微电子技术未来发展趋势及挑战

第十一章未来的趋势与挑战西南科技大学理学院2013.4.161微电子技术的四个发展方向主要内容发展中的难题和挑战半导体技术的应用发展趋势2概述近30年来，集成电路技术一直按照摩尔定律向前发展。集成电路工艺中的特征尺寸更小，集成密度更高，集成电路材料趋于多元化（不再仅仅是硅基、二氧化硅和铝引线等），集成的元件种类更多（各种传感器），集成的系统更为复杂、庞大，集成电路的功能更为完善和强大（一个芯片就是一个独立完整的系统--SOC），集成系统的功耗更低，成为半导体工业（微电子工业）基本发展趋势。3•德州仪器(TI)开发商大会2012年5月26日起在中国召开。在深圳的首场报告中，TI首席科学家方进(GeneFrantz)和与会者分享了2020年半导体产业发展趋势，阐述科技将如何改变未来生活，并展示了一系列极富创意和前瞻性的崭新思想，将大众带入2020年的未来科技世界。这是半导体科技界让人充满期望的一次盛宴。半导体技术应用的发展趋势4半导体技术应用的发展趋势•方进指出，随着对视讯影像、车用电子、通讯设备、工业应用及医疗电子等相关应用的需求提升，全球DSP、微控制器和模拟元件的需求持续以惊人的速度攀升，到2020年，全球嵌入式处理器市场将拥有突破300亿美元的市场商机，模拟市场则有超过1000亿美元的市场规模。5•绿色装置、机器人技术、医疗电子等相关应用，将成为2020年驱动市场成长的主要动力。•关于半导体科技未来发展趋势，方进认为，到2020年，集成电路(IC)技术将发展到非常精细的程度，在许多方面会产生革命性的变化半导体技术应用的发展趋势6•多核趋势及灵活的协处理器革命并行处理带来半导体性能的疾速提升，未来IC产业通用性将变得极其重要，系统需要更多灵活可编程的DSP核，并增加优化的可编程的协处理器，以迎接未来创新应用所带来的高效严峻挑战。7•低功耗节能时代到来半导体器件功耗将达到每18个月缩减一半，这使得永续设施成为可能，某些情况下电池将被能源清除技术及能源存储单元所替代。8•SiP技术普及未来使用尖端的叠层裸片技术(SiP)进行集成将与嵌入式片上系统(SoC)一样普遍，SiP技术能够节省主板空间、减少组件数目，允许不同技术包集成，大大简化开发时间和成本。9“科学演进与技术创新将大大改变人类的生活方式，人类将会从全方位体验的科技革命中受益无穷。”作为业界公认的科技创新者，TI致力于一系列尖端科技应用的研发以提升人类生活质量，包括：10•绿色装置TI一直致力于环境保护与全球绿色工程相关产品的研发与投入，如替代能源、高效动力产品、优化的照明方案和永续设施等。11•机器人技术机器人技术将大幅提升工业生产的自动化和人类生活的便捷化，TI在替代人类及肢体操作（如眼睛、腿臂、器官等）和人机交互直接接口方面进行探索，使科技的进步与创新更好地服务于人类的生产与日常生活。12•医疗电子革命人类对生活质量提升的诉求，推动医疗电子革命。各种自动化的医疗设备及视频装置，使人们不必亲赴医院就诊。基于TI技术研发的各种医疗成像设备、超声设备、自动延伸的心脏除颤器等手持医疗设备及远端视频装置，为人类的健康与新的医疗科技革命推波助澜。13微电子技术的四个发展方向14与微电子技术相关的集成电路产业发展趋势（1）器件尺寸不断缩小，目前器件特征尺寸已进入纳米量级。器件尺寸继续缩小将遇到很多物理问题和技术挑战。（2）集成度不断提高，目前已经可以把整个电子系统或子系统集成在一个芯片里，形成集成系统芯片SOC（3）与集成电路技术相关的新材料不断涌现，高K栅介质、低K互连介质、新型化合物半导体材料等都成为目前的研究热点。（4）微电子与其他学科结合诞生新的交叉学科，也是21世纪的重要发展方向，例如集成光电子学、微机械电子学（MEMS）、纳电子学等。15发展遇到的问题和挑战•器件尺寸继续缩小将遇到很多物理问题和技术挑战，为了解决这些问题和挑战，必须进行新器件、新结构、新工艺等研究。16微电子器件的特征尺寸继续缩小•第一个关键问题：超浅结形成•随着沟道的减小，会发生短沟道效应为了得到低薄层浅结，必须采用高剂量低能量离子注入技术。100nm技术所需的结深大约为20~30nm,掺杂浓度为1×1020个/cm³.17第二个关键技术层次：微细加工目前0.18m和0.13m已开始进入大生产0.065m大生产技术也已经完成开发，具备大生产的条件当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等在0.13-0.045um阶段，最关键的加工工艺—光刻技术还是一疑难问题微电子器件的特征尺寸继续缩小18WavelengthandFrequencyofElectromagneticWaveRF:Radiofrequency;MW:Microwave;IR:infrared;andUV:ultraviolet19现今以及今后的光刻光源•极度紫外光刻ExtremeUV(EUV)lithography•X射线光刻X-Raylithography•电子束光刻Electronbeam(E-beam)lithography20第三个关键技术新型器件结构新型材料体系高K介质金属栅电极低K介质SOI材料微电子器件的特征尺寸继续缩小21•随着栅长缩小至130nm以下，栅氧化层厚度减小至2nm以保持器件的性能。需要采用较厚的具有较低漏电流的高k介质材料。二氧化硅介电常数3.9氮化硅7TiO260~10022SOI(Silicon-On-Insulator:绝缘衬底上的硅)技术23SOI技术：优点完全实现了介质隔离,彻底消除了体硅CMOS集成电路中的寄生闩锁效应速度高集成密度高工艺简单减小了热载流子效应短沟道效应小,特别适合于小尺寸器件体效应小、寄生电容小，特别适合于低压器件24SOI材料价格高衬底浮置表层硅膜质量及其界面质量SOI技术：缺点25第四个关键技术：互连技术铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；但是在0.13um以后，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有待研究开发微电子器件的特征尺寸继续缩小26•系统芯片与集成电路的设计思想和方法是不同的。这就要求微电子专业培养的人才不仅能从事IC设计，还能从事SOC设计，研究SOC的设计方法。SOC即是systemonachipSOC的实现存在两个障碍：•设计的复杂性•难以制造如：存储器制造工艺与处理器相差很大27交叉学科工作难度大•集成光电子学、微机械电子学（MEMS）、纳电子学等。这些交叉学科涉及知识面很宽，知识结构复杂，而且需要多知识多技能的融合28总结（1）器件尺寸不断缩小，目前器件特征尺寸已进入纳米量级。器件尺寸继续缩小将遇到很多物理问题和技术挑战。（2）集成度不断提高，目前已经可以把整个电子系统或子系统集成在一个芯片里，形成集成系统芯片SOC（3）与集成电路技术相关的新材料不断涌现，高K栅介质、低K互连介质、新型化合物半导体材料等都成为目前的研究热点。（4）微电子与其他学科结合诞生新的交叉学科，也是21世纪的重要发展方向，例如集成光电子学、微机械电子学（MEMS）、纳电子学等。29由于发展趋势带来一系列的挑战•第一个关键问题：超浅结形成•第二个关键技术层次：微细加工•第三个关键技术：互联问题•第四个关键技术–新型器件结构–新型材料体系•高K介质•金属栅电极•低K介质•SOI材料30THANKYOU!