02-微电子芯片技术

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§2. 微电子芯片技术发展对材料的需求
➢ §2.1 概述 ➢ §2.2 衬底材料 ➢ §2.3 栅结构材料 ➢ §2.4 存储电容材料 ➢ §2.5 局域互连材料 ➢ §2.6 金属互连材料 ➢ §2.7 钝化材料
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§2.1 概述
集成电路技术的高速发展 ➢ 几十年来集成电路（IC）技术一直以极高的速度发展。著名的摩 尔（Moore）定则指出，IC的集成度（每个微电子芯片上集成的器件 数）每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸缩小1倍。
Transistor）-BJT ）构成 NPN型双极集成电路 PNP型双极集成电路 金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管(单 极晶体管)构成 NMOS PMOS CMOS(互补MOS) 双极-MOS(BiMOS)集成电路： 同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路， 综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。
IrO2 (Iridium Oxide)
SrRuO3
Electrode
(LaSr)CoO3
Materials
YBa2Cu3O7
SrBi2TA5O9
Pb(Zr,Ti)O3
Ferro Electrocs
(Pb,La)(Zr,Ti)O3
Ta2O5
TiO2
BST(Barium ST)
High Dielectrics
习惯以线路制造的最小线宽、晶片直径及DRAM（动态随机存储器）所储 存的容量来评断集成电路的发展状况。
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§2.1 概述/集成电路
封装好的集成电路
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§2.1 概述/微处理器
8080
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§2.1 概述/发展指标
年份 最小线宽(μm） DRAM容量 每片晶体管数(M） 芯片尺寸(mm2） 频率 (兆赫） 金属化层层数 最低供电电压(v） 晶圆直径(mm）
1997 0.25 256M 11 300 750 6 1.8-2.5 200
微处理器、宽频道连接和智能软件将是21世纪改变人类社会和经 济的三大技术创新。
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§2.1 概述/集成电路(Integrated Circuit)
➢ 集成电路(Integrated Circuit，缩写IC)=芯片
通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电 阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“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 电路或系统功能. 由于集成电路的体积极小，使电子运动的距离大 幅缩小，因此速度极快且可靠性高，集成电路的种类一般是以内 含晶体管等电子组件的数量来分类。
ST(Strontium Titanate)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
TiN
TiN/Ti
Cu/TiN
Metals
Cu
W
Si3N4
PtSi2 CoSi2 TiSi2 MoSi2 TaSi2
Silicides
Polysilicon Al SiO2 Si
1970
1980
1990
2000
2010
Pentium
PentiumPro
80486
对微电子芯片的要求是： ➢ 存贮密度更高， ➢ 工作速度更快， ➢ 功能更强和功耗更小。
3G时代到3T时代（1T＝1000G） ➢ 存贮容量由Gbit计发展到以Tbit计； ➢ 处理速率由GOPS计发展到TOPS计； ➢ 传输速率则从Gbps计发展到Tbps计。
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复习
1，信息功能材料的范畴。当今信息功能材料发展的趋势。
➢ 信息处理技术和材料 ➢ 信息传递技术和材料 ➢ 信息存储技术和材料 ➢ 信息显示技术和材料 ➢ 信息获取技术和材料 ➢ 激光材料和光功能材料
信息的载体正由电子向光电子结合和光子方向发展。
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复习
2,请说出三代半导体的代表材料及特征。
➢ 第一代半导体材料以 Si和 Ge为代表。金钢石结构、 元素半导体、间接带隙半导体、微电子材料等。 ➢ 第二代半导体以GaAs为代表。 闪锌矿结构、二元化合物 半导体、直接带隙半导体、光电材料等。 ➢ 第三代半导体以氮化镓和碳化硅为代表。禁带宽度大、 电子饱和漂移速度高、良好的化学稳定性等独特的特性。
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§2.1 概述/晶体管的发展历史
