上海交通大学：《材料科学与工程前沿》课程教学资源（案例讲座）微电子材料与产业

圈上汗天大￥ 圈上汗久大学 我国电子制造受制于人的现状 微电子材料与产业 “中兴通讯事件”虽以10亿美元 罚款+4亿美元保证金的代价暂时 平息，但从中暴露出中国在一些 李明 关键核心技术上受制于人的现状， 莫进口禁止出芯片给中兴圆讯 材料科学与工程学院 值得我们反思。 如何我国在高端技术制造方 面解决一些卡脖子问题，相关基 芯片进口 一第一部分微电子产业 驶研究方面要先行一步， ,第二部分芯片制造 >我国近年进口芯片达2500亿 第三部分电子封装 美元，远大于原油进口 原油进口 (1700亿美元)： 因上汗大大多 因上大学 人类社会发展的必然趋势一信息化 三次工业革命 100 第三次工业革命 远河 大 微 50 祥交通 铁器交通 道交通 信惠通讯 第二次工业革命 第次工业革命 电机 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 燕汽机 1760 190081950￥ 图1 三次工业苹命进程 圈上洋天大￥ 因上泽天大学 信息化社会必然催生出信息产业 信息产业构成 中精然授纪青餐路整结大产业。关 信息产业 200 信惠产业 因特网 。计算机 ) 150 信息的处理与 银行管理 。手机 汽车工业 电子商务 ·电视机 100 的体与传 整修 % 铁工业 应用款件 电产品 设计 制造 1990 1995 2000 2005 1

1 微电子材料与产业 李 明 材料科学与工程学院 第一部分 微电子产业 第二部分 芯片制造 第三部分 电子封装 我国电子制造受制于人的现状  我国近年进口芯片达2500亿 美 元 ， 远 大 亍 原 油 进 口 （1700亿美元）； 原油进口 芯片进口 我国近年芯片与原油进口对比 美国进口禁止出售芯片给中兴通讯 “中兴通讯事件”虽以10亿美元 罚款+4亿美元保证金的代价暂时 平息，但从中暴露出中国在一些 关键核心技术上受制亍人的现状， 值得我们反思。 如何我国在高端技术制造方 面解决一些卡脖子问题，相关基 础研究方面要先行一步。 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 100 50 人类社会发展的必然趋势—信息化 三次工业革命 150 50 100 200 0 1990 1995 2000 2005 信息产业 汽车工业 钢铁工业 市场规模（百亿美元/年） 2005年，全球信息产业近2万亿美元，已成为全球最大的产业。其 中微电子制造（IC）达5千亿美元，约占信息产业的25%。 信息化社会必然催生出信息产业 信息产业构成 信息产业 应用软件 电子产品  因特网  银行管理  电子商务 等等  计算机  手机  电视机 等等 设计 制造 信 息 的 载 体 与 传 输 信 息 的 处 理 与 应 用

因上汗大程 圈上汗《大多 人类社会未来发展趋势 电子信息技术是人工智能化的基础 气器 除国“工业4.0° 电子信息技术正在引领产业智人， 882 日幸日本产业蛋插计智”与机罐人新位暗” 产2人 e = 中国”中国通2025 0星线害线 n进一少发最 厦eAO ©上洋元大学 圈上汗天《大学 信息化的重要性 人体中的两大系统 神经系统（高度发达） 人体 执行暴宫 感加琴官 喷一吃喝、表达 神经人 鼻一呼吸 神经 ·耳一听觉 。血液循环系统： 网络 大窗 网络 眼视觉 手一动作 喷—味觉 能量供给、供热散热 ·脚一动作 鼻一觉 营养供给、度物排放 皮肤触觉 ·神经网络系统 僧愿湘◆ 控制肌肉活动 血液系统（与劝物类似） 协调组织器官 血管网路 血管网络 接受外来情报 测知环境变化 窗上汗大子 因上泽天大学 徽电子产品涉及的材料非常复杂 >电子产品的解剖 电子产品是智能化商品 一信意系统、、 执行系统 情报收集 感知系统 。发光 信息德存 。光惠 发声 信意处理 发热 ·信惠滑令 声信点 电 腹喜人 入信喜入 嘉信息 电磁波 能量 鼬量 压力 运动 位移 E-QOLDvolce 化学反应 能量系航 化学环境 。能量供给 、·散热聚 仍然包含两大系统 2

