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方案开发鼎盛合分享:芯片CMOS技术

活动时间:2019-09-20
如果说集成电路的发展是人类历史上的一朵奇葩,那么CMOS技术就是一直滋养这支花朵成长的养料。在集成电路走过的精彩辉煌的50年里,CMOS技术为低功耗集成电路打下了基础,并成为当今主流集成电路的关键生产技术。可以说,如果没有CMOS工艺,就没有今天的芯片制造业,我们也享受不到PC带来的种种便利和乐趣。从某种意义上来说,集成电路发展史是CMOS工艺不断向前推进的历史。

说起CMOS技术的发明应用,还要从基本的硅平面技术说起。硅平面工艺不仅可以在同一硅片上制作出许多BJT 以及电路元件、互连等,还可以制作出器件之间的p-n 结隔离,因此首先发明的是BJT IC。不过在这种IC 中,“隔离墙”占用的面积过大,再加上BJT 是电流控制型器件,功耗比较大,所以限制了集成规模的提高。如果能有一种可以实现自隔离的器件,如果再是电压控制型,那将是构成IC 的理想器件。这种器件早在1930 年J.Lilienfeld 的美国专利和1935 年O.Heil 的英国专利中已经提出构想,即IGFET(绝缘栅场效应晶体管——Insulator Gate Field Effect Transistor)的器件结构。很可惜,限于当时的工艺水平,这种器件未能实现。


到1960 年代初,利用Si 平面工艺做出了MOSFET(金属—氧化物—半导体场效应晶体管——Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor),这是以SiO2 作为绝缘栅的IGFET。首先做出的MOSFET 是负极性p 沟道器件,制作正极性的n 沟道器件遇到一些困难。A.S.Grove,B.E.Deal,E.H.Snow 和C.T.Sah 等几位物理学家对Si-SiO2 界面做了透彻的研究,解决了界面态和Na+离子的影响问题,把MOSFET,包括n-MOS、p-MOS的器件水平提高一大步。在这几位科学家中,Grove 后来创建了Intel,成了杰出的管理学家,Deal 做出过地一个Si 晶体管,C.T.Sah 在1963 年与F.M.Wanlass 一起提出了CMOS结构及技术,成为30 年来制作IC 的绝对主流工艺,占到90%以上。


CMOS(互补MOS—Complementary MOS)是把n-MOS 和p-MOS 连接成互补结构,两种极性的MOSFET 一关一开,几乎没有静态电流,很适于作为逻辑电路,因此CMOS 芯片 首先用于实现布尔功能的数字电路。Moore 定律说的是IC 集成度三年四翻,也就是芯片上的晶体管数目以累进年均增长率CAGR=1.58 增长,(1.58)3≈4,即指数增长。指数增长不容易持久的原因是在后期增长的绝对值太大。一张0.1mm 厚的纸,折一折变为0.2mm,折到20 折的厚度是100 米。Moore定律之所以著名,就是因为它这个指数增长持续几十年。Moore 定律之所以能持续就是因为CMOS 有许许多多的工艺发明和技术进步,使得晶体管的尺寸由10μm 缩小至0.1μm,提高了晶体管的面密度;使得芯片面积从几个mm2 增加到几百mm2。正是由于工艺精度的提和匀场面积的扩大,才使得Moore 定律得以保持。


CMOS 工艺的发明和进步主要包括:用离子注入代替高温扩散掺杂,用CVD(化学气相沉积—Chemical Vapour Deposition)生长SiO2、Si3N4、多晶硅等薄膜,用RIE(反应离子刻蚀—Reactive Ion Etching)代替湿法刻蚀,用poly-Si(多晶硅)作为栅极代替铝栅,用Stepper(步进光刻曝光机)代替精缩版曝光机,用铜互连代替铝互连,等等。CMOS 的技术进步是惊人的,但每一项工艺发明或者改进,哪怕是很小的改进,都不容易,可以说“工艺无小事”。以铜互连工艺为例。作为电学互连的材料,铜优于铝,这是尽人皆知的常识,但是真正用到IC 互连上,却花费了十几年的工夫。1982年,Intel推出80286处理器,首次将CMOS工艺用于CPU制作。距离CMOS思想的提出,差不多已经过去了20年时间。1985 年IBM开始在RISC大型机中采用CMOS 芯片,直到1998年,还是与诺发公司(Novellus System)合作,才完成铜互连在IC 中的应用,其中的艰难可想而知。IBM 开发铜互连工艺是一项很有远见的决策,已经成为0.13μm 以下互连工艺的维一选择。说到CMOS 的工艺进步,一定不要忘记工艺设备制造厂家和材料厂家的功劳。他们汇集了物理学、化学、材料学、控制学以及制造技术等诸多方面的成果,真可谓无所不用其极,为CMOS 的工艺进步建立了非常好的支撑环境。
集成电路发展至今,也有人对CMOS工艺的今后发展产生置疑,一些人认为CMO工艺大概到22nm是个坎。但是,占据IC领域90%以上的绝对主流地位目前还没有改变,即使是某一天它将被跟先进的工艺所取代,它在集成电路史上创造的光辉也不会被磨灭。

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