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(xiě)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(wàn)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(kāi)始，個(gè)人電腦(PC)的概念開(kāi)始在 全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來(lái)。從8088應(yīng)用到IBM PC機(jī)上開(kāi)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(kāi)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(wàn)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(wàn)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(wàn)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(yǔ)音、聲音、書(shū)寫(xiě)、以及相片影像晶體管約為310萬(wàn)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(huà)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(wàn)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(lè)、影片、語(yǔ)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(wàn)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(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送像電視品質(zhì)的視頻圖像，通過(guò)實(shí)時(shí)的語(yǔ)音進(jìn)行溝通、實(shí)時(shí)地提供3D圖像，晶體管約為4200萬(wàn)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(guò)程英特爾處理

6、器制作過(guò)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(wú)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(wàn)多個(gè)45納米晶體管，加起來(lái)約合150萬(wàn)納米。u一個(gè)小數(shù)點(diǎn)(直徑約為0.1毫米或10萬(wàn)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(kāi)關(guān)一次所需時(shí)間

7、，僅相當(dāng)于以光速(每秒30萬(wàn)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(lái)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(wèn)題 存儲(chǔ)器工作靠的是成千上萬(wàn)的電子充放電實(shí)現(xiàn)記憶的。當(dāng)芯片集成度越來(lái)越高，耗電量也會(huì)越來(lái)越大，如何解決散熱的問(wèn)題？2. 摻雜原子均勻性的問(wèn)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(wèn)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(wèn)題。4. 量子效應(yīng)的問(wèn)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(lái)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(lái)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(wèn)題硅片

11、表面顆?；蛉毕萃馍Ｗ樱悍潜菊魅毕?，通過(guò)硅片清洗技術(shù)去掉晶生粒子：不能通過(guò)傳統(tǒng)的清洗工藝使之減少，只能通過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)，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(wèn)題連線電阻增加，是電路的互連時(shí)間延遲等問(wèn)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(wèn)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(guò)Al技術(shù)難題：Cu的污染問(wèn)題；Cu與SiO2的黏附性較差；Cu引線的布線問(wèn)題問(wèn)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)，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