微电子芯片技术课件

微电子芯片

材料与技术1概述1947年发明晶体管，1958年发明集成电路微电子产业已经成为国民 经济中的重要支柱产业微电子产业是技术导向 性产业21世纪的微电子技术从 3G发展到了3T。23英特尔处理器历程英特尔：一个能改变世界的企业微处理器（CPU）：一个改变人类的核心1968年7月：RobertNoyce和Gordon Moore从仙童(Fairchild)半导体公司 辞职,创立了一个新的企业“IntegratedElectronics”的缩写54004微处理器1971年11月15日，4位处理器集成了2250个晶体管晶体管距离为10微米售价200多美元6FedericoFaggin8008微处理器1972年4月1日，8位处理器晶体管约为3500个晶体管距离为10微米78080微处理器1974年4月1日晶体管约为4500个晶体管距离为6微米880286微处理器1982年2月2日，也称为286首个具有完全兼容性的处理器晶体管约为13.4万个晶体管距离为1.5微米1080486微处理器1989年4月10日，也称为486Intel80486处理器让电脑从命令列转型至点选式的图形化操作环境晶体管约为120万个1微米的制造工艺12奔腾II微处理器1997年5月7日，PentiumII能以极高的效率处理影片、 音效、以及绘图资料，晶体管约为750万个晶体管距离为0.35/0.25微米14奔腾III微处理器1999年2月26日，PentiumIII大幅提升先进影像、3D、 串流音乐、影片、语音辨识等应用的性能，能大幅提升网际网络的使用经验晶体管约为950万个0.25/0.18微米工艺15奔腾4微处理器2000年，Pentium4创造出专业品质的电影，通过互联网传送像电视品质的视频图像，通过实时的语音进行沟通、实时地提供3D图像，晶体管约为4200万个0.18微米工艺16奔腾D处理器

2005年5月26日，PentiumD双内核处理器，64位90纳米技术晶体管约为2.3亿个17IntelCore2Duo处理器

2006年7月18日晶体管约为17.2亿个90纳米技术Core2Quad;Core2Extreme188080(1974)8086(1978)80286(1982)80386(1985)80486(1989)Pentium(1993)PentiumII(1997)PentiumIII(1999)PentiumIV(2000)PentiumD(2005)酷睿™2双核(2006)

酷睿2四核(2007)

视频

从沙子到芯片，Intel英特尔处理器制作过程

21摩尔定律1965年英特尔公司主要创始人摩尔提出了“随着芯片上电路的复杂度提高，元件数目必将增加，每个元件的成本将每年下降一半”，这个被称为“摩尔定律”的预言成为了以后几十年指导集成电路技术发展的最终法则。在20世纪60年代初，一个晶体管要10美元左右，但随着晶体管越来越小，到一根头发丝上可以放1000个晶体管时，每个晶体管的价格只有千分之一美分。Moore定律10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K19701980199020002010存储器容量每三年，翻两番1965，GordonMoore预测

半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番纳米处理器26摩尔定律的适用性晶体管的数目，微处理器的性能，价格等方面都和摩尔定律符合得很好。摩尔定律并非数学、物理定律，而是对发展趋势的一种分析预测。摩尔定律实际上是关于人类信念的定律，当人们相信某件事情一定能做到时，就会努力去实现它。多种版本的“摩尔定律”：摩尔第二定律（成本），新摩尔定律（上网用户）特征尺寸技术上一般将晶体管的半节距作为集成电路每个技术节点的检验标志，称为加工特征尺寸。晶体管尺寸缩小是集成电路集成度增加、性能提高的主要方法，但是晶体管的尺寸缩小必将有一个极限。年代特征尺寸2001130nm200490nm200765nm201045nm201332nm201622nm202210nm3.SiO2层量子遂穿漏电的问题

