半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ) 第十一章

1、第十一章第十一章 未來的趨勢(shì)與挑戰(zhàn)未來的趨勢(shì)與挑戰(zhàn)西南科技大學(xué)理學(xué)院西南科技大學(xué)理學(xué)院 2013.4.16微電子技術(shù)的四個(gè)發(fā)展方向微電子技術(shù)的四個(gè)發(fā)展方向主要內(nèi)容發(fā)展中的難題和挑戰(zhàn)發(fā)展中的難題和挑戰(zhàn)半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì) 近近30年來，集成電路技術(shù)一直按照年來，集成電路技術(shù)一直按照摩爾定律摩爾定律向前發(fā)展。集成電路工藝中的特征尺寸更小，集向前發(fā)展。集成電路工藝中的特征尺寸更小，集成密度更高，集成電路材料趨于多元化（不再僅成密度更高，集成電路材料趨于多元化（不再僅僅是硅基、二氧化硅和鋁引線等），集成的元件僅是硅基、二氧化硅和鋁引線等），集成的元件種類更多（各種傳感器），集成的系統(tǒng)更為復(fù)雜、種類

2、更多（各種傳感器），集成的系統(tǒng)更為復(fù)雜、龐大，集成電路的功能更為完善和強(qiáng)大（一個(gè)芯龐大，集成電路的功能更為完善和強(qiáng)大（一個(gè)芯片就是一個(gè)獨(dú)立完整的系統(tǒng)片就是一個(gè)獨(dú)立完整的系統(tǒng)-SOC），集成系統(tǒng)），集成系統(tǒng)的功耗更低，成為半導(dǎo)體工業(yè)（微電子工業(yè)）基的功耗更低，成為半導(dǎo)體工業(yè)（微電子工業(yè)）基本發(fā)展趨勢(shì)。本發(fā)展趨勢(shì)。 德州儀器(TI)開發(fā)商大會(huì)2012年5月26日起在中國(guó)召開。 在深圳的首場(chǎng)報(bào)告中，TI 首席科學(xué)家方進(jìn) (Gene Frantz) 和與會(huì)者分享了2020年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，闡述科技將如何改變未來生活，并展示了一系列極富創(chuàng)意和前瞻性的嶄新思想，將大眾帶入2020年的未來科技世界。這是

3、半導(dǎo)體科技界讓人充滿期望的一次盛宴。 方進(jìn)指出，隨著對(duì)視訊影像、車用電子、通訊設(shè)備、工業(yè)應(yīng)用及醫(yī)療電子等相關(guān)應(yīng)用的需求提升，全球 DSP、微控制器和模擬元件的需求持續(xù)以驚人的速度攀升，到2020年，全球嵌入式處理器市場(chǎng)將擁有突破300億美元的市場(chǎng)商機(jī)，模擬市場(chǎng)則有超過1000億美元的市場(chǎng)規(guī)模。 綠色裝置、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療電子等相關(guān)綠色裝置、機(jī)器人技術(shù)、醫(yī)療電子等相關(guān)應(yīng)用，將成為應(yīng)用，將成為2020年驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)成長(zhǎng)的主要年驅(qū)動(dòng)市場(chǎng)成長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿?。?dòng)力。 關(guān)于半導(dǎo)體科技未來發(fā)展趨勢(shì)，方進(jìn)認(rèn)為，關(guān)于半導(dǎo)體科技未來發(fā)展趨勢(shì)，方進(jìn)認(rèn)為，到到2020年，集成電路年，集成電路 (IC) 技術(shù)將發(fā)展到非技術(shù)將發(fā)

4、展到非常精細(xì)的程度，在許多方面會(huì)產(chǎn)生革命性常精細(xì)的程度，在許多方面會(huì)產(chǎn)生革命性的變化的變化 多核趨勢(shì)及靈活的協(xié)處理器革命 并行處理帶來半導(dǎo)體性能的疾速提升，未來 IC 產(chǎn)業(yè)通用性將變得極其重要，系統(tǒng)需要更多靈活可編程的 DSP 核，并增加優(yōu)化的可編程的協(xié)處理器，以迎接未來創(chuàng)新應(yīng)用所帶來的高效嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。 低功耗節(jié)能時(shí)代到來 半導(dǎo)體器件功耗將達(dá)到每18個(gè)月縮減一半，這使得永續(xù)設(shè)施成為可能，某些情況下電池將被能源清除技術(shù)及能源存儲(chǔ)單元所替代。 SiP 技術(shù)普及 未來使用尖端的疊層裸片技術(shù) (SiP) 進(jìn)行集成將與嵌入式片上系統(tǒng) (SoC) 一樣普遍，SiP 技術(shù)能夠節(jié)省主板空間、減少組件數(shù)目，允許不

5、同技術(shù)包集成，大大簡(jiǎn)化開發(fā)時(shí)間和成本。 “科學(xué)演進(jìn)與技術(shù)創(chuàng)新將大大改變?nèi)祟惖纳罘绞?，人類將?huì)從全方位體驗(yàn)的科技革命中受益無窮?！?作為業(yè)界公認(rèn)的科技創(chuàng)新者，TI 致力于一系列尖端科技應(yīng)用的研發(fā)以提升人類生活質(zhì)量，包括： 綠色裝置 TI 一直致力于環(huán)境保護(hù)與全球綠色工程相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)與投入，如替代能源、高效動(dòng)力產(chǎn)品、優(yōu)化的照明方案和永續(xù)設(shè)施等。 機(jī)器人技術(shù) 機(jī)器人技術(shù)將大幅提升工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和人類生活的便捷化，TI在替代人類及肢體操作（如眼睛、腿臂、器官等）和人機(jī)交互直接接口方面進(jìn)行探索，使科技的進(jìn)步與創(chuàng)新更好地服務(wù)于人類的生產(chǎn)與日常生活。 醫(yī)療電子革命 人類對(duì)生活質(zhì)量提升的訴求，推動(dòng)醫(yī)療電

