第四章 微纳制造技术_1概述.ppt

1,第四章微纳制造工艺,补充内容：微电子工艺,2,什么是微电子学微电子学的战略地位晶体管的发明集成电路的发展历史集成电路的分类微电子学的特点,第一章微电子概述,3,微电子学：Microelectronics微电子学微型电子学，是研究，利用对微尺度下固体中电子运动的控制，实现对电磁信号进行高速处理的高度集成化的电子科学。核心集成电路,4,集成电路IntegratedCircuit，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,5,集成电路芯片的显微照片,6,64MSDRAM（华虹NEC生产）芯片面积5.899.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管,7,集成电路的内部单元,8,沟道长度为0.15微米的晶体管,栅长为90纳米的栅图形照片,9,50m,100m头发丝粗细,30m,1m1m(晶体管的大小),3050m(皮肤细胞的大小),90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较,10,15年（19972012）IC发展预测,11,集成电路设计与制造的主要流程框架,12,制造业,芯片制造过程,13,硅单晶片与加工好的硅片,14,封装好的集成电路,15,微电子科学技术的战略地位,16,自然界和人类社会的一切活动都在产生信息。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，是人类社会、经济活动的重要资源。社会的各个部分通过网络系统连接成一个整体，由高速大容量光线和通讯卫星群以光速和宽频带地传送信息，从而使社会信息化、网络化和数字化。,微电子：信息社会发展的基石,17,19802000年全球国民生产总值及汽车、电子、半导体、钢铁工业产值对比,18,在信息经济时代，产品，以其信息含量的多少及处理信息能力的强弱，决定着附加值的高低决定着在国际经济分工中的地位,19,几乎所有的传统产业与微电子技术结合，用集成电路芯片进行智能改造，都可以使传统产业重新焕发青春全国各行业的风机、水泵的总耗电量约占了全国发电量的30%，仅仅对风机、水泵采用变频调速等电子技术进行改造，每年即可节电500亿度以上，相当于三个葛洲坝电站的发电量(157亿度/年)对白炽灯进行高效节能改造，并假设推广应用30%，所节省的电能相当于三座大亚弯核电站的发电量(139亿度/年),微电子对传统产业的渗透与带动作用,20,电子装备更新换代都基于微电子技术的进步，其灵巧（Smart）的程度都依赖于集成电路芯片的“智慧”程度和使用程度,微电子对传统产业的渗透与带动作用,21,微电子对国家安全与国防建设的作用,武器装备水平与社会生产力、经济基础有密切关系在农业社会：大刀长矛等冷兵器；在工业化社会：枪、炮等热兵器信息化社会：IC成为武器的一个组成元，电子战、信息战,22,微电子对国家安全与国防建设的作用,23,微电子对信息社会的重要性,INTERNET基础设施各种各样的网络：电缆、光纤(光电子)、无线.路由和交换技术：路由器、交换机、防火墙、网关.终端设备：PC、NetPC、WebTV.网络基础软件：TCP/IP、DNS、LDAP、DCE.INTERNET服务信息服务:极其大量的各种信息交易服务:高可靠、高保密.计算服务:“网络就是计算机!”,“计算机成了网络的外部设备!”,24,2020年世界最大的30个市场领域：其中与微电子相关的22个市场：5万亿美元（NikkeiBusiness1999）,微电子产业的战略重要性,25,我国微电子行业的发展,中国科学院软件所倪光南院士指出，中国集成电路的发展方向是搞系统芯片和与之相配的嵌入式系统软件。目前在世界上系统芯片虽然还没有形成规模，但嵌入式系统软件发展非常快，从事嵌入式系统软件开发的人员也越来越多，这也给将来系统芯片的发展打下了良好的基础。,26,中国有关集成电路发展的政策,27,微电子科学和技术的发展历史,28,电子时代,世纪年代：晶体管时代Bell实验室，Ti公司，多种晶体管替代真空管世纪年代：工艺技术IC开始，小规模IC,工艺通用性，专业供应商，公司激增世纪年代：竞争中规模集成至超大规模，批加工手工操作，成品率低，微处理器发明，需求激增，日本的竞争，半自动操作，费用昂贵，业界合作，急需标准化。世纪年代：自动化日本竞争导致美国规范行业，设备和材料供应商协会成立，强调自动化。世纪年代：批量生产CD至1微米以下，甚大规模集成电路时代，高度自动化,29,晶体管的发明,理论推动19世纪末20世纪初发现半导体的三个重要物理效应光电导效应光生伏特效应整流效应量子力学材料科学需求牵引：二战期间雷达等武器的需求,30,晶体管的发明,1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.BrattainBardeen提出了表面态理论，Schokley给出了实现放大器的基本设想，Brattain设计了实验1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管1957年仙童半导体公司制造第一个商用平面晶体管,31,1947年12月23日第一个晶体管NPNGe晶体管W.SchokleyJ.BardeenW.Brattain,获得1956年Nobel物理奖,真空管和晶体管,32,晶体管的三位发明人：巴丁、肖克莱、布拉顿,33,集成电路的发明,1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer（达黙）第一次提出了集成电路的设想：他设想按照电子线路的要求，将一个线路所包含的晶体管和二极管，以及其他必要的元件统统集合在一块半导体晶片上，从而构成一块具有预定功能的电路。1958年以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。