CMOS器件的栅极和沟道中间有一层绝缘介质SiO2，随着器件尺寸的减小，SiO2的厚度也在减小，当减小到几个纳米的时候，即使你加一个很小的电压，它就有可能被击穿或漏电，这个时候沟道电流就难以控制了。量子隧穿漏电是硅微电子技术所遇到的另一个问题。4.量子效应的问题如果硅的尺寸达到几个纳米时，那么量子效应就不能忽略了，现有的集成电路的工作原理就可能不适用了。31313233半导体器件结构示意图衬底材料（1/2）半导体衬底材料是发展微电子产业的基础硅材料在今后相当长时期内还是最主要的集成电路材料硅材料的发展趋势晶片(wafer)直径越来越大对硅材料在缺陷等方面有更高的要求对硅材料的几何精度特别是平整度要求越来越高减小硅片表面颗粒和缺陷密度是一个重要的技术问题硅片表面颗粒或缺陷外生粒子：非本征缺陷，通过硅片清洗技术去掉晶生粒子：不能通过传统的清洗工艺使之减少，只能通过改进晶体的生长制备工艺，即减小晶体本征缺陷的方法来改进35衬底材料（2/2）SOI材料是一种非常有发展前途的材料IBM报道，在不改变设计和工艺水平的情况下，通过采用SOI材料，可以使采用同样工艺的CMOS电路的速度提高25%，利用SOI材料制作的CPU芯片的速度由采用体硅工艺时的400MHz提高到500MHz.GaN基高温电子器件，也是一种很有发展前景的半导体材料改进晶体质量及优化器件结构与工艺，器件性能会大幅度提高36栅结构材料栅结构，包括栅绝缘介质层和栅电极两部分栅绝缘介质层要求具有缺陷少、漏电流小、抗击穿强度高、稳定性好、与Si有良好的界面特性和界面态密度低等特点SiO2是性能优良的栅绝缘介质材料栅电极材料要求串联电阻低和寄生效应小。金属铝一直被用作栅电极材料，具有与Si非常良好的兼容性37存储电容材料存储电容是数字电路中的动态随机存储器（DRAM）和模拟电路中的重要部件SiO2是传统的电容介质材料单位存储容量、存取速度和非挥发性特征是人们考虑的重要因素最近发现的一些具有高介电常数的新型氧化物铁电材料，为实现这种理想提供了可能高介电常数的DRAM非挥发性铁电存储器38局域互连材料在较早的集成电路工艺中，集成电路的局域互连材料通常采用多晶硅作为栅和局域互连材料必须具有可以实现自对准、热稳定性好、与氧化硅的界面特性好、与MOS工艺兼容等特点金属和难熔金素有很低的电阻率，但由于和现有工艺的兼容性较差，不易被推广

硅化物复合结构是能够满足这些要求的比较理想的局域互连材料 近年来，硅化物复合物材料成为应用最广的栅及局域互连材料39互连材料（1/2）互连材料包括金属导电材料和相配套的绝缘介质材料传统的金属导电材料是铝和铝合金，绝缘介质材料是二氧化硅电路规模增加，互连线长度和所占面积迅速增加，引起很多问题连线电阻增加，是电路的互连时间延迟等问题；严重影响电路的可靠性互连延迟和可靠性成为电路系统日益突出的问题，是今后集成电路发展的关键40互连材料（2/2）减小互连延迟的途径：优化互连布线系统的设计、采用新的互连材料Cu可以改善电路系统的互连特性，提高可靠性，取代Al成为趋势从减少互联延迟和互联可靠性角度，Cu互连的性能都超过Al技术难题：Cu的污染问题；Cu与SiO2的黏附性较差；Cu引线的布线问题问题的逐步解决，IBM和Motorola于1998年初分别独立宣布了各自的六层铜互连工艺，当年投入批量生产41钝化层材料半导体表面对外界气氛和杂质玷污十分敏感。钝化：通过在不影响已经完成的集成电路性能前提下在芯片表面覆盖一层绝缘介质薄膜，以尽可能地减少外界环境对电路的影响，使电路封装后可以长期稳定可靠的工作70年代，最成功的钝化层材料是SiO2使用SiOxNy(即氮氧化硅)作为钝化材料的越来越多，几乎同时具有氧化硅、氮化硅的优点一种比较理想的深亚微米集成电路钝化层材料42芯片的制造步骤衬底制备外延一次氧化光刻硼扩散窗口硼扩散和二次氧化光刻磷扩散窗口磷扩散和三次氧化光刻发射极和基极接触孔蒸发铝在铝上光刻出电极图形4343关键加工工艺：光刻和刻蚀技术半导体微细加工技术的基础光刻技术是在一片平整的硅片上构建半导体MOS管和电路的基础首先，在硅片上涂上一层耐腐蚀的光刻胶随后，让强光通过一块刻有电路图案的镂空掩模板（MASK）照射在硅片上。被照射到的部分(如源区和漏区)光刻胶会发生变质，而构筑栅区的地方不会被照射到，所以光刻胶会仍旧粘连在上面接下来，用腐蚀性液体清洗硅片，变质的光刻胶被除去，露出下面的硅片，而栅区在光刻胶的保护下不会受到影响。随后就是粒子沉积、掩膜、刻线等操作，直到最后形成成品晶片44关键加工工艺：抛光技术利用化学抛光、机