整理ppt16.4 6.4 微电子材料与芯片微电子材料与芯片6.4.1 6.4.1 微电子芯片发展概述微电子芯片发展概述 整理ppt26.4.1 6.4.1 微电子芯片发展概述微电子芯片发展概述 微电子技术：微电子技术： 以集成电路为核心的电子技术。是在电子以集成电路为核心的电子技术。是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的。成和发展起来的。 它的每一创新都使社会化信息程度得到发它的每一创新都使社会化信息程度得到发展。展。整理ppt3全球全球IC市市场发展状况展状况3日本日本韩国国中国台湾中国台湾中国大中国大陆26212633454951556077102144132137126149204139 141177217246240265-$200-$150-$100-$50$0$50$100$150$200$250$30084 85 86 87 88 89 90 91 92 93 9495 96 97 98 9900 01 02 03 04 05 06 07销售额（销售额（B US$B US$）-0.4-0.3-0.2-0.100.10.20.30.40.5增增长销售售额因特尔创始人：戈登.摩尔摩尔定律：每一代（3年）硅芯片上的集成密度翻两番。加工工艺的特征线宽每代以30%的速度缩小。整理ppt4过去和去和现在的比在的比较晶体管晶体管电容容晶体管晶体管配配线印刷版印刷版电容容单 晶晶 硅硅电阻阻晶体管晶体管氧化氧化层Al配配线多晶硅多晶硅扩散散层电阻阻占用面占用面积只有原来的四只有原来的四亿分之一分之一整理ppt55集成集成电路路组成材料成材料金属：金属： Al，Cu，AuSiO2P型硅型硅N型硅型硅多晶硅多晶硅最基本的NMOS单元其它：有机材料、封装陶瓷、塑料等整理ppt6封装体的主要封装体的主要类型型（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 6整理ppt7外腿外腿封装封装树脂脂金属引金属引线芯片芯片金属金属衬底底内腿内腿金金 线芯芯 片片塑封塑封树脂脂引引线框架框架导电性粘接性粘接剂引引线框架型封装材料框架型封装材料7整理ppt8BGA型封装的材料型封装的材料塑封塑封树脂脂BGA基板基板焊 球球芯芯 片片金金丝与引与引线框架型封框架型封装不同的地方装不同的地方8整理ppt9焊料及料及焊球球ChipDIEChipPCBPCBSnPb Plated LeadBT (Bismaleimide Triazine) SubstrateAu WireSolder JointSolder BallSolder Paste 焊料作为电子封装技术中最基本的互连材料，在实现焊料作为电子封装技术中最基本的互连材料，在实现封装和保证可靠性方面承担着极为重要的角色封装和保证可靠性方面承担着极为重要的角色焊 料料9整理ppt10铅的危害SO2，NO2，Cl2酸性雨酸性雨铅污染地下水染地下水鉛含有飲料鉛含有飲料水水含含铅电子垃圾子垃圾土壌汚染土壌汚染Pb+1/2O2PbOPbO+H2SO4PbSO4+H2OPbO+HNO3Pb(NO3)+H2OPbO+2HClPbCl2+H2O10整理ppt11Sn-Ag系（系（Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等）等） l熔点高（熔点高（217-221）l成本高（成本高（Sn-Pb的二倍）的二倍）l能耗大能耗大目前主要的无目前主要的无铅焊料料Sn-Zn系（系（Sn-Zn、Sn-Zn-Bi等）等）熔点低（熔点低（198-199）成本低（与成本低（与Sn-Pb相当）相当）资源丰富源丰富 11整理ppt12集成集成电路：路：Integrated Circuit，缩写写ICu通通过一系列特定的加工工一系列特定的加工工艺，将晶体管、，将晶体管、二极管等有源器件和二极管等有源器件和电阻、阻、电容等无源容等无源器件，按照一定的器件，按照一定的电路互路互连，“集成集成”在一在一块半半导体体单晶片（如硅或砷化晶片（如硅或砷化镓）上，封装在一个外壳内，上，封装在一个外壳内，执行特定行特定电路路或系或系统功能功能.