芯片发展历程与莫尔定律
半导体制程及摩尔定律
神秘的处理器制程工艺摩尔定律指导集成电路(IC，Integrated Circuit)工业飞速发展到今天已经40多年了。
在进入21世纪的第8个年头，各类45nm芯片开始批量问世，标志着集成电路工业终于迈入了低于50nm的纳米级阶段。
而为了使45nm工艺按时“顺产”，保证摩尔定律继续发挥作用，半导体工程师们做了无数艰辛的研究和改进—这也催生了很多全新的工艺特点，像大家耳熟能详的High-K、沉浸式光刻等等。
按照业界的看法，45nm工艺的特点及其工艺完全不同于以往的90nm、65nm，反而很多应用在45nm制程工艺上的新技术，在今后可能贯穿到32nm甚至22nm阶段。
今天就让我们通过一个个案例，来探索一下将伴随我们未来5年的技术吧。
你能准确说出45nm是什么宽度吗？得益于厂商与媒体的积极宣传，就算非科班出身，不是电脑爱好者的大叔们也能知道45nm比65nm更加先进。
但如果要细问45nm是什么的长度，估计很多人都难以给出一个准确的答案。
而要理解这个问题，就要从超大规模集成电路中最基本的单元—MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体)晶体管说起。
我们用半导体制作MOS管就是利用其特殊的导电能力来传递0或者1的数字信号。
在栅极不通电的情况下，源区的信号很难穿过不导电的衬底到达漏区，即表示电路关闭(数字信号0)；如果在栅极和衬底间加上电压，那么衬底中的电荷就会在异性相吸的作用下在绝缘氧化层下大量聚集，形成一条细窄的导电区，使得源区和漏区导通，那么电流就可以顺利从源区传递到漏区了(信号1)。
这便是MOS最基本的工作原理。
在一块高纯硅晶圆上(在工艺中称为“P型半导体衬底”)通过离子扩散的方法制作出两个N型半导体的阱——通俗地讲P型是指带正电的粒子较多，N型则是带负电的粒子比较多。
再通过沉积、光刻、氧化、抛光等工艺制造成如图中所示的MOS管，两个阱的上方分别对应源区(source)和漏区(drain)，中间的栅区(gate)和下方的衬底中间用一层氧化绝缘层隔开。
在计算机领域的摩尔定律芯片的运算速度
在计算机领域的摩尔定律芯片的运算速度摩尔定律（Moore's Law）是计算机领域的一个重要定律，由英特尔创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）提出。
该定律预测了集成电路中可容纳的晶体管数量每隔大约18个月翻倍，从而导致芯片的运算速度也以相似的速度增长。
摩尔定律在近几十年来一直成为计算机领域的基本发展规律，至今依然有效。
摩尔定律的提出可以追溯到摩尔在1965年发表的一篇论文中。
当时，他预测未来10年内集成电路中晶体管数量将增加两倍。
实际情况是晶体管数量增长更快，集成电路性能也大幅增强。
这个观察结果在之后成为“摩尔定律”。
根据摩尔定律，芯片上集成的晶体管数量每隔约18个月翻倍。
这就意味着每18个月，一个芯片可以容纳更多的晶体管，从而能够进行更多的计算和处理任务。
同时，由于每个晶体管变得更小，它们之间的距离也变得更近，导致电信号在芯片上的传输速度更快。
芯片的运算速度通常可以从其时钟频率来衡量。
时钟频率表示每秒钟芯片内部时钟发出的振荡信号的次数。
根据摩尔定律的推动，芯片的时钟频率也在不断增长。
早期的个人计算机处理器的时钟频率可能只有几十兆赫兹（MHz），而现在的处理器时钟频率已经超过几十千兆赫兹（GHz）。
然而，随着摩尔定律的推进，面临着一些困难和限制。
首先，芯片上的晶体管数量已经逐渐接近了理论上的极限，无法继续按照摩尔定律的规律进行增长。
其次，增加晶体管数量和提高时钟频率会导致芯片发热问题。
高频率的操作会产生大量热量，需要更好的散热和冷却系统来保持芯片的稳定工作。
最后，使用更小的晶体管可能会导致电子的跨导效应增加，使得芯片的功耗增加，也会对芯片的性能和散热产生负面影响。
为应对这些挑战，计算机领域开始寻求新的技术和架构。
例如，通过多核处理器技术，将一个芯片上的晶体管分为多个处理单元，从而提高处理器的并行能力。
此外，还有基于图形处理器（GPU）和加速器的并行计算架构等。
这些技术和架构的出现，为提升计算性能和处理能力提供了新的途径。
简述摩尔定律的含义
