微电子材料与芯片ppt课件

集成电路中电子部件的典型硅结构
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集成电路的发展
1958年Texas Instruments 的 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的主要 份额
1975年，数字MOS器件成为集成电路的主流 器件特征尺寸、集成度、硅片面积增加 3G―――3T
IBM CPU
SOC DRAM
传输 反向多路器
DRAM
DRAM
MPEG解码
声频
视频
接口
接口
STBP
SCI IEEE1284
GPIO ,etc
第二代 第三代 将来
System On A Chip
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IC的速度很高、功耗很小，但由于 PCB板中的连线延时、噪声、可靠 性以及重量等因素的限制，已无法 满足性能日益提高的整机系统的要求
Solder Paste S. older Ball Solder Joint
9
铅的危害
Pb+1/2O2→PbO PbO+H2SO4→PbSO4+H2O PbO+HNO3→Pb(NO3)+H2O PbO+2HCl→PbCl2+H2O
SO2，NO2， Cl2
酸性雨
土壌汚染
鉛含有飲料 水
含铅电子垃圾
铅污染地下水
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D-1. 中小规模集成电路
第三代 （1965~1970）
集成电路 百万~几百万（次/秒）
D-2 . 大规模超大规模集成电路
第四代 （1971~90年代）
集成电路 几百万~几亿（次/秒）
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▪ 生产集成电路的原料材料都不贵，但是，制造集
成电路的过程却很复杂，对所用的设备要求也很 高，所以建立集成电路产业的投资是很大。
6.4 微电子材料与芯片
6.4.1 微电子芯片发展概述
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1
6.4.1 微电子芯片发展概述
微电子技术：
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 展。
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2
全球IC市场发展状况
销售额（B US$）
$300 $250 $200 $150 $100
一个微电子芯片上 23
六十年代的集成电路设计
•微米级工艺 •基于晶体管级互连 •主流CAD：图形编辑
Vdd A
B
Out
.
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八十年代的电子系统设计
ຫໍສະໝຸດ Baidu
PE
系统 L2
IO
MEM
Math
• PCB集成
• 工艺无关
Bus Controller
Graphics
集成电路芯片
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•亚微米级工艺 •依赖工艺 •基于标准单元互连 •主流CAD:门阵列
▪ 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的产业和新的学
科，例如MEMS（微机电系统）、DNA芯片等
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微电子器件的特征尺寸继续缩小
▪ 第一个关键技术层次：微细加工
▪ 目前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，具备大生产的
Encryption/ Decryption
•深亚微米、超深亚 微米级工艺
•基于IP复用 •主流CAD：软硬件协
同设计
EISA Interface
SYSTEM-ON-A. -CHIP
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▪ SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、
芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在 单个芯片上完成整个系统的功能
▪ MEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉
及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、 物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等
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MEMS技术和DNA芯片
▪ 采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片
上制作出包含有多达10万种DNA基因片段的芯 片。利用这种芯片可以在极快的时间内检测或发 现遗传基因的变化等情况，这无疑对遗传学研究、 疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有 极其重要的作用
.
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▪ 第三个关键技术
▪ 新型器件结构 ▪ 新型材料体系
▪ 高K介质 ▪ 金属栅电极 ▪ 低K介质 ▪ SOI材料
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新一代小尺寸器件问题
栅介<1质纳层米Tox
? 隧穿效应
SiO2的性质
量子隧穿模型 高K介质
多晶硅
栅
栅介质层
Tox
沟道长度 L<50纳米
? 电子输运的
渡越时间～ 碰撞时间
介观物理的 输运理论
在需求牵引和技术 推动的双重作用下
分
集成
立
电路
元
件 系统芯片(SOICC)与集成
电路(IC)的设计思想是 II芯CC片设规上模计集不越与术成来制同1领越造0的8大技~域1，，术0的9已水个它一可平晶是以的体场微在提管革一高电命个，.子。技
系统芯片
System On A Chip (简称SOC)
将整个系统集成在
盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技 术条件下实现更高性能的系统指标
▪ 若采用SOC方法和0.35m工艺设计系统芯片，在相同的系统 复杂度和处理速率下，能够相当于采用0.25 ~ 0.18m工艺制 作的IC所实现的同样系统的性能
▪ 与采用常规IC方法设计的芯片相比，采用SOC完成同样功能所 需要的晶体管数目可以有数量级的降低
X光铸模+压 塑技术 (LIGA)
微系统
国防、航空航天、生物医学、环境 监控、汽车都有广泛应用。 2000年有120-140亿美元市场
相关市场达1000亿美元 2年后市场将迅速成长
分子和原子级加工
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从底层向上
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MEMS技术和DNA芯片
▪ 从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、
信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于 一体的微型机电系统
与引线框架型封 装不同的地方
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BGA基板
8
焊料及焊球
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
焊料
Au Wire
Chip
SnPb Plated Lead
DIE Chip
BT (Bismaleimide TriazinPe) CB
PCB
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Substrate
条件
▪ 当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为
EDA服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品 开发等 ▪ 在0.13-0.07um阶段，最关键的加工工艺—光刻技术还是一个大 问题，尚未解决
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▪ 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；但是在 0.13um以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使 用时的可靠性问题还有待研究开发
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10
目前主要的无铅焊料
Sn-Ag系（Sn-Ag、Sn-Ag-Cu等） 熔点高（217-221℃） 成本高（Sn-Pb的二倍） 能耗大
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
.
11
11
▪ 集成电路：
▪ Integrated Circuit，缩写IC
▪ Stanford和Affymetrix公司的研究人员已经利用
微电子技术在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯 片。包括6000余种DNA基因片段。
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电、光 、声、 热、磁 力等外 界信号
信息输 入与模/ 数传输
信 息 处 理
信息输 出与数/ 模转换
执 行 器 、 显
的采集
示
—各种
器
传感器
等 信息存储
.
