微电子芯片技术
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19
8080(1974)
8086(1978)
80286(1982)
80386(1985)
80486(1989)
Pentium(1993)
Pentium II (1997)
Pentium III (1999)
Pentium IV (2000)
Pentium D (2005)
酷睿™ 2 双核(2006)
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
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
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。
31 31
32
33
半导体器件结构示意图
衬底材料（1/2）
35
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
2007 2010 2013 2016 2022
摩尔定律的极限
1. 功耗的问题
存储器工作靠的是成千上万的电子充放电实现记忆的。当芯片 集成度越来越高，耗电量也会越来越大，如何解决散热的问题 ？
2. 掺杂原子均匀性的问题
一个平方厘米有一亿到十亿个器件，掺杂原子只有几十个，怎 么保证在每一个器件的杂质原子的分布是一模一样呢？是硅微 电子技术发展遇到的又一个难题。
Federico Faggin
6
8008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
7
8080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
8
8086-8088 微处理器
1978年6月8日，8086微处理器，16位处理器 1979年6月1日，8088微处理器
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。
2
3
4
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
晶体管约为2.9万个
晶体管距离为3微米
1981年，IBM公司将8088芯片用于其研制的PC机中。
正是从8088开始，个人电脑(PC)的概念开始在 全世界范
9
围内发展起来。 从8088应用到IBM PC机上开始,个人电脑真正走进了人们 的工作和生活之中，它也标志着一个新时代的开始。
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
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
2006年7月18日 晶体管约为17.2亿个 90纳米技术
Core 2 Quad; Core 2 Extreme
18
最新Intel 处理器
Core i3 Core i5
Core i7
Microarchitecture:
Nehalem (45nm) Sandy Bridge (32nm) Ivy Bridge (22nm) Haswell (22nm)
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
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
年代
2001 2004
特征尺寸
130 nm 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm 10 nm
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。
45纳米晶体管仅在一个红血球细胞表面即可容纳数百个。
如果一所房子缩小为一个晶体管大小，不借助显微镜你根本无法看到这
所房子。要看到45纳米大小的晶体管，你需要借助非常先进的显微镜。
你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个45纳 米晶体管。 你可以在一个针头上摆放3万多个45纳米晶体管，加起来约合150万纳米。 一个小数点(直径约为0.1毫米或10万纳米)可填入2千多个45纳米晶体管 一个45纳米晶体管可在1秒钟内切换约3千亿次，一个45纳米晶体管开关一
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
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
http://v.youku.com/v_show/id_XMjQyMDAyMTUy.html
21
1纳米=10亿分之一米;或者说 1纳米=0.0000000001米
1947年贝尔实验室制造的第一个晶体管可握在手中，而英特尔制造的全新
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
10 G 1G 100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970
1965，Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番 存储器容量 每三年，翻两番
11
80486微处理器
1989年4月10日，也称为486 Intel 80486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
奔腾微处理器
1993年3月22日，也称为586，P5/P6/PM 让电脑更容易处理 “现实世界”的资料，例如语音、
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
1968年7月：Robert Noyce和Gordon
Moore从仙童(Fairchild)半导体公司 辞职,创立了一个新的企业
“Integrated Electronics ”的缩写
5
4004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
声音、书写、以及相片影像
晶体管约为310万个 早期0.5微米的制造工艺
后期0.35微米工艺
源自漫画与电视脱口秀
的Pentium
13
奔腾II微处理器
1997年5月7日，Pentium II 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
2000
2010
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）
3. 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
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
次所需时间，仅相当于以光速(每秒30万公里)穿行0.1英寸所需的时间。
22
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
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，Pentium D
ຫໍສະໝຸດ Baidu
双内核处理器，64位
90纳米技术 晶体管约为2.3亿个
17
Intel Core 2 Duo处理器
80286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
10
80386微处理器
1985年10月17日，也称为386，32位处理器 可以运行所有流行的操作系统包括Windows 晶体管约为27.5万个 晶体管距离为1微米
14
奔腾III微处理器
1999年2月26日，Pentium III 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，Pentium 4 创造出专业品质的电影，
1980
1990
2000
2010
微处理器的性能
