微電子芯片技術(shù)

1、微電子芯片微電子芯片材料與技術(shù)材料與技術(shù)1概述1947年發(fā)明晶體管，1958年發(fā)明集成電路微電子產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要支柱產(chǎn)業(yè)微電子產(chǎn)業(yè)是技術(shù)導(dǎo)向性產(chǎn)業(yè)21世紀(jì)的微電子技術(shù)從3G發(fā)展到了3T。234英特爾處理器歷程英特爾：一個(gè)能改變世界的企業(yè)微處理器（CPU）：一個(gè)改變?nèi)祟惖暮诵?968年7月：Robert Noyce和Gordon Moore從仙童(Fairchild)半導(dǎo)體公司辭職,創(chuàng)立了一個(gè)新的企業(yè)“IntIntegrated ElElectronics ”的縮寫54004微處理器1971年11月15日，4位處理器集成了2250個(gè)晶體管晶體管距離為10微米售價(jià)200多美元6Fede

2、rico Faggin 8008微處理器1972年4月1日，8位處理器晶體管約為3500個(gè)晶體管距離為10微米78080微處理器1974年4月1日晶體管約為4500個(gè)晶體管距離為6微米88086-8088 微處理器1978年6月8日，8086微處理器，16位處理器1979年6月1日，8088微處理器晶體管約為2.9萬個(gè)晶體管距離為3微米1981年，IBM公司將8088芯片用于其研制的PC機(jī)中。正是從8088開始，個(gè)人電腦(PC)的概念開始在 全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來。從8088應(yīng)用到IBM PC機(jī)上開始,個(gè)人電腦真正走進(jìn)了人們的工作和生活之中，它也標(biāo)志著一個(gè)新時(shí)代的開始。 980286微處理器19

3、82年2月2日，也稱為286首個(gè)具有完全兼容性的處理器晶體管約為13.4萬個(gè)晶體管距離為1.5微米1080386微處理器1985年10月17日，也稱為386，32位處理器可以運(yùn)行所有流行的操作系統(tǒng)包括Windows晶體管約為27.5萬個(gè)晶體管距離為1微米1180486微處理器1989年4月10日，也稱為486Intel 80486處理器讓電腦從命令列轉(zhuǎn)型至點(diǎn)選式的圖形化操作環(huán)境晶體管約為120萬個(gè)1微米的制造工藝12奔騰微處理器1993年3月22日，也稱為586，P5/P6/PM讓電腦更容易處理 “現(xiàn)實(shí)世界”的資料，例如語音、聲音、書寫、以及相片影像晶體管約為310萬個(gè)早期0.5微米的制造工藝

4、后期0.35微米工藝源自漫畫與電視脫口秀的Pentium13奔騰II微處理器1997年5月7日，Pentium II能以極高的效率處理影片、音效、以及繪圖資料，晶體管約為750萬個(gè)晶體管距離為0.35/0.25微米14奔騰III微處理器1999年2月26日，Pentium III大幅提升先進(jìn)影像、3D、串流音樂、影片、語音辨識(shí)等應(yīng)用的性能，能大幅提升網(wǎng) 際網(wǎng)絡(luò)的使用經(jīng)驗(yàn)晶體管約為950萬個(gè)0.25/0.18微米工藝15奔騰4微處理器2000年，Pentium 4創(chuàng)造出專業(yè)品質(zhì)的電影，通過互聯(lián)網(wǎng)傳送像電視品質(zhì)的視頻圖像，通過實(shí)時(shí)的語音進(jìn)行溝通、實(shí)時(shí)地提供3D圖像，晶體管約為4200萬個(gè)0.18微

5、米工藝16奔騰D處理器 2005年5月26日，Pentium D雙內(nèi)核處理器，64位90納米技術(shù)晶體管約為2.3億個(gè)17Intel Core 2 Duo處理器 2006年7月18日晶體管約為17.2億個(gè)90納米技術(shù)Core 2 Quad; Core 2 Extreme 18最新Intel 處理器 Core i3Core i5Core i7Microarchitecture: Nehalem (45nm)Sandy Bridge (32nm)Ivy Bridge (22nm)Haswell (22nm)19 視頻視頻 從沙子到芯片，從沙子到芯片，IntelIntel英特爾處理器制作過程英特爾處理

6、器制作過程http:/ 1納米=0.0000000001米u(yù)1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室制造的第一個(gè)晶體管可握在手中，而英特爾制造的全新45納米晶體管僅在一個(gè)紅血球細(xì)胞表面即可容納數(shù)百個(gè)。u如果一所房子縮小為一個(gè)晶體管大小，不借助顯微鏡你根本無法看到這所房子。要看到45納米大小的晶體管，你需要借助非常先進(jìn)的顯微鏡。u你可以在一根人類的頭發(fā)寬度上擺放2000多個(gè)45納 米晶體管。u你可以在一個(gè)針頭上擺放3萬多個(gè)45納米晶體管，加起來約合150萬納米。u一個(gè)小數(shù)點(diǎn)(直徑約為0.1毫米或10萬納米)可填入2千多個(gè)45納米晶體管u一個(gè)45納米晶體管可在1秒鐘內(nèi)切換約3千億次，一個(gè)45納米晶體管開關(guān)一次所需時(shí)間

