微电子材料与芯片

1、6.4 微电子材料与芯片6.4.1 微电子芯片发展概述 1微电子材料与芯片第1页6.4.1 微电子芯片发展概述 微电子技术： 以集成电路为关键电子技术。是在电子电路和系统超小型化和微型化过程中逐步形成和发展起来。 它每一创新都使社会化信息程度得到发展。2微电子材料与芯片第2页全球IC市场发展情况3数据起源：WSTS, Dataquest (.3)日本韩国中国台湾中国大陆26212633454951556077102144132137126149204139141177217246240265-$200-$150-$100-$50$0$50$100$150$200$250$30084858687

2、8889909192939495969798990001020304050607销售额（B US$）-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5增加销售额因特尔创始人：戈登.摩尔摩尔定律：每一代（3年）硅芯片上集成密度翻两番。加工工艺特征线宽每代以30%速度缩小。3微电子材料与芯片第3页过去和现在比较晶体管电容晶体管配线印刷版电容单 晶 硅电阻晶体管氧化层Al配线多晶硅扩散层电阻占用面积只有原来四亿分之一4微电子材料与芯片第4页5集成电路组成材料金属： Al，Cu，AuSiO2P型硅N型硅多晶硅最基本NMOS单元其它：有机材料、封装陶瓷、塑料等5微电子材料与芯片第5页封装体

3、主要类型（Dual Inline Package）（ Small Outline L-Leaded Package ）（ Quad Flat Package ）（ Ball Grid Array ）（ Quad Flat Non-Leaded Package ）CSP（ Chip Scale Package ）FC-BGA（ Flip Chip BGA ） BGA型引线框架型 BGA 66微电子材料与芯片第6页外腿封装树脂金属引线芯片金属衬底内腿金 线芯 片塑封树脂引线框架导电性粘接剂引线框架型封装材料77微电子材料与芯片第7页BGA型封装材料塑封树脂BGA基板焊 球芯 片金丝与引线框架型封装

4、不一样地方88微电子材料与芯片第8页焊料及焊球ChipDIEChipPCBPCBSnPb Plated LeadBT (Bismaleimide Triazine) SubstrateAu WireSolder JointSolder BallSolder Paste 焊料作为电子封装技术中最基本互连材料，在实现封装和确保可靠性方面负担着极为主要角色焊 料99微电子材料与芯片第9页铅危害SO2，NO2，Cl2酸性雨铅污染地下水鉛含有飲料水含铅电子垃圾土壌汚染Pb+1/2O2PbOPbO+H2SO4PbSO4+H2OPbO+HNO3Pb(NO3)+H2OPbO+2HClPbCl2+H2O1010

5、微电子材料与芯片第10页Sn-Ag系（Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等） 熔点高（217-221）成本高（Sn-Pb二倍）能耗大当前主要无铅焊料Sn-Zn系（Sn-Zn、Sn-Zn-Bi等）熔点低（198-199）成本低（与Sn-Pb相当）资源丰富 1111微电子材料与芯片第11页集成电路：Integrated Circuit，缩写IC经过一系列特定加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定电路互连，“集成”在一块半导体单晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功效.12微电子材料与芯片第12页集成电路 集成电路：制作在单块半导体材料上并经过连接形成

6、完整电路各种元器件集合。大部分固态器件功效取决于组成器件结构一个或者多个PN结性质。集成电路中电子部件经典硅结构13微电子材料与芯片第13页集成电路发展1958年Texas Instruments Jack Kilby 设计与制作了第一块集成电路。20世纪60年代，双极型晶体管占据集成电路市场主要份额1975年，数字MOS器件成为集成电路主流器件特征尺寸、集成度、硅片面积增加3G3T14微电子材料与芯片第14页第四代（197190年代）集成电路几百万几亿（次/秒）D-2 . 大规模超大规模集成电路 第三代（19651970）集成电路百万几百万（次/秒）D-1. 中小规模集成电路15微电子材料与

7、芯片第15页生产集成电路原料材料都不贵，不过，制造集成电路过程却很复杂，对所用设备要求也很高，所以建立集成电路产业投资是很大。衡量集成电路水平指标之一是集成度：100个晶体管以下集成电路称为小规模集成电路1001000个晶体管集成电路称为中规模集成电路1000个晶体管以上集成电路称大规模集成电路10万个晶体管以上集成电路称超大规模集成电路 16微电子材料与芯片第16页二十一世纪硅微电子技术三个主要发展方向特征尺寸继续等比例缩小集成电路(IC)将发展成为系统芯片(SOC)微电子技术与其它领域相结合将产生新产业和新学科，例如MEMS（微机电系统）、DNA芯片等微电子技术三个发展方向17微电子材料与