整理ppt13集成集成电路路 集成集成电路：制作在路：制作在单块半半导体材料上并通体材料上并通过连接形成完整接形成完整电路的各种元器件路的各种元器件的集合。大部分固的集合。大部分固态器件的功能取决于器件的功能取决于组成器件成器件结构的一个或者多个构的一个或者多个PN结的的性性质。集成集成电路中路中电子部件的典型硅子部件的典型硅结构构整理ppt14集成集成电路的路的发展展1958年年Texas Instruments 的的Jack Kilby 设计与制作了与制作了第一第一块集成集成电路。路。20世世纪60年代，双极型晶体管占据集成年代，双极型晶体管占据集成电路市路市场的主要的主要份份额1975年，数字年，数字MOS器件成器件成为集成集成电路的主流路的主流器件特征尺寸、集成度、硅片面器件特征尺寸、集成度、硅片面积增加增加3G3T整理ppt15第四代第四代（197190年代）年代）集成集成电路路几百万几百万几几亿（次（次/秒）秒）D-2 . 大大规模超大模超大规模集成模集成电路路 第三代第三代（19651970）集成集成电路路百万百万几百万（次几百万（次/秒）秒）D-1. 中小中小规模集成模集成电路路整理ppt16生生产集成集成电路的原料材料都不路的原料材料都不贵，但是，制造集，但是，制造集成成电路的路的过程却很复程却很复杂，对所用的所用的设备要求也很要求也很高，所以建立集成高，所以建立集成电路路产业的投的投资是很大。是很大。衡量集成衡量集成电路水平的指路水平的指标之一是集成度：之一是集成度：u100个晶体管以下的集成个晶体管以下的集成电路称路称为小小规模集成模集成电路路u1001000个晶体管的集成个晶体管的集成电路称路称为中中规模集成模集成电路路u1000个晶体管以上的集成个晶体管以上的集成电路称路称大大规模集成模集成电路路u10万个晶体管以上的集成万个晶体管以上的集成电路称路称超大超大规模集成模集成电路路 整理ppt1721世世纪硅微硅微电子技子技术的三个主要的三个主要发展方向展方向u特征尺寸特征尺寸继续等比例等比例缩小小u集成集成电路路(IC)将将发展成展成为系系统芯片芯片(SOC)u微微电子技子技术与其它与其它领域相域相结合将合将产生新的生新的产业和新的学科，例如和新的学科，例如MEMS（微机（微机电系系统）、）、DNA芯片等芯片等微微电子技子技术的三个的三个发展方向展方向整理ppt18第一个关第一个关键技技术层次：微次：微细加工加工u目前目前0.25 m和和0.18 m已开始已开始进入大生入大生产u0.15 m和和0.13 m大生大生产技技术也已也已经完成开完成开发，具，具备大生大生产的条件的条件n当然仍有当然仍有许多开多开发与研究工作要做，例如与研究工作要做，例如IP模模块的开的开发，为EDA服服务的器件模型模的器件模型模拟开开发以及基以及基于上述加工工于上述加工工艺的的产品开品开发等等u在在0.13-0.07um阶段，最关段，最关键的加工工的加工工艺光刻技光刻技术还是一个大是一个大问题，尚未解决，尚未解决微微电子器件的特征尺寸子器件的特征尺寸继续缩小小整理ppt19第二个关第二个关键技技术：互：互连技技术u铜互互连已在已在0.25/0.18um技技术代中使用；但是代中使用；但是在在0.13um以后，以后，铜互互连与低介与低介电常数常数绝缘材材料共同使用料共同使用时的可靠性的可靠性问题还有待研究开有待研究开发整理ppt20 第三个关第三个关键技技术u新型器件新型器件结构构u新型材料体系新型材料体系n高高K介介质n金属金属栅电极极n低低K介介质nSOI材料材料整理ppt21隧穿效隧穿效应SiO2的性的性质栅介介质层Tox1纳米米量子隧穿模型量子隧穿模型高高K介介质?