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MEMS技术和DNA芯片
▪ 微电子技术与其它学科结合，诞生出一系
列崭新的学科和重大的经济增长点
▪ MEMS (微机电系统) ：微电子技术与机械、 光学等领域结合
▪ DNA生物芯片：微电子技术与生物工程技术 结合
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MEMS器件及应用
汽车工业
➢ 安全气囊加速计、发动机压力计、自动驾驶陀螺
武器装备
标准单元
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世纪之交的系统设计
I/O Interface
LAN Interface
PCI Interface
VRAM
DSP
Processor Glue
Core
Glue Processor Core
Motion
Graphics MPEG
SCSI
MEMORY
Cache/SRAM or even DRAM
▪ 衡量集成电路水平的指标之一是集成度：
▪ 100个晶体管以下的集成电路称为小规模集成电路 ▪ 100~1000个晶体管的集成电路称为中规模集成电路 ▪ 1000个晶体管以上的集成电路称大规模集成电路 ▪ 10万个晶体管以上的集成电路称超大规模集成电路
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微电子技术的三个发展方向
▪ 21世纪硅微电子技术的三个主要发展方向
n+ 源
漏 n+
L
p 型硅
NMOSFET
器件沟道区中的杂 质数仅为百的量级
? 杂质涨落
统计规律 新型栅结构
? 带间隧穿
反型层的 量子化效应
考虑量子化效应 的器件模型
电源电压1V时，栅介质层中电场 约为5MV/cm，硅中电场约1MV/cm
可靠性
.
… ...
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集成电路走向系统芯片
卫星 /电缆
解调/纠错
▪ SOC必须采用从系统行为级开始自顶向下(Top-Down)地
设计
▪ SOC的优势
▪ 嵌入式模拟电路的Core可以抑制噪声问题
▪ 嵌入式CPU Core可以使设计者有更大的自由度
▪ 降低功耗，不需要大量的输出缓冲器
▪ 使DRAM和CPU之间的速度接近
.
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▪ SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并全
金属：
Al，Cu，Au
SiO2 P型硅
N型硅
最基本的NMOS单元
多晶硅
其它：有机材料、封装陶瓷、塑料等
.
5
5
封装体的主要类型
引线框架型 BGA型
ＤＩＰ（Dual Inline PackagＳe）ＯＰ（ Small Outline L-Leaded Package ） ＱＦＮ（ Quad Flat Non-Leaded PackagＱe Ｆ）Ｐ（ Quad Flat Package ）
➢ 制导、战场侦察（化学、震动）、武器智能化
生物医学
➢ 疾病诊断、药物研究、微型手术仪器、植入式仪器
信息和通讯
➢ 光开关、波分复用器、集成化RF组件、打印喷头
娱乐消费类
➢ 游戏棒、虚拟现时眼镜、智能玩具
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MEMS
从顶层向下
大机器加工 小机器，小 机器加工微 机器 微机械
用微电子加 工技术
MEMS系统
ＢＧＡ（ Ball Grid Array ）FC-BGA（ Flip Chip BGA ）
µ BGA
.
6
CSP（ Chip Scale Package ）
6
引线框架型封装材料
芯片
导电性粘接剂
金线
金属引线 芯片
封装树脂
塑封树脂
外腿
金属衬底
内腿
引. 线框架
7
7
BGA型封装的材料
金丝
芯片
塑封树脂
焊球
8
▪ 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.
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▪ 集成电路
集成电路：制作在单块半导体材料上并通过连接形成完整电路的各种元器件 的集合。大部分固态器件的功能取决于组成器件结构的一个或者多个PN结 的性质。
$50 $0
-$50 -$100
0.5
摩尔定律： 265
246 240
217
0.4
204
177
0.3
每一代（3年）硅芯片上 144 132 137 126 149
139 141
0.2
的集成密度翻两番。加工 102
77
45 49 51 55 60
0.1
26 21 26 33
工艺的特征线宽每代以0
30%的速度缩小。 '84 '85 '86 '87 '88 '89 '90 '91 '92 '93 94 '95 '96 '97 '98 '99 '00 '01 '02 '03 '04 '05 '06 '07 -0.1
日本
韩国 中国台湾
中国大陆
-0.2
-$150
-0.3
-$200
增长
因特尔创始人：销戈售额登.摩尔
.
3
-0.4
数据来源：WSTS, Dataquest (2004.3)
3
过去和现在的比较
晶晶体体管管
电容
电阻
配线
印刷版
占用面积只有原来的四亿分之一
晶体管
电容
Al配线
电阻
氧化层
多晶硅 单晶硅
扩散层
.
4
集成电路组成材料
.
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我国年微电子发展现状
▪ 我国IC骨干企业地区分布及销售情况
13%
3%
17%
上海
江苏
北京
67%
浙江
.
36
6.4.2 IC制造一般构造与技术过 ▪ 集成电路设计与制造程的主要流程框架
求系 统 需
设计
掩膜版
单晶、外 延材料
芯片制 造过程
.
芯片检测 封装 测试
一般意义上的系统集成芯片
广义上的系统集成芯片
.
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微电子技术的发展总结
时期
元件
运算速度
特点
第一代
电子管
每秒几千次
体积大，造价昂贵
第二代 第三代
晶体管
每秒几十万次
体积小、成本低
集成电路
几十万次到几百万 体积进一步减小，可靠
次
性提高
第四代
大规模、超大 几百万次到几十亿 规模集成电路 万次
体积更小、速度更快