Atalla; bell Lab)- PN結(jié)隔離(K. Levovec

4、)- Al金屬膜的蒸發(fā)制備- 平面工藝技術(shù)(J. Hoerni; Fairchild) 1959-63 MOS 器件與工藝-1959 MOS 電容 (J. Moll; Stanford)-1960-63 Si表面和MOS器件研究 (Sah, Deal, Grove)-1962 PMOS (Fairchild); NMOSFET (美國(guó)無線電公司)-1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild)IC制造工藝的進(jìn)步第八頁，共二十五頁。From SSI to VLSI/ULSI小規(guī)模集成電路(SSI) 2-30中規(guī)模集成電路 (MSI) 30-103大規(guī)模集成電路 (LSI)

5、 103-5超大規(guī)模集成電路(VLSI: Very Large ) 105-7甚大規(guī)模ULSI(Ultra Large) 107-9極大規(guī)模SLSI(Super Large) 109巨大規(guī)模(GSI: Gigantic/Giga)晶體管數(shù)目IC芯片中晶體管（腦細(xì)胞）數(shù)目第九頁，共二十五頁。制造技術(shù)Si 和其他材料的開發(fā)器件物理電路和系統(tǒng)-IC快速發(fā)展強(qiáng)烈依賴材料與技術(shù)研發(fā)性能(速度、能力可靠性)功能從簡(jiǎn)單邏輯門到復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)量、價(jià)格、應(yīng)用第十頁，共二十五頁。集成度提高-新工藝技術(shù)1958-1967 SSI *平面工藝1968-1977 LSI *離子注入摻雜*多晶硅柵極*局部硅氧化的器件隔離技術(shù)

6、*單晶管 DRAM by R. Denard (1968 patent)*微處理器( 1971, Intel)IC快速發(fā)展強(qiáng)烈依賴材料與技術(shù)研發(fā)第十一頁，共二十五頁。1978-1987 VLSI*精細(xì)光刻技術(shù)(電子束制備掩膜版)*等離子體和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)*磁控濺射制備薄膜1988-1997 ULSI * 亞微米和深亞微米技術(shù) * 深紫外光刻和圖形技術(shù)集成度提高-新工藝技術(shù)IC快速發(fā)展強(qiáng)烈依賴材料與技術(shù)研發(fā)第十二頁，共二十五頁。1998- 2007 SoC/SLSI, 納米尺度CMOS*Cu 和 Low-k 互連技術(shù)*High-k 柵氧化物*絕緣體上SOI, etc2008-集成度提高-新工藝

7、技術(shù)IC快速發(fā)展強(qiáng)烈依賴材料與技術(shù)研發(fā)第十三頁，共二十五頁。新制造方法300mm equipmentProcessing chemistriesAlliancesAdvanced Process ControlIntegrated metrology 新材料Copper InterconnectsSilicon-On-Insulator (SOI)Low-kSilicon Germanium (SiGe)Strained Silicon 新封裝形式Flip ChipWafer Scale Packaging3D PackagingSystem in a package器件、電路新原理Syste

8、m-on-Chip (SOC)Magnetoresistive RAMDouble-gate TransistorsCarbon Nanotube TransistorsBiological and Molecular Self-assemblySource: FSI International, Inc.IC快速發(fā)展源泉材料與技術(shù)研發(fā)第十四頁，共二十五頁。Moores LawGordon Moore, “Cramming More Components Onto IntegratedCircuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.

9、莫爾定律Intel創(chuàng)始人Gordon Moore1965年提出集成電路的集成度，每18-24個(gè)月提高一倍1960 以來，Moore定律一直有效芯片上晶體管（腦細(xì)胞）尺寸隨時(shí)間不斷縮小的規(guī)律第十五頁，共二十五頁。Moores observation about silicon integration (cost, yield, and reliability) has fueled the worldwide technology revolution: IC miniaturization down to nanoscale and SoC based system integration.莫

10、爾定律原始依據(jù)第十六頁，共二十五頁。莫爾定律的有效性延續(xù)至今第十七頁，共二十五頁。莫爾定律的有效性延續(xù)至今第十八頁，共二十五頁。莫爾定律特征尺寸特征尺寸是指器件中最小線條寬度,為技術(shù)水平的標(biāo)志對(duì)MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝道幾何長(zhǎng)度，是一條工藝線中能加工的最小尺寸也是設(shè)計(jì)采用的最小設(shè)計(jì)尺寸單位（設(shè)計(jì)規(guī)則） 縮小特征尺寸從而提高集成度是提高產(chǎn)品性能/價(jià)格比最有效手段之一集成度提高一倍，特征尺寸*0.7第十九頁，共二十五頁。集成電路的特征參數(shù)從1959年以來縮小了140倍平均晶體管價(jià)格降低了107倍。特征尺寸：10微米-1.0微米-0.8（亞微米 ）半微米 0.5 深亞微米 0.35

11、, 0.25, 0.18, 0.13 納米 90 nm 65 nm 45nm 32nm/2009 28nm/2011 22nm/2012IC Industry: “Make it big in a make-it-small business”!IC工業(yè)就是一個(gè)在做小中做大的生意莫爾定律特征尺寸第二十頁，共二十五頁。MOS尺寸縮小莫爾定律特征尺寸第二十一頁，共二十五頁。全球最大代工廠商臺(tái)積電是唯一一家具體公布20nm工藝量產(chǎn)時(shí)間的企業(yè)預(yù)定2012年下半年量產(chǎn)臺(tái)積電（TSMC）于2010夏季動(dòng)工建設(shè)的新工廠打算支持直至7nm工藝的量產(chǎn) 英特爾微細(xì)化競(jìng)爭(zhēng)中固守頭把交椅。從英特爾的發(fā)展藍(lán)圖來看，預(yù)計(jì)

12、該公司將從2011年下半年開始22nm工藝的量產(chǎn)。美國(guó)Achronix半導(dǎo)體（Achronix Semiconductor）于當(dāng)?shù)貢r(shí)間2010年11月1日宣布，將采用英特爾的22nm級(jí)工藝制造該公司的新型FPGA“Speedster22i” CMOS技術(shù)的觀點(diǎn)而言，2220nm工藝對(duì)各公司來說均是3228nm工藝的延伸技術(shù)，也就是說很可能會(huì)通過使用高介電率（high-k）柵極絕緣膜/金屬柵極的平面（Plane）CMOS來實(shí)現(xiàn)。那么，15nm工藝以后的CMOS技術(shù)又將如何發(fā)展？ 莫爾定律今后適用性？第二十二頁，共二十五頁。SOC與IC的設(shè)計(jì)原理是不同的，它是微電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命。SOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、軟件（特別是芯片上的操作系統(tǒng)-嵌入式的操作系統(tǒng)）、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。它的設(shè)計(jì)必須從系統(tǒng)行為級(jí)開始自頂向下（Top-Down）。集成電路走向系統(tǒng)芯片芯片制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)第二十三頁，共二十五頁。SOC集成電路走向系統(tǒng)芯片SOCSystem