2 人类社会未来发展趋势 Feature sizes of PCBs 电子信息技术正在引领产业智 能化革命 移动终端市场: 高端多媒体 智能手机 / 便携式媒体播放器 高密度固态 存储 & µ卡 计算市场: 笔记本电脑 /模数互连器件MID ‘connectivity’ devices 消费市场: 游戏 / 图形 应用 程序引擎 工业市场:高性 能计算/ 网络, 服务器 消费市场:高性能数码相机 无线市场: 连接 / 网络中 心 医疗 军事 & 航空 交通: 自动驾驶， 火 车，混合动力汽 车/电动汽车 新能源市场: 光伏发电，风力发 电… 电信:电源 供应… 工业市场 1970 通孔技术 1980 表面贴合设 备 1990 CSPs BGAs SiPs 2000 WLCSP SiPs进一步发展 覆晶BGA PoP 2010 3DIC TSV Fan-Out WLCSP 铜凸块 2020 3D系统集成 高密度存储 大功率器件 光电传输/转换 柔性电子 2030 电子信息技术是人工智能化的基础  血液循环系统： 能量供给、供热散热 营养供给、废物排放  神经网络系统 控制肌肉活动 协调组织器官 接受外来情报 测知环境变化 人体 信息化的重要性  嘴—吃喝、表达  鼻—呼吸  手—动作  脚—动作  耳—听觉  眼—视觉  嘴—味觉  鼻—嗅觉  皮肤—触觉 大脑 执行器官 神经系统（高度发达） 感知器官  情报收集  信息储存  信息处理  信息指令 心脏 血液系统（与动物类似）  营养输送  供热散热  垃圾处理 神经 网络 神经 网络 血管网络 血管网络 人体中的两大系统 微电子产品涉及的材料非常复杂 电子产品是智能化商品  发光  发声  发热  电  电磁波  运动  化学反应  光信息  声信息  电磁信息  热信息  压力  位移  化学环境 大脑 心脏 信息系统 执行系统  情报收集 感知系统  信息储存  信息处理  信息指令 能量系统  能量供给  散热系统 信息 能量 信息 能量 仍然包含两大系统 电子产品的解剖

因上汗大程 因上济汽大亭 电子产品核心一集成电路 集成电路基本单元一MOS三极管 集成电略 期由叠极(V2) 性 业题道（电于能道） 502随旅康 Vz=时 。品体管（脑细胞） 。电路（神经网路） 很与漫限具 二极管、三极管 各种布线、各种互连 明出源授(V)1 多件5轻授 t引出圈最(vd) source 由于NPA射的作用 无略过。 Vg>,但较小时 服每.的 界圆岗产生正孔的 黄甜 substrate V>0,且较离时 高度巢成 题餐时P.s的界 司l应息 （电子道）， ©上泽文大号 ©上汗汽《大多 电子互连在微电子产品中的作用 电路的形成一多层布线与互连 工诸作用 机帐连树电气连接尺寸过视散格两道 Solder Plated Lead Au Wire PCB PCB Solder Paste Solder Ball Solder Joint PCB ubstrate SolderPaste 因上洋天大子 圈上手天大学 电子封装中的各种互连 印刷线路板上的各种互连 明线框架型，引线糖合 球漏阵列，明，使合 QN,引线M合 球廉阵列，芯片侧装，凸点健合 停缘苍片铜黄，凸点使台 3

3 电子产品核心—集成电路  晶体管（脑细胞） 二极管、三极管 集成电路  电路（神经网络） 各种布线、各种互连 高度集成 Vg Vs Vsub Vd 特 性 Vg = 0时 源极与漏极间， 由于NPN结的作用 无电流通过。 Vg > 0，但较小时 栅极与P-Si的 界面间产生正孔的 空乏层，无电流通 过。 Vg > 0 ，且较高时 栅极与P-Si的界 面间形成电子富集 层（电子隧道）， 源极与漏极连通， 电流通过。 引出漏极（Vd） drain P-Si 多晶体-Si栅极 SiO2 绝缘膜 引出栅极（Vg） gate N-Si 源极 N-Si 漏极 基极（Vsub） substrate 引出源极（Vs） source N型隧道（电子隧道） Vg Vs Vd 集成电路基本单元—MOS三极管 Chip DIE Chip PCB PCB Solder Plated Lead Substrate Au Wire Solder Paste Solder Ball Solder Joint 互连作用 电子互连在微电子产品中的作用 电路的形成——多层布线与互连 N-Well P-Well P+ P+ N+ N+ Met 1 Met 2 Met 3 Met 4 Met 5 Met 6 6kA SIN 10kÅ HDP Chip PCB Substrate Au Wire Solder Paste 电子封装中的各种互连 带载，芯片倒装，凸点键合 球珊阵列，芯片倒装，凸点键合 球珊阵列，引线键合 引线框架型，引线键合 QFN，引线键合 DIP PGA QFP、SOP BGA 印刷线路板上的各种互连