杂质涨落落器件沟道区中的器件沟道区中的杂质数数仅为百的量百的量级统计规律律新型新型栅结构构?电子子输运的运的渡越渡越时间碰撞碰撞时间介介观物理的物理的输运理运理论?沟道沟道长度度 L 1nm + t栅介介质层 Tox t多晶硅耗尽多晶硅耗尽 t栅介介质层 t量子效量子效应+ 由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度由多晶硅耗尽效应引起的等效厚度 : : t多晶硅耗尽多晶硅耗尽 0.5nm 由量子效由量子效由量子效由量子效应应引起的等效厚度引起的等效厚度引起的等效厚度引起的等效厚度: : t量子效量子效应 0.5nm 限制：等效栅介质层的总厚度无法小于限制：等效栅介质层的总厚度无法小于限制：等效栅介质层的总厚度无法小于限制：等效栅介质层的总厚度无法小于1nm1nm1nm1nm整理ppt95随着器件缩小随着器件缩小至亚至亚5050纳米纳米寻求介电常数大的高寻求介电常数大的高寻求介电常数大的高寻求介电常数大的高K K K K材料来替代材料来替代材料来替代材料来替代SiOSiOSiOSiO2 2 2 2SiOSiO2 2无法适应亚无法适应亚5050纳米器件的要求纳米器件的要求SiOSiO2 2（ 3.93.9）SiOSiO2 2/Si /Si 界面界面硅基集成电路硅基集成电路发展的基石发展的基石得以使微电得以使微电子产业高速子产业高速和持续发展和持续发展整理ppt96介介电常数常数k比比Si3N4(k7)大的材料称大的材料称为高介高介电常数材料常数材料。大大k值介介电材料正用于制造非易失材料正用于制造非易失铁电随机存取存随机存取存储器器(FeRAM),如如钛锆铅(PZT)或或钽锶铋(SBT)。 k值比比SiO2（k7)大的材料称大的材料称为高介高介电常数材料。常数材料。随着特性尺寸的减少，需要用合适的随着特性尺寸的减少，需要用合适的高介高介电常数材料替代常数材料替代传统的的电容介容介质材料二氧化硅以减少介材料二氧化硅以减少介质层厚度增加厚度增加电容。大容。大k值介介电材料可以用于制造非易失材料可以用于制造非易失铁电随机存取存随机存取存储器器(FeRAM),如如钛锆铅(PZT)或或钽锶铋(SBT)。2） k值比比SiO2（k3.9）小的材料称）小的材料称为低介低介电常数材料。常数材料。用用铜线替代替代传统的的铝线成成为集成集成电路互路互连线工工艺发展的必然展的必然方向。方向。铜互互连线工工艺要求使用要求使用低介低介电常数材料常数材料替代替代传统的的绝缘材料二氧化硅，使得材料二氧化硅，使得连线之之间难于于传递电压；2，高，高/低介低介电常数常数K介介质材料的定材料的定义和使用范和使用范围有哪些？有哪些？整理ppt101存储电容材料存储电容材料存储电容材料是数字电路中的动态随机存储器（存储电容材料是数字电路中的动态随机存储器（DRAMDRAM）和模拟）和模拟电路中的重要部件。传统材料是：电路中的重要部件。传统材料是：SiOSiO2 2类类型型高介电常数的高介电常数的DRAMDRAM非挥发性铁电存储器（非挥发性铁电存储器（NVFRAMNVFRAM）1. 1. 高介电常数的高介电常数的DRAMDRAM利用高介电常数材料作为电容绝缘介质层的最大优点是在保持电容利用高介电常数材料作为电容绝缘介质层的最大优点是在保持电容值和面积尺寸不变的前提下，介质层厚度可以增大许多倍。值和面积尺寸不变的前提下，介质层厚度可以增大许多倍。