7、，僅相當(dāng)于以光速(每秒30萬公里)穿行0.1英寸所需的時(shí)間。22摩爾定律1965年英特爾公司主要?jiǎng)?chuàng)始人摩爾提出了“隨著芯片上電路的復(fù)雜度提高，元件數(shù)目必將增加，每個(gè)元件的成本將每年下降一半”，這個(gè)被稱為“摩爾定律”的預(yù)言成為了以后幾十年指導(dǎo)集成電路技術(shù)發(fā)展的最終法則。在20世紀(jì)60年代初，一個(gè)晶體管要10美元左右，但隨著晶體管越來越小，到一根頭發(fā)絲上可以放1000個(gè)晶體管時(shí)，每個(gè)晶體管的價(jià)格只有千分之一美分。Moore定律10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K19701980199020002010存儲(chǔ)器容量 每三年，翻兩番1965，Gordon Moore

8、預(yù)測(cè)半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每?jī)赡攴瓋煞⑻幚砥鞯男阅?00 G10 GGiga100 M10 MMegaKilo19701980199020002010納米處理器26摩爾定律的適用性晶體管的數(shù)目，微處理器的性能，價(jià)格等方面都和摩爾定律符合得很好。摩爾定律并非數(shù)學(xué)、物理定律，而是對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的一種分析預(yù)測(cè)。摩爾定律實(shí)際上是關(guān)于人類信念的定律，當(dāng)人們相信某件事情一定能做到時(shí)，就會(huì)努力去實(shí)現(xiàn)它。多種版本的“摩爾定律”：摩爾第二定律（成本），新摩爾定律（上網(wǎng)用戶） 特征尺寸技術(shù)上一般將晶體管的半節(jié)距作為集成電路每個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)標(biāo)志，稱為加工特征尺寸。晶體管尺寸縮小是集成電路集成度增加、性能提高的主要

9、方法，但是晶體管的尺寸縮小必將有一個(gè)極限。年代特征尺寸2001130 nm200490 nm200765 nm201045 nm201332 nm201622 nm202210 nm摩爾定律的極限1. 功耗的問題 存儲(chǔ)器工作靠的是成千上萬的電子充放電實(shí)現(xiàn)記憶的。當(dāng)芯片集成度越來越高，耗電量也會(huì)越來越大，如何解決散熱的問題？2. 摻雜原子均勻性的問題 一個(gè)平方厘米有一億到十億個(gè)器件，摻雜原子只有幾十個(gè)，怎么保證在每一個(gè)器件的雜質(zhì)原子的分布是一模一樣呢？是硅微電子技術(shù)發(fā)展遇到的又一個(gè)難題。3. SiO2層量子遂穿漏電的問題 CMOS器件的柵極和溝道中間有一層絕緣介質(zhì)SiO2，隨著器件尺寸的減小，S

10、iO2的厚度也在減小，當(dāng)減小到幾個(gè)納米的時(shí)候，即使你加一個(gè)很小的電壓，它就有可能被擊穿或漏電，這個(gè)時(shí)候溝道電流就難以控制了。量子隧穿漏電是硅微電子技術(shù)所遇到的另一個(gè)問題。4. 量子效應(yīng)的問題 如果硅的尺寸達(dá)到幾個(gè)納米時(shí)，那么量子效應(yīng)就不能忽略了，現(xiàn)有的集成電路的工作原理就可能不適用了。31313233半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖襯底材料（1/2）半導(dǎo)體襯底材料是發(fā)展微電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)硅材料硅材料在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)還是最主要的集成電路材料硅材料的發(fā)展趨勢(shì)晶片(wafer)直徑越來越大對(duì)硅材料在缺陷等方面有更高的要求對(duì)硅材料的幾何精度特別是平整度要求越來越高減小硅片表面顆粒和缺陷密度是一個(gè)重要的技術(shù)問題硅片

11、表面顆粒或缺陷外生粒子：非本征缺陷，通過硅片清洗技術(shù)去掉晶生粒子：不能通過傳統(tǒng)的清洗工藝使之減少，只能通過改進(jìn)晶體的生長(zhǎng)制備工藝，即減小晶體本征缺陷的方法來改進(jìn)35襯底材料（2/2）SOI材料是一種非常有發(fā)展前途的材料IBM報(bào)道，在不改變?cè)O(shè)計(jì)和工藝水平的情況下，通過采用SOI材料，可以使采用同樣工藝的CMOS電路的速度提高25%，利用SOI材料制作的CPU芯片的速度由采用體硅工藝時(shí)的400MHz提高到500MHz.GaN基高溫電子器件，也是一種很有發(fā)展前景的半導(dǎo)體材料改進(jìn)晶體質(zhì)量及優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)與工藝，器件性能會(huì)大幅度提高36柵結(jié)構(gòu)材料柵結(jié)構(gòu)，包括柵絕緣介質(zhì)絕緣介質(zhì)層和柵電極電極兩部分柵絕緣介質(zhì)