简述摩尔定律的含义摘要：1.摩尔定律的定义与起源2.摩尔定律的基本内容与计算公式3.摩尔定律的发展与应用4.摩尔定律的局限性与未来发展趋势正文：摩尔定律是半导体行业的重要定律，由英特尔公司创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）于1965年提出。
它揭示了集成电路中晶体管数量与制造成本、性能之间的关系。
根据摩尔定律，每隔18到24个月，集成电路中的晶体管数量将翻倍，而芯片的性能也将提升一倍。
同时，芯片的制造成本会降低一半。
摩尔定律的基本内容可以用以下公式表示：（晶体管数量）= N0 * 2^(-x)其中，N0为初始时期的晶体管数量，x为时间间隔（以年为单位），2^(-x)表示每过一年，晶体管数量减半。
自提出以来，摩尔定律在半导体行业得到了广泛的应用。
它为业界提供了指导，帮助企业规划产品研发、市场竞争和技术创新。
然而，随着技术的不断发展，摩尔定律也逐渐暴露出局限性。
首先，随着晶体管数量的增加，电路的复杂性也在不断提高，导致设计、制造和维护的难度加大。
其次，功耗和发热问题也日益突出，限制了芯片性能的进一步提升。
尽管如此，摩尔定律仍然具有很高的指导意义。
在未来，随着新型材料、制程技术和架构的创新，摩尔定律可能会有所调整，但将继续影响半导体行业的发展。
我国也在积极推动集成电路产业的发展，以满足国内外市场的需求，实现产业升级。
在政策扶持、企业自主创新和技术合作的基础上，我国集成电路产业有望实现突破，推动摩尔定律在我国的实践。
总之，摩尔定律是半导体行业的重要定律，揭示了晶体管数量、性能和制造成本之间的关系。
虽然在未来发展过程中面临局限性，但摩尔定律仍具有指导意义。
简单介绍摩尔定律
简单介绍摩尔定律摩尔定律是指在集成电路技术领域，每隔18-24个月，集成电路中可容纳的晶体管数量将翻倍，而成本会减少一半。
这个定律是由英特尔创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965年提出的，也是集成电路技术发展的一个重要指导原则。
摩尔定律的提出是在当时已开始观察到集成电路技术的快速发展，并预测未来的发展趋势。
这个定律在过去几十年中一直被验证，对于集成电路行业的发展起到了重要的推动作用。
摩尔定律的成立是基于一种技术趋势和经验规律，而非一种准确的科学定律。
按照摩尔定律，晶体管的数量每18-24个月翻倍一次，也就是说每个新一代的集成电路芯片都会比上一代增加更多的晶体管。
这种增加晶体管数量的趋势直接推动了计算机性能的提升。
因为晶体管是计算机处理信息的基本单位，晶体管数量的增加意味着计算能力的提升，计算速度更快，处理更大规模的数据也更加高效。
同时，摩尔定律也意味着集成电路的成本会逐渐降低。
每次晶体管数量翻倍时，也会伴随着制造成本的下降。
集成电路制造需要的材料、设备和劳动力成本都会随着技术进步而降低，这使得更多人能够负担得起先进的电子产品。
摩尔定律的成立离不开不断推动技术进步的创新。
为了满足摩尔定律的要求，工程师们必须不断寻找新的材料、工艺和设计方法，以提高集成电路的集成度和性能。
例如，从传统的硅材料演化到今天的深亚微米和纳米技术，以及利用新材料如碳纳米管、量子点等进行研究，都是为了满足摩尔定律所需。
然而，随着摩尔定律逐渐接近物理极限，我们逐渐面临着一些挑战。
晶体管尺寸越来越小，由于量子效应的影响，电子运动变得更加复杂，热效应也更加明显。
此外，制备工艺的复杂性和成本也在不断增加。
因此，为了继续推动技术的进步，科学家们需要寻找新的突破点和解决方案，如量子计算、光子技术和新型材料等。
总的来说，摩尔定律对于集成电路技术的发展起到了重要的指导作用。
它推动了计算机性能的持续提升和成本的降低，促进了信息时代的快速发展。
在计算机网络领域的摩尔定律芯片的运算速度每48个月翻一番
在计算机网络领域的摩尔定律芯片的运算速度每48个月翻一番摩尔定律是计算机领域的一条经验规律，其核心内容是指在一定时间内，集成电路上可容纳的晶体管数量翻倍，也可以理解为芯片的运算速度每过一段固定时间就翻倍。
摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔在1965年提出的，具有长期和广泛的应用价值。
