半導(dǎo)體工藝基礎(chǔ) 第十一章

1、第十一章第十一章 未來的趨勢與挑戰(zhàn)未來的趨勢與挑戰(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 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。本發(fā)展趨勢。 德州儀器(TI)開發(fā)商大會(huì)2012年5月26日起在中國召開。 在深圳的首場報(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，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將擁有突破300億美元的市場商機(jī)，模擬市場則有超過1000億美元的市場規(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)市場成長的主要年驅(qū)動(dòng)市場成長的主要?jiǎng)恿Α?dòng)力。 關(guān)于半導(dǎo)體科技未來發(fā)展趨勢，方進(jìn)認(rèn)為，關(guān)于半導(dǎo)體科技未來發(fā)展趨勢，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單工藝簡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