現(xiàn)代微電子技術(shù)及其發(fā)展綜述

1、第13卷第4期2003年12月天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報JOURNAL OF TIAN JIN UNIVER SIT Y OF TECHN OLOG Y AN D ED UCATION Vol. 13No. 4Dec. 2003現(xiàn)代微電子技術(shù)及其發(fā)展綜述李興, 劉盾, 張建民(天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院電子工程系, 天津300222摘要:介紹了當(dāng)前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及幾種主要生產(chǎn)工藝, 如化學(xué)機械拋光、離子注入、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、刻蝕等, 并對今后使UL SI 特征尺寸從0.13m 進一步減小的研究方向以及材料的選擇等方面進行了探討。關(guān)鍵詞:微電子技術(shù); 化學(xué)機械拋光; 快速熱處

2、理; 低電阻率中圖分類號:TN47文獻標(biāo)識碼:A文章編號:100825718(2003 0420035203Probe into morden microelectronic technology and its developmentL I Xing , L IU Dun , ZHA N G Jian 2min(Tianjin University of Technology and Education , Tianjin 300222, China Abstract :ULSI technology status and major production processes , such

3、as chemical mechanical polishing , ion implanta 2tion , physical vapor deposition , chemical vapor deposition , etch and etc. , are introduced in this paper. As the device fea 2ture size further shrinking continuously from 0. 13m , the research trends , materials selection and the preparation of re

4、2lated engineers and scientists are also discussed.K eyw ords :microelectronictechnology ;chemical mechanical polishing ; rapid temperature process ; low resistivity1引言從1959年第一塊集成電路問世以來, 在半導(dǎo)體襯底上生產(chǎn)的器件密度越來越高, 集成電路在半導(dǎo)體工業(yè)中所占的比例也越來越大。由于硅的物理性質(zhì)在生產(chǎn)集成電路方面得天獨厚, 又是自然界中蘊藏最豐富的元素之一(約占地殼重量的26%, 僅次于氧 , 現(xiàn)在生產(chǎn)的集成電路絕大部

5、分采用硅材料。硅工藝生產(chǎn)技術(shù)(簡稱硅技術(shù) 在超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位。在可預(yù)見的未來, 迅速發(fā)展的硅技術(shù)仍將占主導(dǎo)地位。目前生產(chǎn)超大規(guī)模集成電路所使用的硅圓晶片直徑一般為20cm , 集成電路設(shè)計與制作的最小的線寬為0. 13m 。平均而言, 一個直徑為20cm 的晶片, 可以生產(chǎn)出約100個芯片面積在3cm 2左右的集成電路。制作以后檢測, 然后一一切割開, 經(jīng)過封裝, 就可得到常見的集成電路。經(jīng)過長時間的探索與準(zhǔn)備, 我國超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)已經(jīng)開始啟動, 在擁有十多億人口的巨大的市場中, 對計算機、互聯(lián)網(wǎng)、通信、消費類電子產(chǎn)品不斷增長的需求必將把集成電路生產(chǎn)推向高速發(fā)展的軌道。

6、此外集成電路在國防、運輸、多媒體等領(lǐng)域也占有十分重要的地位。超大規(guī)模集成電路技術(shù)是一個高科技的領(lǐng)域, 在一定程度上代表了一個國家的科技、工業(yè)和教育的水平, 反映了一個國家的發(fā)達程度。世界上各主要工業(yè)國家無一不是高度重視這個高科技領(lǐng)域, 希望能在這個號稱“綜合國力指標(biāo)”的領(lǐng)域中占有相當(dāng)?shù)牡匚弧＝陙? 我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展, 綜合國力迅速收稿日期:2002-10-15.基金項目:教育部科學(xué)技術(shù)研究重點項目(02012作者簡介:李興(1942, 教授, 研究方向為通信, 微電子學(xué).增強, 在UL SI 領(lǐng)域已有華晶、華宏N EC 、貝嶺、先進半導(dǎo)體公司、首鋼N EC 等幾個生產(chǎn)單位。最近國內(nèi)有十幾