8、芯片第17页第一个关键技术层次：微细加工当前0.25m和0.18 m已开始进入大生产0.15 m和0.13 m大生产技术也已经完成开发，具备大生产条件当然仍有许多开发与研究工作要做，比如IP模块开发，为EDA服务器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺产品开发等在0.13-0.07um阶段，最关键加工工艺光刻技术还是一个大问题，还未处理微电子器件特征尺寸继续缩小18微电子材料与芯片第18页第二个关键技术：互连技术铜互连已在0.25/0.18um技术代中使用；不过在0.13um以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时可靠性问题还有待研究开发19微电子材料与芯片第19页 第三个关键技术新型器件结构新

9、型材料体系高K介质金属栅电极低K介质SOI材料20微电子材料与芯片第20页隧穿效应SiO2性质栅介质层Tox1纳米量子隧穿模型高K介质?杂质涨落器件沟道区中杂质数仅为百量级统计规律新型栅结构?电子输运渡越时间碰撞时间介观物理输运理论?沟道长度 L 1nm + t栅介质层 Tox t多晶硅耗尽 t栅介质层 t量子效应+ 由多晶硅耗尽效应引发等效厚度 : t多晶硅耗尽 0.5nm 由量子效应引发等效厚度: t量子效应 0.5nm 限制：等效栅介质层总厚度无法小于1nm94微电子材料与芯片第94页伴随器件缩小至亚50纳米寻求介电常数大高K材料来替换SiO2SiO2无法适应亚50纳米器件要求SiO2（

10、3.9）SiO2/Si 界面硅基集成电路发展基石得以使微电子产业高速和连续发展95微电子材料与芯片第95页介电常数k比Si3N4(k7)大材料称为高介电常数材料。大k值介电材料正用于制造非易失铁电随机存取存放器(FeRAM),如钛锆铅(PZT)或钽锶铋(SBT)。 k值比SiO2（k7)大材料称为高介电常数材料。伴随特征尺寸降低，需要用适当高介电常数材料替换传统电容介质材料二氧化硅以降低介质层厚度增加电容。大k值介电材料能够用于制造非易失铁电随机存取存放器(FeRAM),如钛锆铅(PZT)或钽锶铋(SBT)。2） k值比SiO2（k3.9）小材料称为低介电常数材料。用铜线替换传统铝线成为集成电

11、路互连线工艺发展必定方向。铜互连线工艺要求使用低介电常数材料替换传统绝缘材料二氧化硅，使得连线之间难于传递电压；2，高/低介电常数K介质材料定义和使用范围有哪些？100微电子材料与芯片第100页存放电容材料存放电容材料是数字电路中动态随机存放器（DRAM）和模拟电路中主要部件。传统材料是：SiO2类型高介电常数DRAM非挥发性铁电存放器（NVFRAM）1. 高介电常数DRAM利用高介电常数材料作为电容绝缘介质层最大优点是在保持电容值和面积尺寸不变前提下，介质层厚度能够增大许多倍。影响高介电常数铁电材料在DRAM中应用主要原因：较大漏电流、较高体和界面缺点、较低介电击穿强度和与硅工艺兼容性等问题

12、。101微电子材料与芯片第101页2. 非挥发性铁电存放器（NVFRAM）NVFRAM是一个新型非挥发性存放器。它是利用铁电材料含有自发极化以及自发极化在电场作用下反转特征存放信息。它这种特征普通用电极化强度随电压改变电滞回线特征描述。作为NVFRAM电容介质铁电材料应该具备剩下极化强度PR高、饱和极化电压低、极化反转响应时间快和抗疲劳特征好。102微电子材料与芯片第102页局域互连材料局域互连材料要求:必须含有能够实现自对准、热稳定性好、与氧化硅界面特征好、与MOS 工艺兼容等特点。硅化物复合结构是能够满足以上要求比较理想局域互连材料。优点：难熔金属硅化物材料能够使局域互连线电阻降为原来1/

13、10；一些硅化物同铝接触电阻率比硅同铝接触电阻约低一个数量级。缺点：硅化物在形成过程中将产生较大应力（约109Pa），轻易在薄栅SiO2中及其硅衬底表面引入缺点，影响器件电学性能和稳定性。多晶硅难熔金属硅化物复合结构多晶硅/硅化物复合结构示意图103微电子材料与芯片第103页互连材料互连材料主要包含：金属导电材料及相配套绝缘介质，传统材料是铝和铝合金、二氧化硅 。存在主要问题：互连延迟。处理路径： 1. 优化互连布线系统设计； 2. 采取新互连材料当前惯用材料：Cu，低介电常数绝缘材料（聚酰亚胺、氟化氧化物、聚对苯二甲基、干凝胶等）104微电子材料与芯片第104页钝化层材料钝化：就是经过在不影

