新型硅基集成微电子及光电子材料幻灯片.ppt
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1、新型硅基集成微电子及光新型硅基集成微电子及光电子材料电子材料1第1页,共60页,编辑于2022年,星期六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第2页,共60页,编辑于2022年,星期六一一.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)定律定律第3页,共60页,编辑于2022年,星期六自自发发明明以以来来,IC芯芯片
2、片的的集集成成度度每每三三年年提提高高4倍倍,而而加加工工特特征征尺尺寸寸缩缩小小 倍倍。这这就就是是Intel公公司司创创始始 人人 之之 一一 G.E.Moore 1965年年总总结结的的规规律律,被被称称为为摩摩尔定律。尔定律。微电子技术发展的微电子技术发展的ROADMAP第4页,共60页,编辑于2022年,星期六Moore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 倍倍第5页,共60页,编辑于2022年,星
3、期六Moore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第6页,共60页,编辑于2022年,星期六微处理器的性能微处理器的性能100 G10 G1 G100 M10 M1 MKilo19701980199020002010Peak Advertised Performance(PAP)MooresLawReal AppliedPerforman
4、ce(RAP)41%Growth8080808080868086802868028680386803868048680486PentiumPentiumPentiumProPentiumPro第7页,共60页,编辑于2022年,星期六IC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第8页,共60页,编辑于2022年,星期六Moore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倍倍第9页,共60页,编辑于2022年,星期六IC类型类型(按器件结构分按器件结构分)双极型
5、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双极双极-MOS(BiMOS)型型IC:综合了双极和综合了双极和MOS器件两器件两者的优点,但制作工艺复杂者的优点,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%以以上上优点是速度高、驱动能力强,优点是速度高、驱动能力强,优点是速度高、驱动能力强,优点是速度高、驱动能力强,缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低缺点是功耗较大、集成度较低功耗低、集成
6、度高,随着特征功耗低、集成度高,随着特征功耗低、集成度高,随着特征功耗低、集成度高,随着特征尺寸的缩小,速度也可以很高尺寸的缩小,速度也可以很高尺寸的缩小,速度也可以很高尺寸的缩小,速度也可以很高10第10页,共60页,编辑于2022年,星期六11第11页,共60页,编辑于2022年,星期六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
7、米上海贝岭上海贝岭:华虹华虹NEC:12第12页,共60页,编辑于2022年,星期六我国微电子发展情况(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”示示范工程企业,国家半导体照明工程产业化南昌范工程企业,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13第13页,共60页,编辑于2022年,星期六2121世纪初叶是我国微电子产世纪初叶是我国
8、微电子产业的黄金时期业的黄金时期!我国年微电子发展展望我国年微电子发展展望14第14页,共60页,编辑于2022年,星期六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度以 m和纳米和纳米nm为单位。为单位。微微电电子子学学是是信信息息领领域域的的重重要要基基础础学学科科,它它以以实实现现电电路路和和系系统统的的集集成成为为目目的的。同同时时,微微电电子子学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、材料科学、电涉及了固体物理学、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、测试与加工、图论、化
9、学等多子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科个学科微电子有很强的渗透性,它可以是与其他技术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产物,例如微机电系结合而诞生出一系列新的产物,例如微机电系统统(MEMS)、生物芯片等、生物芯片等15第15页,共60页,编辑于2022年,星期六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器件内部电器件内部电场不变:恒定电场规律(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,以增加跨导等比例缩小器件的纵向、横向尺寸,以增加跨导
10、和减少负载电容,提高集成电路的性能和减少负载电容,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第16页,共60页,编辑于2022年,星期六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第17页,共60页,编辑于2022年,星期六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)?保保持持电电源源电电压压Vds和和阈阈值值电电压压Vth不不变变,对对其它参数进行等比例缩小。其它参数进行等比例缩小。第18页,共60页,编
11、辑于2022年,星期六准恒定电场定律(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、高功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了按耗以及功耗密度等引起的各种问题限制了按CV律进一步缩小的规则,电源电压必须降低。律进一步缩小的规则,电源电压必须降低。同时又为了不使阈值电压太低而影响电路的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比例通常小于性能,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
12、源电压则只变为原倍,而电源电压则只变为原来的来的/倍倍第19页,共60页,编辑于2022年,星期六第20页,共60页,编辑于2022年,星期六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三个发展方向三个发展方向第21页,共60页,编辑于2022年,星期六微细加工技术微细加工技术?目前目前0.18 m和和0.13 m已开始进入大生产已开始进入大生产?
13、在在90nm-65nm阶段,最关键的加工工阶段,最关键的加工工艺艺光刻技术还是一个大问题,尚未光刻技术还是一个大问题,尚未完全解决完全解决二二.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第22页,共60页,编辑于2022年,星期六互连技术互连技术 铜互连已在铜互连已在0.25/0.18um0.25/0.18um技术代中使用;技术代中使用;但是在但是在0.13um0.13um以下,铜互连与低介电常以下,铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究开发有待研究开发第23页,共60页,编辑于2022年,星期六 新结
14、构与新材料新结构与新材料?新型器件结构新型器件结构?新型材料体系新型材料体系高高K介质介质金属栅电极金属栅电极低低K介质介质第24页,共60页,编辑于2022年,星期六 传统的栅结构传统的栅结构 重掺杂多晶硅重掺杂多晶硅SiO2 硅化物硅化物 经验关系经验关系:L Tox Xj1/3栅介质的限制栅介质的限制第25页,共60页,编辑于2022年,星期六 随着随着 d 的缩小,栅漏电流呈指的缩小,栅漏电流呈指数性增长数性增长超薄栅氧化层超薄栅氧化层栅氧化层的势垒栅氧化层的势垒直接隧穿的泄漏电流直接隧穿的泄漏电流d d限制:限制:3 2 nm栅介质的限制栅介质的限制第26页,共60页,编辑于2022
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