圈上泽大大学 圈上汗久大学 >电子产品 (集成电路)制造技术 微电子制造前道工程—芯片的制造 佳井制滤 举导体芯片 品体管前速与互违7.500钠米 电于封装 封辣体内互连10.506量米 印则板上组装 蒸板上五连50300撤米 仪警设各粗黄 仪设各内互走100心撒米 因上泽汽大号 圈上汗天《大学 微电子制造后道工程一芯片的封装 印刷线路板上的组装 品 QFP/BGA等 牌菜印 贴口再焊 表面贴装法 2色 再瓷条件 2354.51.1050 完成后 引脚 2400 窗上汗大子 因上泽天大学 中国徽电子产业分布比例 整个微电子技术的构成 17%设计 33%芯片制造 5500 可靠性评价技术 微电子技术 芯片封装技术 电青心金。换拉分所 (硬件部分) L 设备等组装技术 各种应用软件技术 电路板组装技术 F机.电解，DWD 老米：02-5m 位息变理、程中机： 50%电子封装与测试 4

4 晶体管制造与互连 7-500纳米 封装体内互连 10-500微米 基板上互连 50-300微米 仪器设备内互连 1000微米 半导体芯片 仪器设备组装 电子封装 印刷板上组装 硅片制造 电子产品（集成电路）制造技术 微电子制造前道工程——芯片的制造 微电子制造后道工程——芯片的封装 印刷线路板上的组装 焊浆印刷 贴 装 再 流 焊 QFP/BGA等 电路基板 再流条件 235+-5℃,10sec 表 面 贴 装 法 插 装 波峰焊 完成后 焊料环流 DIP等 电路基板 液态焊锡温度 約240℃ 引 脚 插 入 法 中国微电子产业分布比例 17% 设计 33% 芯片制造 50% 电子封装与测试 集成电路的设计 各种元器件的设计 硅圆制造技术 单晶硅、多晶硅 化合物半导体 微电子技术 （硬件部分） 芯片制造技术 纳米级尺寸：5-500nm 芯片封装技术 微米级：20-500μm 电路板组装技术 毫米级：0.2-5mm 可靠性评价技术 电气、散热、应力疲劳 材料匹配、模拟分析 各种应用软件技术 信息处理、程序编辑、 设备等组装技术 手机、电脑、DVD等 整个微电子技术的构成

因上汗大程 因上济汽大等 微电子制造与材料的关系 微电子制造技术的特点 幕件原理 芯片制造 ·基本眼速与结构 ·光刘与薄膜制接拉术 ◆是一门将产品如何做小、做精的学问； ·半导体材料及特性 。大马士草铜互连技术 属于多学科交叉，需要掌握广泛的背景知识 ◆虽对材料有特殊要求，但材料基础是相通的 器件原理 芯片制商 c 徽电子材料 。技术发展速度快，新技术不断涌现 电子封装 可靠性 。对制造环境与材料可靠性有特殊要求 电子封装 可靠性 ·封装结构与功能 ·失效与树料的关系 制造工艺与材料物性 。可性测试技术 ©上汗天大号 圈上汗大摩 微电子产业的特点 微电子产品的商品寿命短 ◆电子产品的商品寿命短 在半导体产业中，由于商品寿命的缩短，与 通 技术含量高、对人才依赖性强 其他产业相比，开发新产品的技术力量将是企业 ◆对材料及产品的可靠性要求高 发展的命脉，对人才的需求更加迫切。 ◆生产环境要求高 0.5年 设备投资大、产业链长、工序多 品陶 =1-1.5年 ◆做的越小越好 ◆周期性发展 一般商品 电子产品 窗上汗大子 因上泽天大学 技术含量高、对人才的依赖性强 对材料及产品的可靠性要求高 NEC 半导体级高纯度硅： 10.000 (99.999999999%) ●制备治金级Si(98%) 8.000 ●提纯 6,000 ●拉单晶 4,000 13亿日元人-10万人民币人 2.000 2.0004.0006.0008.000 1亿日元约等等人民币 5