影响高介电常数铁电材料在影响高介电常数铁电材料在DRAMDRAM中应用的主要因素：较大的漏电流、中应用的主要因素：较大的漏电流、较高的体和界面缺陷、较低的介电击穿强度和与硅工艺的兼容性等较高的体和界面缺陷、较低的介电击穿强度和与硅工艺的兼容性等问题。问题。整理ppt1022. 2. 非挥发性铁电存储器（非挥发性铁电存储器（NVFRAMNVFRAM）NVFRAMNVFRAM是一种新型的非挥发性存储器。它是利用铁电材料具有的自发极是一种新型的非挥发性存储器。它是利用铁电材料具有的自发极化以及自发极化在电场作用下反转的特性存储信息。它的这种特性一般化以及自发极化在电场作用下反转的特性存储信息。它的这种特性一般用电极化强度随电压变化的电滞回线特性描述。用电极化强度随电压变化的电滞回线特性描述。作为作为NVFRAMNVFRAM电容介质的铁电材料应当具备剩余极化强度电容介质的铁电材料应当具备剩余极化强度P PR R高、饱和极化电高、饱和极化电压低、极化反转响应时间快和抗疲劳特性好。压低、极化反转响应时间快和抗疲劳特性好。整理ppt103局域互连材料局域互连材料局域互连材料的要求局域互连材料的要求: :必须具有可以实现自对准、热稳定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、与性好、与氧化硅的界面特性好、与MOS MOS 工艺兼容等特点。工艺兼容等特点。硅化物复合结构是能够满足以上要求的比较理想的局域互连材料。硅化物复合结构是能够满足以上要求的比较理想的局域互连材料。优点：优点：难熔金属硅化物材料可以使局域互连线的电阻降为原来的难熔金属硅化物材料可以使局域互连线的电阻降为原来的1/101/10；某；某些硅化物同铝的接触电阻率比硅同铝的接触电阻约低一个数量级。些硅化物同铝的接触电阻率比硅同铝的接触电阻约低一个数量级。缺点：缺点：硅化物在形成过程中将产生较大的应力（约硅化物在形成过程中将产生较大的应力（约10109 9PaPa），容易在薄栅），容易在薄栅SiOSiO2 2中及其硅衬底表面引入缺陷，影响器件的电学性能和稳定性。中及其硅衬底表面引入缺陷，影响器件的电学性能和稳定性。多晶硅多晶硅难熔金属难熔金属硅化物复合结构硅化物复合结构多晶硅多晶硅/ /硅化物复合结构示意图硅化物复合结构示意图整理ppt104互互连材料材料互互连材料主要包括：金属材料主要包括：金属导电材料及相配套的材料及相配套的绝缘介介质，传统的材料是的材料是铝和和铝合金、二氧化硅合金、二氧化硅 。存在的主要存在的主要问题：互：互连延延迟。解决途径：解决途径： 1. 优化互化互连布布线系系统的的设计； 2. 采用新的互采用新的互连材料材料目前常用材料：目前常用材料：Cu，低介，低介电常数常数绝缘材料（聚材料（聚酰亚胺、氟胺、氟化氧化物、聚化氧化物、聚对苯二甲基、干凝胶等）苯二甲基、干凝胶等）整理ppt105钝化化层材料材料钝化：就是通过在不影响已经完成的集成电路性能的前提钝化：就是通过在不影响已经完成的集成电路性能的前提下，在芯片表面覆盖一层绝缘介质薄膜，以尽可能减少外下，在芯片表面覆盖一层绝缘介质薄膜，以尽可能减少外界环境对电路的影响，使电路封装后可以长期稳定、可靠界环境对电路的影响，使电路封装后可以长期稳定、可靠地工作地工作 。常用的钝化材料：常用的钝化材料： SiOSiO2 2、磷硅玻璃（、磷硅玻璃（PSGPSG）、）、SiSi3 3N N4 4、 复合结构、复合结构、SiOSiOx xN Ny y 两种钝化层材料复合使用是比较常用的。两种钝化层材料复合使用是比较常用的。