芯片发展历程与莫尔定律
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• Double-gate Transistors
• Carbon Nanotube Transistors
• Biological and Molecular Selfassembly
莫尔定律
Moore's Law 芯片上晶体管（脑细胞）尺寸随时间不断缩小的规律
Intel创始人Gordon Moore 1965年提出 集成电路的集成度，每18-24
“Transistor =transfer + resistor, （晶体管＝传输+电阻） Transferring electrical signal across a resistor” （经过一个电阻传输点信号）
场效应晶体管理论的建立
场效应晶体管理论 – 通过表面电荷调制半导体薄膜的电导 率 – (Phys. Rev. 74, 232,1948)
Lab) 1954 第一个硅晶体管(TI：德州仪器）) 1955 扩散结和晶体管结合(Bell Lab)
第1个集成电路的发明
J. Kilby
集成电路之父
2000 Nobel 物理奖
1958.9.12发明了第1 个IC“Solid
第1C个irIcCuit”
锗衬底，台式结构、2个晶体管、2个电容、 8个电阻，黑蜡保护刻蚀，打线结合
1956 Nobel 物理奖：Bardeen, Brattain and Shockley
晶体管制造工艺的摸索
1950-1956: 基本晶体管制造技术发展 ---从基于锗的器件转为硅衬底 ---从合金化制造 p/n结转变为扩散制备pn结 1950 扩散结(Hall, Dunlap; GE) 1952 结型场效应晶体管 ( Shockley; Bell
微电子制造原理与技术
第二部分 芯片制造原理与技术 李明
材料科学与工程学院
芯片发展历程与莫尔定律 晶体管结构及其作用 芯片微纳制造技术
第1个晶体管的诞生
1947.12.23 点接触式晶体管 By Bardeen & Brattain
第一篇关于晶体管的文章 Br Webster’s
“The transistor, a semБайду номын сангаасconductor triode” （晶体管，一个半导体三级管）
IC芯片中晶体管（脑细胞）数目
From SSI to VLSI/ULSI
晶体管数目
小规模集成电路(SSI) 2-30
中规模集成电路 (MSI) 30-103
大规模集成电路 (LSI) 103-5
超大规模集成电路(VLSI: Very Large )
甚大规模ULSI(Ultra Large) 107-9
--- 氧化工艺(Atalla; bell Lab) --- PN结隔离(K. Levovec) --- Al金属膜的蒸发制备 --- 平面工艺技术(J. Hoerni; Fairchild)
1959-63 MOS 器件与工艺
---1959 MOS 电容 (J. Moll; Stanford) ---1960-63 Si表面和MOS器件研究 (Sah, Deal, Grove…) ---1962 PMOS (Fairchild); NMOSFET (美国无线电公司) ---1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild)
1958-1967 SSI *平面工艺 1968-1977 LSI *离子注入掺杂
*多晶硅栅极 *局部硅氧化的器件隔离技术 *单晶管 DRAM by R. Denard (1968 patent) *微处理器( 1971, Intel)
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术
2008-
IC快速发展源泉——材料与技术研发
新材料
• Copper Interconnects
• Silicon-OnInsulator (SOI)
• Low-k
• Silicon Germanium (SiGe)
• Strained Silicon
新制造方法
• 300mm equipment • Processing chemistries • Alliances • Advanced Process Control • Integrated metrology
Source: FSI International, Inc.
新封装形式 • Flip Chip • Wafer Scale Packaging • 3D Packaging • System in a package
器件、电路新原理
• System-on-Chip (SOC)
• Magnetoresistive RAM
Intel P4
4千2百万个晶体管、 尺寸：224mm2
距离晶体管发明已经过去11年，why？
第1个在Si单片上实现的集成电路
第 一 个 Si 单 片 电 路 IC-“ 微 芯 片 ” by R. Noyce (Fairchild, IC 技 术 创 始 人 之一)
IC制造工艺的进步
1958-1960 基本IC工艺和器件进一步
1978-1987 VLSI *精细光刻技术(电子束制备掩膜版) *等离子体和反应离子刻蚀技术 *磁控溅射制备薄膜
1988-1997 ULSI * 亚微米和深亚微米技术 * 深紫外光刻和图形技术
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术
1998- 2007 SoC/SLSI, 纳米尺度CMOS *Cu 和 Low-k 互连技术 *High-k 栅氧化物 *绝缘体上SOI, etc
个月提高一倍 1960 以 来 ， Moore 定 律 一 直
有效
Gordon Moore, “Cramming More Components Onto Integrated Circuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.