使用一根半导体单晶硅制成了相移振荡器，这个振荡器所包含的4个元器件已不需要用金属导线相连，硅棒本身既用为电子元器件的材料，又构成使它们之间相连的通路。,34,1958年第一块锗集成电路：TI公司的Kilby，12个器件，Ge晶片,获得2000年Nobel物理奖,35,1961年仙童公司的罗伯特诺伊斯发明了第一块硅集成电路,罗伯特诺伊思，Intel的创立者之一，解决了金属互连问题。,36,1962年，德州仪器为“民兵-I”型和“民兵-II”型导弹制导系统研制22套集成电路。这不仅是集成电路第一次在导弹制导系统中使用，而且是电晶体技术在军事领域的首次运用。到1965年，美国空军已超越美国宇航局，成为世界上最大的集成电路消费者。,37,微电子发展史上的几个里程碑,1962年Wanlass、C.T.SahCMOS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IBM的Dennard单晶体管DRAM1971年Intel公司微处理器计算机的心脏,目前全世界微机总量约6亿台，在美国每年由计算机完成的工作量超过4000亿人年工作量。美国欧特泰克公司认为：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,38,第一台通用电子计算机：ENIACElectronicNumericalIntegratorandCalculator1946年2月14日MooreSchool，Univ.ofPennsylvania18,000个电子管组成,大小：长24m，宽6m，高2.5m速度：5000次/sec；重量：30吨；功率：140KW；平均无故障运行时间：7min,39,第一个CPU：4004，10微米工艺，2300个晶体管，108KHz,40,PentiumIIICPU芯片,350nm工艺,1993年奔腾出世，CPU开始跨入纳米时代,800nm;500nm;350nm;,奔腾含有310万个晶体管.,41,不断提高产品的性能价格比是微电子技术发展的动力集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍，这就是摩尔定律,微电子发展的规律,42,Intelco-founderGordenMoorenoticein1964Numberoftransistorsdoubledever12monthswhilepricekeepingunchangedSloweddowninthe1980stoevery18months（集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小倍）Amazinglystillcorrect,likelytokeepuntil2010.,微电子发展的规律摩尔定律,43,英特尔4004微处理器,第一个在公开市场上出售的计算机元件,4004微处理器的计算能力其实并不输于世界上第一台计算机ENIAC(电子数字积分计算机)，但却比ENIAC小得多。ENIAC使用了18000个真空管，占据了整个房间,1969年，英特尔公司的工程师泰德-霍夫,44,微处理器的性能,100G10GGiga100M10MMegaKilo,19701980199020002010,导入期,MooresLaw,成熟期,45,MooresLaw,IntelsVersion,46,ICScales,47,RoadMapSemiconductorIndustry,48,FeatureSizeandWaferSize,0.13um,49,Intel首款45nm工艺处理器即将诞生,Intel首款45nmPenryn处理器QX9650,Penryn双核心版本内建4.1亿个晶体管，四核心则有8.2亿个晶体管,50,微电子技术是近50年来发展最快的技术微电子技术的进步,按此比率下降，小汽车价格不到1美分,FromS.M.SZE,51,集成电路分类,52,集成电路分类,集成电路的分类器件结构类型集成电路规模使用的基片材料电路形式应用领域,53,按器件结构类型分类,双极集成电路：主要由双极晶体管构成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NMOSPMOSCMOS(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,优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低,功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高,54,55,按集成电路规模分类,集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）,56,57,按结构形式的分类,单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路,58,按电路功能分类,数字集成电路(DigitalIC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路模拟集成电路(AnalogIC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电路线性集成电路：又叫做放大集成电路，如运算放大器、电压比较器、跟随器等非线性集成电路：如振荡器、定时器等电路数模混合集成电路(Digital-AnalogIC)：例如数模(D/A)转换器和模数(A/D)转换器等,59,集成电路的分类,60,微电子的特点,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,1m106m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。微电子学是信息领域的重要基础学科,61,微电子的特点,微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与