100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 1970 1980 1990 Peak Advertised Performance (PAP) Real Applied Performance (RAP) 41% Growth Moore’s Law
8080(1974)
8086(1978)
80286(1982)
80386(1985)
80486(1989)
Pentium(1993)
Pentium II (1997)
Pentium III (1999)
Pentium IV (2000)
Pentium D (2005)
酷睿™ 2 双核(2006)
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
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
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。
31 31
32
33
半导体器件结构示意图
衬底材料（1/2）
35
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
2007 2010 2013 2016 2022
摩尔定律的极限
1. 功耗的问题
存储器工作靠的是成千上万的电子充放电实现记忆的。当芯片 集成度越来越高，耗电量也会越来越大，如何解决散热的问题 ？
2. 掺杂原子均匀性的问题
一个平方厘米有一亿到十亿个器件，掺杂原子只有几十个，怎 么保证在每一个器件的杂质原子的分布是一模一样呢？是硅微 电子技术发展遇到的又一个难题。
Federico Faggin
6
8008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
7
8080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
8
8086-8088 微处理器
1978年6月8日，8086微处理器，16位处理器 1979年6月1日，8088微处理器
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。
2
3
4
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
晶体管约为2.9万个
晶体管距离为3微米
1981年，IBM公司将8088芯片用于其研制的PC机中。
正是从8088开始，个人电脑(PC)的概念开始在 全世界范
9
围内发展起来。 从8088应用到IBM PC机上开始,个人电脑真正走进了人们 的工作和生活之中，它也标志着一个新时代的开始。
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
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
2006年7月18日 晶体管约为17.2亿个 90纳米技术
Core 2 Quad; Core 2 Extreme
18
最新Intel 处理器
Core i3 Core i5
Core i7
Microarchitecture:
Nehalem (45nm) Sandy Bridge (32nm) Ivy Bridge (22nm) Haswell (22nm)
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
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
年代
2001 2004
特征尺寸
130 nm 90 nm 65 nm 45 nm 32 nm 22 nm 10 nm
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。
45纳米晶体管仅在一个红血球细胞表面即可容纳数百个。
如果一所房子缩小为一个晶体管大小，不借助显微镜你根本无法看到这
所房子。要看到45纳米大小的晶体管，你需要借助非常先进的显微镜。
你可以在一根人类的头发宽度上摆放2000多个45纳 米晶体管。 你可以在一个针头上摆放3万多个45纳米晶体管，加起来约合150万纳米。 一个小数点(直径约为0.1毫米或10万纳米)可填入2千多个45纳米晶体管 一个45纳米晶体管可在1秒钟内切换约3千亿次，一个45纳米晶体管开关一
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
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
http://v.youku.com/v_show/id_XMjQyMDAyMTUy.html
21
1纳米=10亿分之一米;或者说 1纳米=0.0000000001米
1947年贝尔实验室制造的第一个晶体管可握在手中，而英特尔制造的全新
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
10 G 1G 100 M 10 M 1M 100 K 10 K 1K 0.1 K 1970
1965，Gordon Moore 预测 半导体芯片上的晶体管数目每两年翻两番 存储器容量 每三年，翻两番
11
80486微处理器
1989年4月10日，也称为486 Intel 80486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
奔腾微处理器
1993年3月22日，也称为586，P5/P6/PM 让电脑更容易处理 “现实世界”的资料，例如语音、
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
1968年7月：Robert Noyce和Gordon
Moore从仙童(Fairchild)半导体公司 辞职,创立了一个新的企业
“Integrated Electronics ”的缩写
5
4004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
声音、书写、以及相片影像
晶体管约为310万个 早期0.5微米的制造工艺
后期0.35微米工艺
源自漫画与电视脱口秀
的Pentium
13
奔腾II微处理器
1997年5月7日，Pentium II 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
2000
2010
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）
3. 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
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
次所需时间，仅相当于以光速(每秒30万公里)穿行0.1英寸所需的时间。
22
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
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，Pentium D
ຫໍສະໝຸດ Baidu
双内核处理器，64位
90纳米技术 晶体管约为2.3亿个
17
Intel Core 2 Duo处理器
80286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
10
80386微处理器
1985年10月17日，也称为386，32位处理器 可以运行所有流行的操作系统包括Windows 晶体管约为27.5万个 晶体管距离为1微米
14
奔腾III微处理器
1999年2月26日，Pentium III 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，Pentium 4 创造出专业品质的电影，
1980
1990
2000
2010
微处理器的性能
100 G 10 G Giga 100 M 10 M Mega Kilo 1970 1980 1990 Peak Advertised Performance (PAP) Real Applied Performance (RAP) 41% Growth Moore’s Law