7、家企業(yè)已經(jīng)開始或正在準(zhǔn)備投資興建IC 生產(chǎn)線1, 包括在上海、北京等地興建8英寸(約20cm 集成電路生產(chǎn)線的中心。這幾年, 中國電子工業(yè)的增長速度大約是國民經(jīng)濟增長速度的3倍。IC 工業(yè)的波動較大, 有時年增長速度可達30%, 估計2002年增長速度可達15%。2001年國產(chǎn)IC 的數(shù)量為49億塊, 總銷售額約為200億元。到2010年, 國產(chǎn)IC 市場的總額大約能達到2000億元(是2001年國內(nèi)市場總額的10倍 , 約占國內(nèi)市場總額的50%, 世界市場總額的5%2。這一切都說明, 把我國半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展成為微電子界一顆光彩奪目的東方之星的條件已經(jīng)日趨形成。2幾種主要的半導(dǎo)體生產(chǎn)技術(shù)2. 1

8、離子注入及快速熱處理為了能夠有效且精確地控制雜質(zhì)在硅晶片中的含量及分布, 現(xiàn)在摻雜幾乎都是以離子注入法進行的。通過控制離子流的大小I , 注入時間t , 可精確控制注入離子的個數(shù)n 。n =It/e式中, e 為電子電量, 其值為1. 6021810-19C 。通過控制加速電壓3,4(可達MeV 以上 , 可控制雜質(zhì)離子的注入深度。在離子注入過程中, 高能粒子轟擊硅晶片表面會造成硅晶片表面損傷。從另一方面說, 雜質(zhì)原子必須進入硅晶體晶格中, 才能生成有效的器件。而被注入的離子很難精確到直接進入硅晶格點陣中。為了把雜質(zhì)原子“推入”硅晶格點, 恢復(fù)被損傷的晶格表面, 一般在離子注入以后, 還要進行

9、快速熱處理, 即以每s 升溫100以上的速度將注入雜質(zhì)后的硅晶片升溫, 升到1000左右后, 保持?jǐn)?shù)s , 然后快速降溫, 使硅晶片表面的晶格恢復(fù)并激活雜質(zhì)原子。這樣就形成了MOS 晶體管層。2. 2導(dǎo)電層的形成PVD用離子注入、快速熱處理等方法在硅圓晶片上制作成源、柵、漏等區(qū)域, 也就是制成數(shù)目眾多的MOS 晶體管以后, 再用金屬線把這些MOS 管按所需的方式連接起來, 就制成了集成電路(IC 芯片。因為需要連接眾多MOS 管(如對奔騰,MOS 管可多于一千萬個 , 所以需要多層金屬線。這些連接線叫互聯(lián)線。金屬線之間用化學(xué)氣相沉積(CVD 方法, 一層層地填入絕緣層。金屬線是用PVD 方法沉

10、積到制作好MOS 管的硅圓晶片上的金薄膜, 經(jīng)刻蝕生成。物理氣象沉積(簡稱PVD 5, 是以物理方法來進行薄膜沉積的一種技術(shù)。現(xiàn)在PVD 一般采用濺鍍(sputtering deposition 法。也就是利用等離子體中的離子(如氬原子 , 對被濺鍍物體的電極(也就是離子的靶 進行轟擊(bombardment , 使氣相等離子體內(nèi)具有被濺鍍物的粒子(如鋁原子 , 這些粒子沉積到硅圓晶片上, 形成了(金屬 薄膜。2. 3金屬連線的形成刻蝕刻蝕的主要作用是把經(jīng)過曝光、顯影后光刻膠微圖形中下層的裸露部分去掉, 即在下層材料上重現(xiàn)與光刻膠相同的圖形6?？涛g是把進行光刻前所沉積的薄膜(如1m 左右厚的鋁