整理ppt106集成集成电路是路是现代信息代信息产业和信息社会的基和信息社会的基础集成集成电路是改造和提升路是改造和提升传统产业的核心技的核心技术 2000年世界半年世界半导体体产值达达2000亿美元美元 电子信息子信息产品市品市场总额超超过1万万亿美元美元据据预测：未未来来十十年年内内世世界界半半导体体的的年年平平均均增增长率率将将达达15%以以上上，2010年年全全世世界界半半导体体的的年年销售售额可可达达到到60008000亿美美元，将支持元，将支持45万万亿美元的美元的电子装子装备市市场。集成集成电路关路关键加工工加工工艺对材料的要求材料的要求整理ppt107集成集成电路关路关键加工工加工工艺对材料的要求材料的要求硅硅衬底底晶晶圆芯片芯片硅平面工硅平面工硅平面工硅平面工艺艺剔除、分剔除、分剔除、分剔除、分类类集成集成电路路封装封装封装封装成品成品成品成品成品成品测试测试集成集成电路的制造：路的制造：400多道工序多道工序整理ppt108 1. 集成集成电路芯片制作路芯片制作 晶圆晶圆厚度：不足厚度：不足1mm1mm直径：直径：6 6、8 8、1212英寸英寸晶棒晶棒单晶硅锭单晶硅锭晶圆生产过程晶圆生产过程: : 晶棒制造，晶片制造晶棒制造，晶片制造 整理ppt109晶晶圆处理理： 在晶在晶圆上制作上制作电路及路及电子元子元件，晶件，晶圆上就形成了一个个上就形成了一个个的小格，即晶粒。的小格，即晶粒。晶晶圆针测： 对每个晶粒每个晶粒检测其其电气特性，气特性，并将不合格的晶粒并将不合格的晶粒标上上记号号后，将晶后，将晶圆切开，分割成一切开，分割成一颗颗单独的晶粒。芯片制造独的晶粒。芯片制造过程：晶程：晶圆处理、晶理、晶圆针测、封装、成品封装、成品测试等。等。处理后的晶理后的晶圆（排（排满成百上千个集成成百上千个集成电路）路） 1. 集成集成电路芯片制作路芯片制作 整理ppt110 1. 集成集成电路芯片制作路芯片制作 封装后的集成封装后的集成电路路封装封装将将单个的晶粒固定在塑胶个的晶粒固定在塑胶或陶瓷制的芯片基座上，或陶瓷制的芯片基座上，并把晶粒上并把晶粒上蚀刻出的一些刻出的一些引引线与基座底部伸出的插与基座底部伸出的插脚脚进行行连接，以作接，以作为与外与外界界电路板路板连接之用，最后接之用，最后盖上塑胶盖板，用胶水封盖上塑胶盖板，用胶水封死，死，封封焊。整理ppt111常常见的的封封装装形形式式有有单列列直直插插式式（SIP）、两两边带插插脚脚的的双双列列直直插插式式（DIP）和和四四边带插插脚脚的的阵列列式式（PGA）、扁扁平平贴片片式式(QFP)、PLCC式式、交交错网网格格式式等等。如如同同在在电脑里里看看到到的的那那些些黑黑色色或或褐褐色色边上上带有插脚或引有插脚或引线的矩形小的矩形小块。 整理ppt112成品成品测试 一般一般测试：将芯片置于各种将芯片置于各种环境下境下测试其其电气特性，如消耗功率、运气特性，如消耗功率、运行速度、耐行速度、耐压度等。度等。经测试后的芯后的芯片，依其片，依其电气特性划分气特性划分为不同等不同等级。 特殊特殊测试：根据客根据客户特殊需求的技特殊需求的技术参数，从相近参数参数，从相近参数规格、品种中格、品种中拿出部分芯片，做有拿出部分芯片，做有针对性的性的专门测试，看是否能，看是否能满足客足客户的特殊需的特殊需求，以决定是否求，以决定是否须为客客户设计专用用芯片。芯片。经一般一般测试合格的合格的产品品贴上上规格、型号及出厂日期等格、型号及出厂日期等标识的的标签并加以包装后即可出厂。而未通并加以包装后即可出厂。而未通过测试的芯片的芯片则视其达到的参数情其达到的参数情况定作降况定作降级品或品或废品。品。 集成集成电路成品路成品整理ppt113集成集成电路的路的发展展趋势问题与出路与出路线宽进一一步步缩小小、线路路间的的距距离离越越来来越越窄窄以以后后，干干扰将将越越益益严重。重。 为了了减减少少这种种干干扰，可可以以采采取取减减小小电流流，降降低低电压的的方方法法来来解决。解决。 