微電子芯片技術(shù)課件

微電子芯片

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。23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：RobertNoyce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)“IntegratedElectronics”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6FedericoFaggin8008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880286微處理器1982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1080486微處理器1989年4月10日，也稱為486Intel80486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II微處理器1997年5月7日，PentiumII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，PentiumIII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，Pentium4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微米工藝16奔騰D處理器

2005年5月26日，PentiumD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)17IntelCore2Duo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)Core2Quad;Core2Extreme188080(1974)8086(1978)80286(1982)80386(1985)80486(1989)Pentium(1993)PentiumII(1997)PentiumIII(1999)PentiumIV(2000)PentiumD(2005)酷睿?2雙核(2006)

酷睿2四核(2007)

視頻

從沙子到芯片，Intel英特爾處理器制作過程

21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10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存儲(chǔ)器容量每三年，翻兩番1965，GordonMoore預(yù)測(cè)

半導(dǎo)體芯片上的晶體管數(shù)目每兩年翻兩番納米處理器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2001130nm200490nm200765nm201045nm201332nm201622nm202210nm3.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，SiO2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)硅材料在今后相當(dāng)長時(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)層和柵電極兩部分柵絕緣介質(zhì)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晶硅作為柵和局域互連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，絕緣介質(zhì)材料是二氧化硅電路規(guī)模增加，互連線長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期穩(wěn)定可靠的工作70年代，最成功的鈍化層材料是SiO2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)散和二次氧化光刻磷擴(kuò)散窗口磷擴(kuò)散和三次氧化光刻發(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，直到最后形成成品晶片44關(guān)鍵加工工藝：拋光技術(shù)利用化學(xué)拋光、機(jī)