14、响已经完成集成电路性能前提下，在芯片表面覆盖一层绝缘介质薄膜，以尽可能降低外界环境对电路影响，使电路封装后能够长久稳定、可靠地工作 。惯用钝化材料： SiO2、磷硅玻璃（PSG）、Si3N4、 复合结构、SiOxNy 两种钝化层材料复合使用是比较惯用。105微电子材料与芯片第105页集成电路是当代信息产业和信息社会基础集成电路是改造和提升传统产业关键技术 世界半导体产值达2000亿美元 电子信息产品市场总额超出1万亿美元据预测：未来十年内世界半导体年平均增加率将达15%以上，年全世界半导体年销售额可到达60008000亿美元，将支持45万亿美元电子装备市场。集成电路关键加工工艺对材料要求106

15、微电子材料与芯片第106页集成电路关键加工工艺对材料要求硅衬底晶圆芯片硅平面工艺剔除、分类集成电路封装成品成品测试集成电路制造：400多道工序107微电子材料与芯片第107页 1. 集成电路芯片制作 晶圆厚度：不足1mm直径：6、8、12英寸晶棒单晶硅锭晶圆生产过程: 晶棒制造，晶片制造 108微电子材料与芯片第108页晶圆处理： 在晶圆上制作电路及电子元件，晶圆上就形成了一个个小格，即晶粒。晶圆针测： 对每个晶粒检测其电气特征，并将不合格晶粒标上记号后，将晶圆切开，分割成一颗颗单独晶粒。芯片制造过程：晶圆处理、晶圆针测、封装、成品测试等。处理后晶圆（排满成百上千个集成电路） 1. 集成电路芯

16、片制作 109微电子材料与芯片第109页 1. 集成电路芯片制作 封装后集成电路封装将单个晶粒固定在塑胶或陶瓷制芯片基座上，并把晶粒上蚀刻出一些引线与基座底部伸出插脚进行连接，以作为与外界电路板连接之用，最终盖上塑胶盖板，用胶水封死，封焊。110微电子材料与芯片第110页常见封装形式有单列直插式（SIP）、两边带插脚双列直插式（DIP）和四边带插脚阵列式（PGA）、扁平贴片式(QFP)、PLCC式、交织网格式等。如同在电脑里看到那些黑色或褐色边上带有插脚或引线矩形小块。 111微电子材料与芯片第111页成品测试 普通测试：将芯片置于各种环境下测试其电气特征，如消耗功率、运行速度、耐压度等。经测

17、试后芯片，依其电气特征划分为不一样等级。 特殊测试：依据客户特殊需求技术参数，从相近参数规格、品种中拿出部分芯片，做有针对性专门测试，看是否能满足客户特殊需求，以决定是否须为客户设计专用芯片。经普通测试合格产品贴上规格、型号及出厂日期等标识标签并加以包装后即可出厂。而未经过测试芯片则视其到达参数情况定作降级品或废品。 集成电路成品112微电子材料与芯片第112页集成电路发展趋势问题与出路线宽深入缩小、线路间距离越来越窄以后，干扰将越益严重。 为了降低这种干扰，能够采取减小电流，降低电压方法来处理。 不过，当晶体管基本线条小到纳米级，线路电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，晶体管已迫近其物理

18、极限，它将无法正常工作。在纳米尺寸下，纳米结构会表现出一些新量子现象和效应，能够利用这些量子效应研制含有新功效量子器件，从而把芯片研制推向量子世界新阶段纳米芯片技术。同时，人们还在研究将自然界传输速度最快光作为信息载体，发展光子学，研制集成光路，或把电子与光子并用，实现光电子集成。113微电子材料与芯片第113页光子计算机光能够像电一样来传递信息，甚至效果更加好。而且，更主要一个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰作用。因为当电子计算机芯片越来越趋向于0.18m时，就会产生很多问题,而光子计算机就能够防止。集成电路发展趋势114微电子材料与芯片第114页量子计算机是利用量子力学来设计，它们特点是其潜在运算速度将更大于电子计算机。从理论上说，它们速度提升能够说是没有止境，因为量子计算技术能够在同一时间内执行各种操作，同时有足够能力来完成现在电子计算机还极难完成任务，比如说完成密码破译和语音识别等等。所以，欧洲已经成立了量子计算机研究所，现在预计，量子计算机可能会在今后十五年左右出现。图为一个可瞬间进行图像数据计算光电计算机集成电路发展趋势115微电子材料与芯片第115页分子计算机 现在已经开发出来一个能够由氮气和二氯化碳来开动和闭关分子计算机，这种超高速微型计算机离现实已经很近了。这种技术将会造成只需