11、膜 用化學(xué)或物理方法加以去除。如光刻膠上的圖形, 就是所需導(dǎo)線的圖形。在刻蝕后留下的就是所需要的金屬線。兩層金屬線之間所需要的連接部分, 需要在該兩層連線間的絕緣層(一般用CVD 法生成 用刻蝕方法開孔, 再填入導(dǎo)電材料。對特征尺寸為0. 13m 的IC 來說, 所需要的金屬層可達8層。2. 4化學(xué)機械拋光(CMP 化學(xué)機械拋光是一種去除工藝7, 它同時采用化學(xué)反應(yīng)及機械研磨兩種手段來去除部分沉積在硅圓片上的薄膜, 以使沉積膜的表面更加平坦和光滑。CMP 也用來去除硅圓片上淺溝道絕緣體(STI 表面上的絕緣薄膜, 以及硅圓片表面上的金屬膜, 以便在絕緣層中形成金屬互聯(lián)查塞和金屬互聯(lián)線?；瘜W(xué)機械

12、拋光技術(shù)在上世紀(jì)末已趨于成熟。在IC 的特征尺寸小于0. 25m 時, 其生產(chǎn)幾乎離不開CMP 技術(shù)。CMP 現(xiàn)在已經(jīng)成為IC 生產(chǎn)最基本的工藝手段之一。采用金屬銅及低介電系數(shù)k 的電介質(zhì)制作的金屬互聯(lián)線是對CMP 工藝的新挑戰(zhàn)。因為低介電系數(shù)k 電介質(zhì)仍處于研究開發(fā)階段, 它增加了對集成CMP 工藝開發(fā)的難度。銅金屬化的應(yīng)用需要對金屬銅及阻擋層和對低介電系數(shù)k 電介質(zhì)具有選擇性的工藝作進一步研究。在DRAM (動態(tài)隨機存取存儲器 的生產(chǎn)過程中, 多晶硅和高k 電介質(zhì)用來制作存儲電容器。為了縮小電容器的尺寸, 高k 電介質(zhì)如Ba 1/2Sr 1/2TiO 3(k 可達600 已被采用。為了把柵

13、極尺寸縮小到0. 1m , 高k 電介質(zhì)如TiO 2和Ta 2O 3將被用來代替SiO 2制成比較厚的柵極絕緣層以防止漏電或擊穿。與高k 電介質(zhì)有關(guān)的工藝也需要進一步開發(fā)。2. 5化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積(簡稱CVD 是利用化學(xué)反應(yīng)的方式在反應(yīng)室內(nèi)將反應(yīng)物(通常為氣體 生成為固態(tài)的生成物, 并沉積在晶片表面的一種薄膜沉積技術(shù)。因為這種薄膜沉積方式涉及化學(xué)反應(yīng), 故稱為CVD 。目前IC 生產(chǎn)中, 大多數(shù)絕緣薄層(約1m 厚 都是利用CVD 法制作的。主要絕緣層的材料有SiO 2、Si 3O 4、PSG 、BPSG 等。用以制作單晶硅膜的CVD 通常以另一種名稱外延來稱呼它?，F(xiàn)在CVD 沉積絕緣

14、層的方式有常壓CVD (APCVD 、準(zhǔn)常壓CVD (PECVD 、低壓CVD (L PCVD 及等離子體增強方式CVD (PECVD 等幾種。今后CVD 技術(shù)的發(fā)展主要在尋找新材料和開發(fā)新的沉積技術(shù)等方面進行。在新的材料方面, 以CVD 法沉積金屬銅的探索已延續(xù)了很久。TiNCVD 則已接近實用階段。在絕緣層材料方面,主要候選者有Ta 2O 5及Ba TiO 3。在新技術(shù)方面, E 2CRCVD (electron cyclotron resonesCVD 的發(fā)展已成為下一步CVD 開發(fā)的重點,MOCVD (metal organic CVD 在金屬材料沉積上的應(yīng)用也越來越頻繁。2. 6低電