摩尔定律的形式可以用如下公式表示：N=N0*2^(t/τ)，其中N代表单位面积上可容纳的晶体管数量，N0是初始数量，t是时间，τ是一个常数，通常取18-24个月。
摩尔定律意味着芯片的集成度不断提高，晶体管的数量越来越多，从而使得芯片的运算速度不断提升。
由于晶体管数量的增加，每个时钟周期内可以处理更多的数据，因此芯片的运算速度也随之增加。
根据摩尔定律，芯片的运算速度大约每48个月会翻一番。
摩尔定律的发展对计算机网络领域产生了深远影响。
首先，摩尔定律的存在使得计算机网络设备的性能不断提升，从而满足了日益增长的网络需求。
比如，网络交换机和路由器的处理能力不断提高，可以处理更多的数据流量和更复杂的网络协议。
其次，摩尔定律也促进了网络通信技术的进步。
计算机网络需要高速可靠的传输通道，而摩尔定律提供了实现高速传输的基础。
例如，光纤通信技术的进步，使得数据传输速度大幅提高，满足了高带宽应用场景下的需求。
然而，需要指出的是，摩尔定律在最近几年面临着巨大的挑战。
由于晶体管的尺寸逼近了物理极限，一些技术难题开始显现，例如散热问题、功耗问题等。
因此，有人认为摩尔定律会在未来几年内失效，芯片的性能提升将无法依靠集成度的提高，而需要寻找其他创新的方式。
芯片的发展历程
芯片的发展历程芯片的发展历程可以追溯到20世纪50年代，当时的电子管技术已经非常成熟。
然而，由于电子管的体积庞大、功耗高、寿命短等问题，科学家们开始探索一种更小、更高效的电子元件。
1958年，美国的杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯通过将晶体管等离子体刻在单片硅晶体上，发明了第一块集成电路。
这种集成电路将数十个晶体管组合在一起，形成一个功能完整的电子元件。
之后，研究人员通过微影技术，将更多的元件集成到单块芯片上，从而提高了电路的集成度。
1965年，英特尔公司的创始人戈登·摩尔提出了摩尔定律，该定律预言了集成电路每隔18-24个月，集成度将翻一番，而成本将减半。
这一预测准确地描述了芯片行业的发展趋势，并成为了之后芯片发展的重要指导。
随着摩尔定律的推动，芯片的规模不断增大，性能也得到了大幅提升。
20世纪70年代末，第一款大规模集成（VLSI）芯片问世，它的集成度是传统集成电路的数倍。
这一突破在计算机和通信领域引发了巨大的变革，同时也为后续的芯片创新打下了基础。
20世纪80年代，随着数字信号处理技术的发展，芯片的应用领域进一步扩大。
高性能处理器、图像处理器、音频处理器等先进芯片相继问世，为计算机图形处理、音视频编码解码等领域带来了巨大的提升。
1990年代初，随着个人电脑的普及，芯片市场进入了一个爆发期。
微软的Windows操作系统和因特尔的处理器形成了黄金组合，推动了个人计算机的快速普及，也推动了芯片行业的繁荣。
21世纪初，移动互联网的兴起成为芯片行业发展的新引擎。
随着智能手机、平板电脑等移动设备的普及，对于功耗、体积和性能的要求也越来越高。
不断涌现的移动处理器和通信芯片，加速了移动互联网的发展，并催生出了新兴的行业和商业模式。
当前，芯片行业正处于人工智能、大数据、物联网等新兴技术的驱动下，迎来了新的发展机遇。
人工智能芯片、5G通信芯片、物联网芯片等成为新的研究热点，推动着芯片技术的不断突破和创新。
信息时代三代定律有摩尔定律、吉尔德定律、麦特卡尔夫定律
信息时代三代定律有摩尔定律、吉尔德定律、
麦特卡尔夫定律
对的，信息时代三代定律是指摩尔定律、吉尔德定律和麦特卡尔
夫定律。
1. 摩尔定律（Moore's Law）：由英特尔创始人戈登·摩尔于
1965年提出，指出集成电路上可容纳的元件数量每隔18-24个月翻一番，性能也相应提升一倍，而成本保持不变。
这个定律被认为是信息
技术领域的基础法则，推动了半导体产业的快速发展。
2. 吉尔德定律（Gilder's Law）：由乔治·吉尔德于1993年提出，他认为光纤通信的带宽每隔9个月增长一倍，这比摩尔定律更快。
吉尔德认为信息的价值不仅仅在于处理速度，也在于能够进行全球性
的快速传输。
3. 麦特卡尔夫定律（Metcalfe's Law）：由罗伯特·麦特卡尔
夫于1980年提出，他认为一个网络的价值与该网络中连接用户的平方
成正比。
换句话说，网络的价值随着用户数量的增加呈指数级增长，
所以网络的规模和用户数对于网络的价值至关重要。