极大规模SLSI(Super Large)
105-7
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
性能(速度、能力可靠性) 功能从简单逻辑门到复杂系统 产量、价格、应用
制造技术 Si 和其他材料的开发 器件物理 电路和系统 ---
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术
• Carbon Nanotube Transistors
• Biological and Molecular Selfassembly
莫尔定律
Moore's Law 芯片上晶体管（脑细胞）尺寸随时间不断缩小的规律
Intel创始人Gordon Moore 1965年提出 集成电路的集成度，每18-24
“Transistor =transfer + resistor, （晶体管＝传输+电阻） Transferring electrical signal across a resistor” （经过一个电阻传输点信号）
场效应晶体管理论的建立
场效应晶体管理论 – 通过表面电荷调制半导体薄膜的电导 率 – (Phys. Rev. 74, 232,1948)
Lab) 1954 第一个硅晶体管(TI：德州仪器）) 1955 扩散结和晶体管结合(Bell Lab)
第1个集成电路的发明
J. Kilby
集成电路之父
2000 Nobel 物理奖
1958.9.12发明了第1 个IC“Solid
第1C个irIcCuit”
锗衬底，台式结构、2个晶体管、2个电容、 8个电阻，黑蜡保护刻蚀，打线结合
1956 Nobel 物理奖：Bardeen, Brattain and Shockley
晶体管制造工艺的摸索
1950-1956: 基本晶体管制造技术发展 ---从基于锗的器件转为硅衬底 ---从合金化制造 p/n结转变为扩散制备pn结 1950 扩散结(Hall, Dunlap; GE) 1952 结型场效应晶体管 ( Shockley; Bell
微电子制造原理与技术
第二部分 芯片制造原理与技术 李明
材料科学与工程学院
芯片发展历程与莫尔定律 晶体管结构及其作用 芯片微纳制造技术
第1个晶体管的诞生
1947.12.23 点接触式晶体管 By Bardeen & Brattain
第一篇关于晶体管的文章 Br Webster’s
“The transistor, a semБайду номын сангаасconductor triode” （晶体管，一个半导体三级管）
IC芯片中晶体管（脑细胞）数目
From SSI to VLSI/ULSI
晶体管数目
小规模集成电路(SSI) 2-30
中规模集成电路 (MSI) 30-103
大规模集成电路 (LSI) 103-5
超大规模集成电路(VLSI: Very Large )
甚大规模ULSI(Ultra Large) 107-9
--- 氧化工艺(Atalla; bell Lab) --- PN结隔离(K. Levovec) --- Al金属膜的蒸发制备 --- 平面工艺技术(J. Hoerni; Fairchild)
1959-63 MOS 器件与工艺
---1959 MOS 电容 (J. Moll; Stanford) ---1960-63 Si表面和MOS器件研究 (Sah, Deal, Grove…) ---1962 PMOS (Fairchild); NMOSFET (美国无线电公司) ---1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild)
1958-1967 SSI *平面工艺 1968-1977 LSI *离子注入掺杂
*多晶硅栅极 *局部硅氧化的器件隔离技术 *单晶管 DRAM by R. Denard (1968 patent) *微处理器( 1971, Intel)
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术
2008-
IC快速发展源泉——材料与技术研发
新材料
• Copper Interconnects
• Silicon-OnInsulator (SOI)
• Low-k
• Silicon Germanium (SiGe)
• Strained Silicon
新制造方法
• 300mm equipment • Processing chemistries • Alliances • Advanced Process Control • Integrated metrology
Source: FSI International, Inc.
新封装形式 • Flip Chip • Wafer Scale Packaging • 3D Packaging • System in a package
器件、电路新原理
• System-on-Chip (SOC)
• Magnetoresistive RAM
Intel P4
4千2百万个晶体管、 尺寸：224mm2
距离晶体管发明已经过去11年，why？
第1个在Si单片上实现的集成电路
第 一 个 Si 单 片 电 路 IC-“ 微 芯 片 ” by R. Noyce (Fairchild, IC 技 术 创 始 人 之一)
IC制造工艺的进步
1958-1960 基本IC工艺和器件进一步
1978-1987 VLSI *精细光刻技术(电子束制备掩膜版) *等离子体和反应离子刻蚀技术 *磁控溅射制备薄膜
1988-1997 ULSI * 亚微米和深亚微米技术 * 深紫外光刻和图形技术
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术
1998- 2007 SoC/SLSI, 纳米尺度CMOS *Cu 和 Low-k 互连技术 *High-k 栅氧化物 *绝缘体上SOI, etc
个月提高一倍 1960 以 来 ， Moore 定 律 一 直
有效
Gordon Moore, “Cramming More Components Onto Integrated Circuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.
极大规模SLSI(Super Large)
105-7
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
性能(速度、能力可靠性) 功能从简单逻辑门到复杂系统 产量、价格、应用
制造技术 Si 和其他材料的开发 器件物理 电路和系统 ---
IC快速发展强烈依赖材料与技术研发
集成度提高---新工艺技术