15、阻率導(dǎo)電材料及高介電系數(shù)絕緣材料在新世紀(jì)的第一個十年中, IC 工業(yè)將對傳統(tǒng)的20世紀(jì)傳統(tǒng)工藝進行根本性的改進8。由于銅的電阻率很低, 它將代替鋁和鎢成為制作金屬互聯(lián)線的主要材料。銅的抗電遷移性能好, 可允許較大的電流密度, 可降低生產(chǎn)成本。IC 特征尺寸的進一步縮小, 就需要尋找高介電常數(shù)的絕緣介質(zhì)。高介電常數(shù)的介質(zhì), 如TiO 2(k 可達60 , Ta 2O 5(k 可達25 將代替現(xiàn)在用的硅(k 值約為3. 9 。3微電子工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r在過去50多年中, 成千上萬的科學(xué)家、工程師及技術(shù)人員創(chuàng)造性的、勤奮刻苦的工作使微電子技術(shù)不斷高速發(fā)展。現(xiàn)在微電子技術(shù), 即IC 技術(shù)是計算機硬件工業(yè)的

16、脊柱, 而計算機硬件又是軟件和英特網(wǎng)的基礎(chǔ)。信息時代的每一件產(chǎn)品都離不開IC技術(shù)。IC 技術(shù)使各種產(chǎn)品的功能更完美, 安全性更好?，F(xiàn)在IC 技術(shù)已日臻完善、成熟, 特征尺寸為0. 13m 的微處理器, 已進入Intel 等先進IC 生產(chǎn)廠的生產(chǎn)線, 許多IC 生產(chǎn)公司研制的特征尺寸為0. 1m 及0. 07m 的微處理器也在逐步完善。盡管在IC 領(lǐng)域還有很多挑戰(zhàn)性的課題有待研究, 但已不可避免地從高科技工業(yè)領(lǐng)域向傳統(tǒng)領(lǐng)域轉(zhuǎn)變。高科技領(lǐng)域意味著高投入、高風(fēng)險、高回報, 而傳統(tǒng)領(lǐng)域意味著完善穩(wěn)定的經(jīng)營和穩(wěn)定的回報。4高校開設(shè)微電子技術(shù)課程的方法現(xiàn)代微電子技術(shù)是以電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、機械加工等一系

17、列領(lǐng)域中的高科技成果為基礎(chǔ)的, 反過來它又促進了這些科技領(lǐng)域的發(fā)展。目前微電子工業(yè)實驗、生產(chǎn)設(shè)備的價格居高不下, 如建一條200mm 硅圓晶片的生產(chǎn)線, 月產(chǎn)2萬片硅圓晶片, 需要投資約為10億美元。在高校中建設(shè)微電子實驗室的費用也很高。IBM 公司贈給清華大學(xué)微電子實驗室一條舊IC 實驗線, 為了使這條實驗線運轉(zhuǎn)起來, 每年僅電費一項就需要數(shù)百萬人民幣。沒有實驗室是否可以開設(shè)微電子技術(shù)課程? 回答是肯定的。(1 可以用電子課件及影像材料向?qū)W生介紹微電子技術(shù)及相關(guān)設(shè)備, 使學(xué)生上理論課時盡可能多地理解相關(guān)技術(shù)內(nèi)容。(2 用CB T (com 2puter based teaching 軟件做輔

18、助教學(xué), 使學(xué)生按照自己閱讀、理解的速度使用這種軟件。軟件中有相關(guān)的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖、工作原理說明、技術(shù)原理解釋、思考題, 讓讀者回答, 以檢查讀者的理解程度。(3 用模擬軟件代替實驗裝置。為了節(jié)省開支, 航空、航天在訓(xùn)練駕駛員時, 早就使用了模擬裝置, 這些裝置很復(fù)雜, 因為它是互動的, 要使受培訓(xùn)者有方位感。而利用模擬方式進行微電子學(xué)的實驗, 學(xué)生只要操縱控制裝置, 讓“工藝設(shè)備”按指令運行即可, 故模擬裝置相對簡單很多, 用現(xiàn)在的PC 機就可以。編寫模擬軟件是一種耗時很多的工作, 需要投入相當(dāng)多的時間和精力。高校之間可以分工協(xié)作, 每所院校負責(zé)一部分, 合作完成一套以供各院校在教學(xué)中使用。(下