1947年12月16日：威廉·邵克雷(William Shockley)、约翰·巴顿(John Bardeen)和 特·布拉顿(Walter Brattain)成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管。 1950年：威廉·邵克雷开发出双极晶体管(Bipolar Junction Transistor)，这是现 在通行的标准的晶体管。 1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。 1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅含4只锗晶体管。 1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯(Robert Noyce)。最初 的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管， 即集成电路。 1965年：摩尔定律诞生。当时，戈登·摩尔(Gordon Moore)预测，未来一个芯片上的 晶体管数量大约每年翻一倍(10年后修正为每两年)，摩尔定律在Electronics Magazine杂志一篇文章中公布。
2009 0.07 64G 520 620 2500 8-9 0.6-0.9 450
2012 0.01 256G 1400 750 3000 9 0.5-0.6 450
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§2.1 概述/集成电路分类
双极集成电路：主要由双极晶体管 （Bipolar Junction
§2.1 概述/微电子学：Microelectronics
微电子学——微型电子学 核心——集成电路
微电子学：电子学的一门分支学科。 微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。 微电子学中的空间尺度通常是以微米(m)和纳米(nm)为单位的。 微电子学是信息领域的重要基础学科。
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8086
80286
80386
Materials in Silicon-Based Microelectronics
porous silicon
BN(Boron Nitride) Low Dielectrics
Polymer
Pt
RuO2(ruthenium Oxide)
Quantum leap in new materials
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§2.1 概述/晶体管的发展历史
1993年：英特尔奔腾处理器问世，含有3百万个晶体管，采用英特尔0.8微米制程 技术生产。 1999年2月：英特尔发布了奔腾III处理器。奔腾III是1x1正方形硅，含有950万 个晶体管，采用英特尔0.25微米制程技术生产。 2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现每秒钟22 亿个周期运算。 2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括高性能、 低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。 2003年3月12日：针对笔记本的英特尔迅驰移动技术平台诞生，包括了英特尔最 新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。 2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器”诞生，含 有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产 2006年7月18日：英特尔安腾双核处理器发布，采用世界最复杂的产品设计，含 有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。
下一代：25nm or 13.5nm？ 光刻：深紫外 or 远紫外？
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§2.1 概述/集成电路的工艺发展
九十年代以来，集成电路工艺发展非常迅速，已从亚微米(0.5到1微米)进 入到深亚微米(小于0.5微米)，进而进入到超深亚微米(小于0.25微米)。
1999 0.18 1G 21 385 1200 6-7 1.5-1.8 300
2001 0.15 1G~4G 40 430 1400 7 1.2-1.5 300
2003 0.13 4G 76 440 1600 7 1.2-1.5 300
2006 0.10 16G 200 520 2000 7-8 0.9-1.2 300
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§2.1 概述/晶体管的发展历史
1968年7月：罗伯特·诺伊斯和戈登·摩尔从仙童(Fairchild)半导体公司辞职，创立了一个 新的企业，即英特尔公司。 1969年：英特尔成功开发出第一个PMOS硅栅晶体管技术。这些晶体管继续使用传统的二氧化 硅栅介质，但是引入了新的多晶硅栅电极 1971年：英特尔发布了其第一个微处理器4004。4004规格为1/8英寸 x 1/16英寸，包含仅 2000多个晶体管，采用英特尔10微米PMOS技术生产。 1978年：英特尔标志性地把英特尔8088微处理器销售给IBM新的个人电脑事业部，武装了IBM 新产品IBM PC的中枢大脑。16位8088处理器含有2.9万个晶体管，运行频率为5MHz、8MHz和 10MHz。8088的成功推动英特尔进入了财富(Forture) 500强企业排名，《财富(Forture)》杂 志将英特尔公司评为“七十大商业奇迹之一(Business Triumphs of the Seventies)”。 1982年：286微处理器(又称80286)推出，成为英特尔的第一个16位处理器，可运行为英特尔 前一代产品所编写的所有软件。286处理器使用了13400个晶体管，运行频率为6MHz、8MHz、 10MHz和12.5MHz。 1985年：英特尔386™微处理器问世，含有27.5万个晶体管，是最初4004晶体管数量的100多倍。 386是32位芯片，具备多任务处理能力，即它可在同一时间运行多个程序。