6、子革命。各種自動(dòng)化的醫(yī)療設(shè)備及視頻裝置，使人們不必親赴醫(yī)院就診?；赥I技術(shù)研發(fā)的各種醫(yī)療成像設(shè)備、超聲設(shè)備、自動(dòng)延伸的心臟除顫器等手持醫(yī)療設(shè)備及遠(yuǎn)端視頻裝置，為人類的健康與新的醫(yī)療科技革命推波助瀾。 （1） 器件尺寸不斷縮小，目前器件特征尺寸已進(jìn)入納米量級(jí)。器件尺寸繼續(xù)縮小將遇到很多物理問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。（2） 集成度不斷提高，目前已經(jīng)可以把整個(gè)電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片里，形成集成系統(tǒng)芯片SOC（3） 與集成電路技術(shù)相關(guān)的新材料不斷涌現(xiàn)，高K柵介質(zhì)、低K互連介質(zhì)、新型化合物半導(dǎo)體材料等都成為目前的研究熱點(diǎn)。（4） 微電子與其他學(xué)科結(jié)合誕生新的交叉學(xué)科，也是21世紀(jì)的重要發(fā)展方向，例如集成

7、光電子學(xué)、微機(jī)械電子學(xué)（MEMS）、納電子學(xué)等。 器件尺寸繼續(xù)縮小將遇到很多物理問題和技術(shù)挑戰(zhàn)，為了解決這些問題和挑戰(zhàn)，必須進(jìn)行新器件、新結(jié)構(gòu)、新工藝等研究。 第一個(gè)關(guān)鍵問題：超淺結(jié)形成超淺結(jié)形成 隨著溝道的減小，會(huì)發(fā)生短溝道效應(yīng)為了得到低薄層淺結(jié)，必須采用高劑量低能量離子注入技術(shù)。100nm技術(shù)所需的結(jié)深大約為2030nm,摻雜濃度為11020個(gè)/cm.RF: Radio frequency; MW: Microwave; IR: infrared; and UV: ultraviolet 極度紫外光刻 Extreme UV (EUV) lithography X射線光刻 X-Ray lit

8、hography 電子束光刻 Electron beam (E-beam) lithography 隨著柵長(zhǎng)縮小至130nm以下，柵氧化層厚度減小至2nm以保持器件的性能。需要采用較厚的具有較低漏電流的高k介質(zhì)材料。二氧化硅 介電常數(shù) 3.9氮化硅 7TiO2 60100SOI(Silicon-On-Insulator: 絕緣襯底上的硅絕緣襯底上的硅)技術(shù)技術(shù)SOI技術(shù)：優(yōu)點(diǎn)技術(shù)：優(yōu)點(diǎn)完全實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)隔離完全實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)隔離, , 徹底消除了體徹底消除了體硅硅CMOSCMOS集成電路中的寄生閂鎖效應(yīng)集成電路中的寄生閂鎖效應(yīng)速度高速度高集成密度高集成密度高工藝簡(jiǎn)單工藝簡(jiǎn)單減小了熱載流子效應(yīng)減小了熱載

9、流子效應(yīng)短溝道效應(yīng)小短溝道效應(yīng)小, ,特別適合于小尺寸器件特別適合于小尺寸器件體效應(yīng)小、寄生電容小，特別適合于體效應(yīng)小、寄生電容小，特別適合于低壓器件低壓器件SOISOI材料價(jià)格高材料價(jià)格高襯底浮置襯底浮置表層硅膜質(zhì)量及其界面質(zhì)量表層硅膜質(zhì)量及其界面質(zhì)量SOI技術(shù)：缺點(diǎn)技術(shù)：缺點(diǎn) 系統(tǒng)芯片與集成電路的設(shè)計(jì)思想和方法是不同的。這就要求微電子專業(yè)培養(yǎng)的人才不僅能從事IC設(shè)計(jì)，還能從事SOC設(shè)計(jì)，研究SOC的設(shè)計(jì)方法。SOC即是system on a chipSOC的實(shí)現(xiàn)存在兩個(gè)障礙： 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性 難以制造如：存儲(chǔ)器制造工藝與處理器相差很大 集成光電子學(xué)、微機(jī)械電子學(xué)（MEMS）、納電子學(xué)等。 這些交叉學(xué)科涉及知識(shí)面很寬，知識(shí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要多知識(shí)多技能的融合（1） 器件尺寸不斷縮小，目前器件特征尺寸已進(jìn)入納米量級(jí)。器件尺寸繼續(xù)縮小將遇到很多物理問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。（2） 集成度不斷提高，目前已經(jīng)可以把整個(gè)電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片里，形成集成系統(tǒng)芯片SOC（3） 與集成電路技術(shù)相關(guān)的新材料不斷涌現(xiàn)，高K柵介質(zhì)、低K互連介質(zhì)、新型化合物半導(dǎo)體材料等都成為目前的研究熱點(diǎn)。（4） 微電子與其他學(xué)科結(jié)合誕生新的交叉學(xué)科，也是21世紀(jì)的重要發(fā)展方向，例如集成光電子學(xué)、微機(jī)械電子學(xué)（MEMS）、納電子學(xué)等。 第一個(gè)關(guān)鍵問題：超淺