19、轉(zhuǎn)第46頁4. 4加強師資隊伍建設(shè), 完善辦學(xué)條件教師是實施教育的主體, 提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。因此, 根據(jù)荊門市農(nóng)村職業(yè)學(xué)校中的師資狀況, 迫切要求師資隊伍在年齡、專業(yè)、職稱上具有一定的可持續(xù)性, 這樣, 才能保證教育資源的可持續(xù)發(fā)展。具體應(yīng)采取以下四種措施:一是大膽引進有實踐經(jīng)驗的年輕教師, 改變師資結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)狀。二是建立教師培訓(xùn)、進修機制, 提高教師知識層次和學(xué)歷水平。三是實施聘任制, 從政府部門、企事業(yè)單位、高校聘請專家、教授來講學(xué), 建立一支由政府官員、專家學(xué)者、專業(yè)教師及基層農(nóng)技人員組成的職業(yè)教育師資隊伍。四是加大“雙師型”教師的培養(yǎng)力度, 造就一支適應(yīng)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展建設(shè)的包括農(nóng)藝

20、師、畜牧師、經(jīng)濟師在內(nèi)的職業(yè)教育師資隊伍。從而逐步完善師資隊伍, 不斷促進荊門市經(jīng)濟的快速發(fā)展。與此同時, 還要加大教學(xué)設(shè)施、設(shè)備以及實習(xí)基地建設(shè), 從而保證人才培養(yǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。4. 5加強政府對農(nóng)村職業(yè)教育的宏觀調(diào)控各級政府在加大對職教經(jīng)費投入的同時, 必須強化統(tǒng)籌的力度, 在農(nóng)村把職業(yè)技術(shù)教育與培訓(xùn)學(xué)校、農(nóng)民文化技術(shù)學(xué)校、各種科技文化站等機構(gòu)統(tǒng)籌結(jié)合起來, 建成職業(yè)技術(shù)聯(lián)校, 使分散、有限的教育資源、技術(shù)資源、師資、基地等重新優(yōu)化配置, 發(fā)揮更大的綜合效益, 克服小而全、低水平的重復(fù)投資和各自為政、相互脫節(jié)的矛盾, 消除校舍、師資、實驗實習(xí)基地等方面閑置浪費同需要的矛盾6。根據(jù)國際職業(yè)教育

21、發(fā)展的趨勢, 職業(yè)教育應(yīng)當(dāng)是終身教育體系的重要組成部分, 政府應(yīng)當(dāng)把基礎(chǔ)教育、職業(yè)教育、成人教育三教統(tǒng)籌, 建立三教相互溝通、承認(rèn)、轉(zhuǎn)換機制, 拓寬職業(yè)教育生存空間。要把職業(yè)教育當(dāng)作普及九年義務(wù)教育的一個延續(xù), 終身教育的一個重要部分。此外, 政府應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)變職能, 變過去的計劃式管理為服務(wù)式管理, 從供給管理為主轉(zhuǎn)變到需求管理為主, 按需辦學(xué), 按需施教。同時凈化職教市場競爭秩序, 引導(dǎo)農(nóng)村職業(yè)教育良性發(fā)展。參考文獻:1邢大偉, 沈廣元. 農(nóng)村職教在農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展中的作用J.職業(yè)技術(shù)教育,2002, (4 :6163.2陶華琴. 試論中等職教的可持續(xù)發(fā)展J.職教論壇,2000, (2 :3336.3曾金焱. “入世”后農(nóng)村職業(yè)教育的改革對策J.甘肅農(nóng)業(yè),2002, (10 :5557.4鄧正榮. 提高農(nóng)民素質(zhì)促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展J.云南農(nóng)業(yè),2002,(7 :26.5趙文波, 曾超. 我國農(nóng)業(yè)人口問題的教育思考J.高等農(nóng)業(yè)教育,2001, (4 :68.6汪繼清. 談農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化與農(nóng)村職教改革J.教育與職業(yè),1999,(11 :2627.(上接37頁一些