6.4-微电子材料与芯片

资源丰富
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集成电路：
Integrated Circuit，缩写IC
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
SO2，NO2， Cl2 酸性雨
鉛含有飲料 水
含铅电子垃圾
土壌汚染 铅污染地下水
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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）
运算速度
每秒几千次 每秒几十万次
特点
体积大，造价昂贵 体积小、成本低
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
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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%
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电 、光 、 声 、 热 、 磁 力 等 外 界 信 号 的 采 集 —各 种 传感器
信息输 入与模/ 数传输
信 息 处 理
信息输 出与数/ 模转换
信息存储
执 行 器 、 显 示 器 等
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
第一代 第二代 第三代
元件
电子管 晶体管 集成电路
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 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
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。
-0.1 -0.2
-0.3 -0.4
因特尔创始人：戈登.摩尔
3 3
增长 销售额
数据来源：WSTS, Dataquest (2004.3)
过去和现在的比较
晶体管 晶体管 电容 电阻
配线
印刷版
占用面积只有原来的四亿分之一
(简称SOC)
电路(IC)的设计思想是 IC设计与制造技术水平的提高， 不同的，它是微电子技 IC规模越来越大，已可以在一个 术领域的一场革命。 芯片上集成 108~109个晶体管
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将整个系统集成在 一个微电子芯片上
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
A Vdd B Out
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
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
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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）
武器装备
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
大机器加工 小机器，小 机器加工微 机器 用微电子加 工技术 MEMS系统
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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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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
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SOC与IC组成的系统相比，由于SOC能够综合并 全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
摩尔定律：
204 177 217 102
265
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
246 240
77
'84 '85 '86 '87 '88 '89 '90 '91 '92 '93 94 '95 '96 '97 '98 '99 '00 '01 '02 '03 '04 '05 '06 '07
日本 韩国 中国台湾 中国大陆
引线框架型
ＱＦＮ（ Quad Flat Non-Leaded Package ） ＱＦＰ（ Quad Flat Package ）
BGA型
ＢＧＡ（ Ball Grid Array ） FC-BGA（ Flip Chip BGA ）
µ BGA
CSP（ Chip Scale Package ）
6
6
引线框架型封装材料
同样功能所需要的晶体管数目可以有数量级的降低
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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
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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
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
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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。
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
视频 接口
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
在需求牵引和技术 推动的双重作用下
集成 分 立 电路 元 I C 与集成 件 系统芯片(SOC)
系统芯片
System On A Chip
栅介质层Tox <1纳米 多晶硅 隧穿效应 SiO2的性质
?
量子隧穿模型 高K介质
栅介质层
n+ 源
栅 Tox 漏 n+ L
沟道长度 L<50纳米
电子输运的 渡越时间～ 碰撞时间 杂质涨落
?
?
介观物理的 输运理论
p 型硅 NMOSFET
器件沟道区中的杂 质数仅为百的量级
统计规律 新型栅结构
带间隧穿 反型层的 量子化效应 可靠性 … ...
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八十年代的电子系统设计
PE
系统
Math Controller
L2
IO
MEM
Bus
Graphics
• PCB集成 • 工艺无关
集成电路芯片
•亚微米级工艺 •依赖工艺 •基于标准单元互连 •主流CAD:门阵列
标准单元
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世纪之交的系统设计
I/O Interface
PCI Interface
VRAM
从顶层向下
X光铸模+压 塑技术 (LIGA) 微系统
微机械
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
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 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
Motion Processor Core
•深亚微米、超深亚
Glue
Graphics
LAN Interface
DSP Processor Glue Core
MPEG
SCSI
Encryption/ Decryption
MEMORY Cache/SRAM or even DRAM
微米级工艺 •基于IP复用 •主流CAD：软硬件协 同设计
?
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
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集成电路走向系统芯片
卫星 /电缆
解调/纠错
IBM CPU
DRAM
SOC
传输 反向多路器 DRAM MPEG解码
SCI IEEE1284 GPIO ,etc
STBP
第二代 第三代 将来
DRAM
声频 接口
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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
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。
芯 片 导电性粘接剂
金 线
金属引线 芯片 封装树脂
塑封树脂
金属衬底 外腿
内腿
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引线框架
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BGA型封装的材料
金丝 芯 片 塑封树脂
焊 球
BGA基板
与引线框架型封 装不同的地方
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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
晶体管
电容
Al配线
氧化层
电阻
多晶硅 单 4 晶 硅
扩散层
集成电路组成材料
金属： Al，Cu，Au SiO2 P型硅 N型硅 多晶硅 最基本的NMOS单元 其它：有机材料、封装陶瓷、塑料等
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封装体的主要类型
ＤＩＰ（Dual Inline Package） ＳＯＰ（ Small Outline L-Leaded Package ）
SnPb Plated Lead
DIE
Chip
PCB BT (Bismaleimide Triazine) Substrate Solder Paste
9
PCB
Solder Ball
9
Solder Joint
铅的危害
Pb+1/2O2→PbO PbO+H2SO4→PbSO4+H2O PbO+HNO3→Pb(NO3)+H2O PbO+2HCl→PbCl2+H2O
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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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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全球IC市场发展状况
$300 $250 $200 $150 $100 销售额（B US$） $50 $0 -$50 -$100 -$150 -$200 26 21 26 33 55 60 45 49 51 144 132 137 126 149 139 141
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。
集成电路中电子部件的典型硅结构
13ห้องสมุดไป่ตู้
集成电路的发展
1958年Texas Instruments 的 第一块集成电路。 Jack Kilby 设计与制作了
20世纪60年代，双极型晶体管占据集成电路市场的主要