02-微电子芯片技术
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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。
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信息功能材料>> §2. 微电子芯片技术发展对材料的需求 >
§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。
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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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
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。
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
其主要特点： 特征尺寸越来越小 芯片尺寸越来越大 单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快 电源电压越来越低 布线层数越来越多 I/O引线越来越多
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§2.1 概述/需要创新和重点发展的领域
➢ 基于介观和量子物理基础的半导体器件的输运理论、 器件模型、模拟和仿真软件。 ➢ 新型器件结构。 ➢ 高k栅介质材料和新型栅结构。 ➢ 电子束步进光刻、13nmEUV光刻、超细线条刻蚀。 ➢ SOI、GeSi／Si等与硅基工艺兼容的新型电路。 ➢ 低K介质和Cu互连以及量子器件和纳米电子器件的 制备和集成技术等。
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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。
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§2.1 概述/晶体管的发展历史
2006年7月27日：英特尔双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英 特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。 2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65 纳米制程四核处理器和另外两款四核服务器处理器,含有5.8亿多个晶体管。 2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。 采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。
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
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
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。
§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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§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
2
§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
3
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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。
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
8
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§2.1 概述/微处理器
8080
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。
1
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。
§2.1 概述/微电子发展史上的几个里程碑
1962年Wanlass、C. T. Sah-CMOS技术, 现在集成电路产业中占95% 以上
1967年Kahng、S. Sze-非挥发存储器
1968年Dennard -单晶体管DRAM
1971年Intel公司微处理器-计算机的心脏 目前全世界微机总量超过10亿台。全世界微机的年销售量已经超 过一亿台。
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)。
ST(Strontium Titanate)
TiN
TiN/Ti
ห้องสมุดไป่ตู้
Cu/TiN
Metals
Cu
W
Si3N4
PtSi2 CoSi2 TiSi2 MoSi2 TaSi2
Silicides
Polysilicon Al SiO2 Si
1970
1980
1990
2000
2010
Pentium
PentiumPro
80486
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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。
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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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
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。
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
其主要特点： 特征尺寸越来越小 芯片尺寸越来越大 单片上的晶体管数越来越多 时钟速度越来越快 电源电压越来越低 布线层数越来越多 I/O引线越来越多
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§2.1 概述/需要创新和重点发展的领域
➢ 基于介观和量子物理基础的半导体器件的输运理论、 器件模型、模拟和仿真软件。 ➢ 新型器件结构。 ➢ 高k栅介质材料和新型栅结构。 ➢ 电子束步进光刻、13nmEUV光刻、超细线条刻蚀。 ➢ SOI、GeSi／Si等与硅基工艺兼容的新型电路。 ➢ 低K介质和Cu互连以及量子器件和纳米电子器件的 制备和集成技术等。
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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。
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§2.1 概述/晶体管的发展历史
2006年7月27日：英特尔双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿多个晶体管，采用英 特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生产。 2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌面电脑的65 纳米制程四核处理器和另外两款四核服务器处理器,含有5.8亿多个晶体管。 2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和金属栅极。 采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理器。
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
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
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。
§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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§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
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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。
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
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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。
§2.1 概述/微电子发展史上的几个里程碑
1962年Wanlass、C. T. Sah-CMOS技术, 现在集成电路产业中占95% 以上
1967年Kahng、S. Sze-非挥发存储器
1968年Dennard -单晶体管DRAM
1971年Intel公司微处理器-计算机的心脏 目前全世界微机总量超过10亿台。全世界微机的年销售量已经超 过一亿台。
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)。
ST(Strontium Titanate)
TiN
TiN/Ti
ห้องสมุดไป่ตู้
Cu/TiN
Metals
Cu
W
Si3N4
PtSi2 CoSi2 TiSi2 MoSi2 TaSi2
Silicides
Polysilicon Al SiO2 Si
1970
1980
1990
2000
2010
Pentium
PentiumPro
80486