这三个定律在信息时代中对于科技发展、网络建设经济的发展具
有重要指导作用。
芯片发展大事年表
芯片发展大事年表一、1958年：集成电路的诞生集成电路是芯片的前身，它是由杰克·基尔比和罗伯特·诺伊斯研发成功的。
这一技术的诞生，标志着芯片发展的起点。
二、1965年：摩尔定律的提出摩尔定律是由英特尔创始人戈登·摩尔提出的，它预测了芯片中晶体管数量的指数级增长。
这一定律成为了芯片发展的重要引擎。
三、1971年：微处理器的诞生微处理器是一种由集成电路构成的芯片，它具备了处理器的功能。
Intel公司推出的首款微处理器4004，开启了个人计算机时代。
四、1987年：CMOS技术的应用CMOS技术是一种低功耗的集成电路制造技术，它使得芯片在功耗和性能上取得了平衡。
CMOS技术的应用，为芯片的进一步发展提供了基础。
五、1990年：DRAM存储器的突破DRAM（动态随机存取存储器）是一种用于计算机存储的芯片，它具备了高密度和低成本的特点。
1990年，三星公司推出了第一款1M DRAM芯片，开创了DRAM存储器的新时代。
六、1997年：ASIC技术的应用ASIC（专用集成电路）是一种根据特定需求定制的芯片，它具备了高性能和低功耗的特点。
ASIC技术的应用，为电子产品的不断创新提供了支撑。
七、2000年：SOC技术的兴起SOC（片上系统）是一种将多个功能模块集成在一颗芯片上的技术，它大大简化了电子产品的设计和生产流程。
SOC技术的兴起，为信息产业的快速发展奠定了基础。
八、2003年：无线通信芯片的发展无线通信芯片是一种用于无线通信设备的芯片，它具备了高速传输和稳定连接的特点。
2003年，高通推出了首款3G无线通信芯片，推动了移动通信的普及和发展。
九、2010年：ARM架构的崛起ARM架构是一种低功耗的处理器架构，它被广泛应用于移动设备和嵌入式系统。
ARM架构的崛起，改变了传统的处理器格局，推动了智能手机等移动设备的快速发展。
十、2017年：人工智能芯片的崭露头角人工智能芯片是一种专门用于加速人工智能计算的芯片，它具备了高性能和低功耗的特点。
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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 semiconductor triode” （晶体管，一个半导体三级管） “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）
SOC与IC的设计原理是不同的，它是微电子设计领域 的一场革命。 SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算 法、软件（特别是芯片上的操作系统-嵌入式的操作系 统）、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结 合起来，在单个芯片上完成整个系统的功能。它的设 计必须从系统行为级开始自顶向下（Top-Down）。
台积电（TSMC）于2010夏季动工建设的新工厂打算支持直至7nm工艺的量产 英特尔——微细化竞争中固守头把交椅。从英特尔的发展蓝图来看，预计该公 司将从2011年下半年开始22nm工艺的量产。
美国Achronix半导体（Achronix Semiconductor）于当地时间2010年11月1 日宣布，将采用英特尔的22nm级工艺制造该公司的新型FPGA“Speedster22i”
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
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)
莫尔定律——原始依据
Moore’s observation about silicon integration (cost, yield, and reliability) has fueled the worldwide technology revolution: (1) IC miniaturization down to nanoscale and (2) SoC based system integration.