12、層要求具有缺陷少、漏電流小、抗擊穿強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、與Si有良好的界面特性和界面態(tài)密度低等特點(diǎn)SiO2是性能優(yōu)良的柵絕緣介質(zhì)材料柵電極材料要求串聯(lián)電阻低和寄生效應(yīng)小。金屬鋁一直被用作柵電極材料，具有與Si非常良好的兼容性37存儲(chǔ)電容材料存儲(chǔ)電容是數(shù)字電路中的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）和模擬電路中的重要部件SiO2是傳統(tǒng)的電容介質(zhì)材料單位存儲(chǔ)容量、存取速度和非揮發(fā)性特征是人們考慮的重要因素最近發(fā)現(xiàn)的一些具有高介電常數(shù)的新型氧化物鐵電材料，為實(shí)現(xiàn)這種理想提供了可能高介電常數(shù)的DRAM非揮發(fā)性鐵電存儲(chǔ)器38局域互連材料在較早的集成電路工藝中，集成電路的局域互連材料通常采用多多晶硅晶硅作為柵和局域互連

13、材料必須具有可以實(shí)現(xiàn)自對(duì)準(zhǔn)、熱穩(wěn)定性好、與氧化硅的界面特性好、與MOS工藝兼容等特點(diǎn)金屬和難熔金素有很低的電阻率，但由于和現(xiàn)有工藝的兼容性較差，不易被推廣硅化物復(fù)合結(jié)構(gòu)是能夠滿足這些要求的比較理想的局域互連材料近年來，硅化物復(fù)合物材料成為應(yīng)用最廣的柵及局域互連材料39互連材料（1/2）互連材料包括金屬導(dǎo)電材料和相配套的絕緣介質(zhì)材料傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)電材料是鋁和鋁合金鋁和鋁合金，絕緣介質(zhì)材料是二氧化硅二氧化硅電路規(guī)模增加，互連線長(zhǎng)度和所占面積迅速增加，引起很多問題連線電阻增加，是電路的互連時(shí)間延遲等問題；嚴(yán)重影響電路的可靠性互連延遲和可靠性成為電路系統(tǒng)日益突出的問題，是今后集成電路發(fā)展的關(guān)鍵40互連材

14、料（2/2）減小互連延遲的途徑：優(yōu)化互連布線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、采用新的互連材料Cu可以改善電路系統(tǒng)的互連特性，提高可靠性，取代Al成為趨勢(shì)從減少互聯(lián)延遲和互聯(lián)可靠性角度，Cu互連的性能都超過Al技術(shù)難題：Cu的污染問題；Cu與SiO2的黏附性較差；Cu引線的布線問題問題的逐步解決，IBM和Motorola于1998年初分別獨(dú)立宣布了各自的六層銅互連工藝，當(dāng)年投入批量生產(chǎn)41鈍化層材料半導(dǎo)體表面對(duì)外界氣氛和雜質(zhì)玷污十分敏感。鈍化：通過在不影響已經(jīng)完成的集成電路性能前提下在芯片表面覆蓋一層絕緣介質(zhì)薄膜，以盡可能地減少外界環(huán)境對(duì)電路的影響，使電路封裝后可以長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的工作70年代，最成功的鈍化層材料是S

15、iO2使用SiOxNy(即氮氧化硅)作為鈍化材料的越來越多，幾乎同時(shí)具有氧化硅、氮化硅的優(yōu)點(diǎn)一種比較理想的深亞微米集成電路鈍化層材料42芯片的制造步驟襯底制備 外延 一次氧化 光刻硼擴(kuò)散窗口 硼擴(kuò)散和二次氧化 光刻光刻磷擴(kuò)散窗口 磷擴(kuò)散和三次氧化 光刻光刻發(fā)射極和基極接觸孔蒸發(fā)鋁 在鋁上光刻出電極圖形 4343關(guān)鍵加工工藝：光刻和刻蝕技術(shù)半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)的基礎(chǔ)光刻技術(shù)是在一片平整的硅片上構(gòu)建半導(dǎo)體MOS管和電路的基礎(chǔ)首先，在硅片上涂上一層耐腐蝕的光刻膠隨后，讓強(qiáng)光通過一塊刻有電路圖案的鏤空掩模板（MASK）照射在硅片上。被照射到的部分(如源區(qū)和漏區(qū))光刻膠會(huì)發(fā)生變質(zhì)，而構(gòu)筑柵區(qū)的地方不會(huì)被照射 到，所以光刻膠會(huì)仍舊粘連在上面接下來，用腐蝕性液體清洗硅片，變質(zhì)的光刻膠被除去，露出下面的硅片，而柵區(qū)在光刻膠的保護(hù)下不會(huì)受到影響。隨后就是 粒子沉積、掩膜、刻線等操作，直到最后形成