但但是是，当当晶晶体体管管的的基基本本线条条小小到到纳米米级，线路路的的电流流微微弱弱到到仅有有几几十十个个甚甚至至几几个个电子子流流动时，晶晶体体管管已已逼逼近近其其物物理理极极限限，它将无法正常工作。它将无法正常工作。在在纳米米尺尺寸寸下下，纳米米结构构会会表表现出出一一些些新新的的量量子子现象象和和效效应，可可以以利利用用这些些量量子子效效应研研制制具具有有新新功功能能的的量量子子器器件件，从从而而把把芯芯片的研制推向量子世界的新片的研制推向量子世界的新阶段段纳米芯片技米芯片技术。同同时，人人们还在在研研究究将将自自然然界界传播播速速度度最最快快的的光光作作为信信息息的的载体体，发展展光光子子学学，研研制制集集成成光光路路，或或把把电子子与与光光子子并并用用，实现光光电子集成。子集成。整理ppt114u光子计算机光子计算机光能够像电一样来传递信息，光能够像电一样来传递信息，甚至效果更好。而且，更重要的一甚至效果更好。而且，更重要的一个特点在于它不会和周围环境发生个特点在于它不会和周围环境发生相互干扰的作用。因为当电子计算相互干扰的作用。因为当电子计算机芯片越来越趋向于机芯片越来越趋向于0.18m0.18m时，时，就会产生很多的问题就会产生很多的问题, ,而光子计算而光子计算机就可以避免。机就可以避免。集成集成集成集成电电路的路的路的路的发发展展展展趋势趋势整理ppt115u量子量子计算机算机是运用量子力学来是运用量子力学来设计的，它的，它们的特点是其潜在的运算速度的特点是其潜在的运算速度将更大于将更大于电子子计算机。从理算机。从理论上上说，它，它们的速度提高可以的速度提高可以说是是没有止境的，因没有止境的，因为量子量子计算技算技术可以在同一可以在同一时间内内执行各种操行各种操作，同作，同时有足有足够的能力来完成的能力来完成现在在电子子计算机算机还很很难完成的任完成的任务，比如比如说完成密完成密码的破的破译和和语音的音的识别等等。因此，欧洲已等等。因此，欧洲已经成立了量成立了量子子计算机研究所，算机研究所，现在估在估计，量子，量子计算机可能会在今后的十五年左右算机可能会在今后的十五年左右出出现。图为一种可瞬一种可瞬间进行行图像像数据数据计算的光算的光电计算机算机集成集成电路的路的发展展趋势整理ppt116u分子计算机分子计算机 现在已经开发出来一种能够由氮气和现在已经开发出来一种能够由氮气和二氯化碳来开动和闭关的分子计算机，二氯化碳来开动和闭关的分子计算机，这种超高速的微型计算机离现实已经这种超高速的微型计算机离现实已经很近了。这种技术将会导致只需要利很近了。这种技术将会导致只需要利用立体和光线就能够产生新的、甚至用立体和光线就能够产生新的、甚至能够思考的计算机来解决目前晶体管能够思考的计算机来解决目前晶体管的物理局限，使得未来的计算机的功的物理局限，使得未来的计算机的功能大大的增加，尺寸大大的缩小。能大大的增加，尺寸大大的缩小。集成集成电路的路的发展展趋势整理ppt117u生物生物计算机算机实际上就是随着生物技上就是随着生物技术的的发展，人展，人们将模仿人的大将模仿人的大脑制造制造一种用基因学的机制来开一种用基因学的机制来开发的新一代的新一代计算机。算机。现在生物在生物计算机的模型已算机的模型已经出来。以色列的科学家制造了一出来。以色列的科学家制造了一个有可能会比个有可能会比单个活个活细胞胞还要小的要小的计算机的模型。算机的模型。这么微小么微小的的计算机也可能将在我算机也可能将在我们的体内漫游，的体内漫游，监视我我们的健康。也的健康。也许会会纠正它所正它所发现人体内哪个地方人体内哪个地方 脂肪的堆脂肪的堆积，帮助解决，帮助解决问题。 其其实每一个每一个细胞胞实际上都是一个复上都是一个复杂的生物机件，一个的生物机件，一个系系统。用。用这么一种仿生技么一种仿生技术来制造来制造生物生物计算机。算机。集成集成电路的路的发展展趋势