小结
发展历程
莫尔定律
特征尺寸
发展趋势
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) 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 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)
IC Industry: “Make it big in a make-it-small business”! IC工业就是一个在做小中做大的生意
莫尔定律——特征尺寸
MOS尺寸缩小
莫尔定律——今后适用性？
全球最大代工厂商台积电是唯一一家具体公布20nm工艺量产时间的企业—— 预定2012年下半年量产
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
--- 氧化工艺(Atalla; bell Lab) --- PN结隔离(K. Levovec)
---1963 CMOS (Wanlass, Sah; Fairchild)
IC芯片中晶体管（脑细胞）数目
From SSI to VLSI/ULSI
晶体管数目 2-30 30-103 103-5 105-7 107-9 >109
小规模集成电路(SSI) 中规模集成电路 (MSI) 大规模集成电路 (LSI) 超大规模集成电路(VLSI: Very Large ) 甚大规模ULSI(Ultra Large) 极大规模SLSI(Super Large) 巨大规模(GSI: Gigantic/Giga)
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 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
器件、电路新原理
• System-on-Chip (SOC) • Magnetoresistive RAM • Double-gate Transistors • Carbon Nanotube Transistors • Biological and Molecular Selfassembly
芯片制造技术的发展趋势
MEMS技术和生物信息技术将成为 下一代半导体主流技术
MEMS技术将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实 现了微电子与机械融为一体的系统。 微电子与生物技术紧密结合的以 DNA 芯片等为代表的生物 工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增 长点。 采用微电子加工技术，在指甲盖大小的硅片上制作含有多达 10-20万种DNA基因片段的芯片。芯片可在极短的时间内检 测或发现遗传基因的变化。对遗传学研究、疾病诊断、疾病 治疗和预防、转基因工程等具有极其重要作用。
石墨烯—有望替代半导体
石墨烯——美国伦斯勒理工学
院成功在上生成带隙
用水就能变成半导体 石墨烯本身并没有带隙，只具 石墨烯
有金属一样的特性
石墨烯吸收了空气中的水分后， 在石墨烯上生成带隙。而且， 可通过调节温度、在0～0.2eV 的范围内自由设定带隙值。
10纳米以下的碳纳米管器件 10纳米以下的碳纳米管
莫尔定律——特征尺寸
集成电路的特征参数从1959年以来缩小了140倍 平均晶体管价格降低了107倍。 特征尺寸：10微米-1.0微米-0.8µ（亚微米 ）→ 半微米 0.5 µ→深亚微米 0.35µ, 0.25µ, 0.18µ, 0.13µ → 纳米 90 nm →65 nm → 45nm 32nm/2009 →28nm/2011 →22nm/2012
Intel创始人Gordon Moore
1965年提出 集成电路的集成度，每18-2
Gordon Moore, “Cramming More Components Onto Integrated Circuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965.
莫尔定律的有效性——延续至今
莫尔定律的有效性——延续至今
莫尔定律——特征尺寸
集成度提高一倍，特征尺寸*0.7
特征尺寸是指器件中最小线条宽度,为技术水平 的标志 对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟 道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸 也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则） 缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能 / 价格比最有效手段之一
--- 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)
第1个集成电路的发明
J. Kilby
Intel P4
4 千 2 百万个晶体管、 尺寸：224mm2
集成电路之父 2000 Nobel 物理奖 1958.9.12发明了第1 个IC“Solid Circuit”
第1个IC
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
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
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
芯片制造技术的发展趋势