《20nm以后的集成电路技术 .docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《20nm以后的集成电路技术 .docx（3页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、20nm以后的集成电路技术 20nm以后的集成电路技术 摘要：集成电路进入20nm以后，FinFET，EUV，450mm晶圆，3DIC等新技术不断涌现。同时为了与这些先进技术相匹配，芯片设计人员也要改变原有理念，用DFP， DFM， DFA，和DFC的新概念指引设计。 关键词：20nm 集成电路 中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：1007-941601-0196-01 1 引言 从第一片集成电路诞生开始，遵循摩尔定律，集成电路技术向前高速开展。如今，已经开展到20nm工艺。 最大的IDM厂商英特尔已经投产22nm芯片，最大的晶圆代工TSMC也已进入20nm时代，14nm预计最早
2、在2021年投产。不同于以往，在20nm以后，集成电路技术的开展将是一场由全行业共同参与推动的产业革命。 2 FINFET 晶体管是集成电路的根本单元，是工艺缩减的主要对象，通过简单的等比例缩小尺寸来开发晶体管的时代已过去。科学家不断开发新材料和新结构的器件，以提供更小的尺寸，满足人们对高密度、高性能和低能耗的需求。 FinFET是一种互补式金氧半导体晶体管，栅可小于25nm，未来预期可以进一步缩小至5nm，是业界提出的多种新型晶体管中的佼佼者。 在传统平面晶体管结构中，栅只在一侧控制电路通断，这种结构在尺寸缩减时会遇到极限。随着沟道长度减小，沟道中由栅压控制的电荷将变少，而且随着漏电压加大，
3、漏端反偏空间电荷区会更严重地延伸到沟道区，从而栅压控制的体电荷会变得更少。在FinFET架构中，栅被设计成类似鱼鳍的叉状三维架构，可以在电路两侧或三侧控制电路通断。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电流，也可以大幅缩短晶体管沟道长度。 FinFET器件极其衍生的诸多立体双门，三门晶体管已经被业界认可，会成为器件的开展方向。 3 EUV 要制造小线宽器件，就要提到核心的工艺技术光照。通常，光源波长越短，可以得到越小尺寸的图形。波长只有13.5nm的EUV光刻技术渐渐被推到了光照技术的前沿。 EUV的光源是在真空条件下，激光等离子源产生的极紫外射线。在光学系统上，因为在极紫外光波段所有材料的折射
4、率都接近于1，已无适宜的透射材料，EUV必须使用反射镜聚光。其根本工作原理为氙气被激光击中后，变热并产生等离子体，此时电子开始逃逸，产生13.5nm的光。光经过光学系统会聚并照到掩膜版上，经光学系统处理，在反射镜上形成芯片平面图案，再通过反射镜的屡次反射，掩膜版上的图案最终被微缩，并呈现到晶圆上。 EUV所使用光源的波长是现有的十分之一，可使技术节点到达10nm以下，它是未来十年支撑摩尔定律的脊梁。 4 450mm wafer 先进工艺设备非常昂贵，相应晶圆产品的价格也会很高。如何有效利用生产线，减低芯片本钱，成为在先进工艺下晶圆厂要面临的首要问题。450mm晶圆可以降低约30%的生产本钱和5
5、0%的生产周期。因此20nm以后，450mm晶圆将会被引入工厂。450mm晶圆的生产将是整个产业链共同努力的结果。设备供给商，单晶硅提供商，和晶圆厂等单位都将参与其中。Fab的投资在百亿美元以上，其中70%资金将会投入到设备上。建设450mm Fab，以及学习新技术的费用也将占有相当的比例。晶圆厂的剧烈竞争和终端市场降低价格的需求，都将驱动450mm晶圆投入量产。 英特尔和TSMC是450mm晶圆技术的积极推动者。英特尔的D1X有可能成为世界上第一家投产450mm晶圆的工厂。TSMC也方案在Fab15建设一条14nm的450mm生产线。2021年左右，市场上就会有14-20nm工艺的450mm
6、晶圆了。 5 3DIC 20nm以后，传统平面封装结构已经不能满足需求， 3DIC将成为封装的趋势。 3DIC 是指在同一个封装体内纵向叠放多个芯片的封装技术。3DIC为改善封装的集成度，功耗和系统带宽提供了一个有效的解决方案。 在所有的3DIC技术中，硅穿孔能实现最短、最丰富的互连。TSV是在芯片之间制造出垂直导通，实现互连的技术。TSV能够使芯片在外形尺寸不增加的情况下，利用堆叠实现三维空间密度最大。 通孔是TSV的核心，有“先通孔和“后通孔两种方案。先通孔指做前道工艺时，在硅衬底上先形成通孔，这需要在设计时就考虑好，一般在晶圆厂完成。后通孔指在后道所有工艺完成后再制作通孔，其可以在封装厂
7、完成。TSV堆栈技术已被应用。高纵横比的硅刻蚀，好的绝缘衬底和金属势垒，以及有效地镀铜是TSV技术的关键。 基于TSV的3DIC解决方案缩短了互连长度，通过减小信号延迟，降低功耗，减小外形尺寸，提高了性能，提供了性价比更高的封装方案。此外，3DIC还可以使不同功能的芯片堆叠在一起，实现一个系统的功能。 6 DFP，DFM，DFA，DFC 伴随线宽减小，新的设计标准大量出现。设计人员要审视新器件对性能的影响，考虑设计方案是否适合生产，在设计初期将封装统筹方案，并更加关注本钱。 新的立体结构器件与传统平面结构器件有很大差异，在器件模型和电路仿真时要认真研究。以FinFET为例，因为Fin结构特殊，
8、Vt对于fin的厚度敏感，每1nm的厚度变化影响30mv的Vt，使得设计人员在设计时就要计算好fin的宽度来到达不同的Vt。设计人员头脑中要有DFP的概念。 20nm以后，设计师必须学习掌握更多的知识和技能，做到为性能，封装，可生产性，和本钱而设计。 7 结语 20nm以后的集成电路技术开展，是整个产业的革命。需要科学家，电路设计师，工艺研究人员，工厂工程师，材料开发人员，设备供给商，投资人等共同参与和创新。更先进的技术，更优质的产品，更低的本钱是半导体人的始终追求，也是摩尔定律的真谛。 参考文献 【1】杨向荣，张明，王晓临，曹万强.“新型光刻技术的现状与进展.材料导报，2007，5. 【2】童志义.“3D IC集成与硅通孔互连.电子工业专用设备，总第170期.