5 器件原理 芯片制造 A B 可靠性 D 电子封装 C 微电子材料 器件原理  基本原理与结构  半导体材料及特性 电子封装  封装结构与功能  制造工艺与材料特性 芯片制造  光刻与薄膜制造技术  大马士革铜互连技术 可靠性  失效与材料的关系  可靠性测试技术 微电子制造与材料的关系 微电子制造技术的特点  是一门将产品如何做小、做精的学问；  属于多学科交叉，需要掌握广泛的背景知识  虽对材料有特殊要求，但材料基础是相通的  技术发展速度快，新技术不断涌现  对制造环境与材料可靠性有特殊要求 微电子产业的特点  电子产品的商品寿命短  技术含量高、对人才依赖性强  对材料及产品的可靠性要求高  生产环境要求高  设备投资大、产业链长、工序多  做的越小越好  周期性发展 在半导体产业中，由于商品寿命的缩短，与 其他产业相比，开发新产品的技术力量将是企业 发展的命脉，对人才的需求更加迫切。 微电子产品的商品寿命短 一般商品 电子产品 技术含量高、对人才的依赖性强 技术人员数 1995年销售额（亿日元） 1.3亿日元/人=910万人民币/人 1亿日元约等于700万人民币 对材料及产品的可靠性要求高 半导体级高纯度硅： (99．999999999％) 制备冶金级Si（98％） 提纯 拉单晶

因上汗大程 上泽汽道大学 电子互连需要解决大量的材料问题 铅的毒性 涉及的材料问思 :是一种极难代谢的物质，由清 2 化道吸收的船大的有86沉积在红 。无毒无客问题一Green Materials 血球上然后再沉积到人的骨酶 中 。侧须现象一Whisker 船中毒表现为成劳、失眠、神臣 。电迁移现象一Electromigration 过、头痛、清化不奥注状， ·黑盘现象一Black pad 会严黑影响儿虚大脑的发育，造 成智商（红Q)下降，行为喊形。 ·幅变现象 -Creep 古代罗马贵族由于不知铅的毒性， 。低介电材料一Low-K Materials, 使用了大量的含铅物质。如贴船 皮的新，船制水池，水管等。 血中铅濃度(gd) ·界面反应- -Interface reaction 天在古罗马人的遗骨中发现其 7岁儿整智商(IQ)与血中铅 ·耐冲击性 -shock resistance 含阳浓度大大超过了正常遗骨， 旅度的关系 有人推测这可能是古罗马帝国捷 南素败的意要原因。 他：典m0 avid emoff Research ©上泽大多 Sn系无铅焊料的晶须问题 Sn须曾经造成的事故 害故错米 纯S是最理想的可焊性，层，但一般纯S血箴层存在的 用场合 最大问愿一晶须(Whisker)现象 屋疗氧城 心脏起海器S品领造成短路，致使起搏器输出完全失效。导政相关产品回 军事颗城 F-15 混装电路中纯sn镀层上的sn品须造成知路 美国某导弹计划 在雅电客的纯S皱层上发残品领 美国某导弹计划 Phocnix空对空导弹 混装电路中纯sn缓层上的Sn品须迹知路 元件州出端纯sn是上发现Sn品领 航天顺塘 GALAXY I 继电客表面纯sn层的Sn品领造成短路导政卫型操作完全失效 圈上汗大子 因上泽汽大学 制造环境要求高 静电发生例 环境要求 静电电压(V) 1.无尘 普电发生 老片制造 塑度10-20% 湿度40-60% 整全盖于10个m3 塑料版上行捷 12000 250 粉生每于1000个a 贵料用料捷 7000 600 ■度20-25℃ 4060% 发袍将垫的将子 18000 1500 脑尘浓 的静电 站在澈速板上的操 6000 100 静电电压不高于IV 作工人大 1C生产环境要求静电电压不高于100V 6

6 电子互连需要解决大量的材料问题 涉及的材料问题  无毒无害问题——Green Materials  锡须现象——Whisker  电迁移现象——Electromigration  黑盘现象——Black pad  蠕变现象——Creep  低介电材料——Low-K Materials，  界面反应——Interface reaction  耐冲击性——shock resistance  ------- 铅的毒性 7岁儿童智商（IQ）与血中铅 浓度的关系 出处：美国David Sernoff Research Center  铅是一种极难代谢的物质，由消 化道吸收的铅大约有85%沉积在红 血球上，然后再沉积到人的骨骼 中。  铅中毒表现为疲劳、失眠、神经 过敏、头痛、消化不良等症状。 会严重影响儿童大脑的发育，造 成智商（IQ）下降，行为畸形。  古代罗马贵族由于不知铅的毒性， 使用了大量的含铅物质。如贴铅 皮的酒杯，铅制蓄水池，水管等。 今天在古罗马人的遗骨中发现其 含铅浓度大大超过了正常遗骨。 有人推测这可能是古罗马帝国走 向衰败的重要原因。 Sn系无铅焊料的晶须问题 纯Sn是最理想的可焊性镀层，但一般纯Sn镀层存在的 最大问题—晶须（Whisker）现象 Sn须曾经造成的事故 应用场合 事故描述 医疗领域 心脏起搏器 Sn晶须造成短路，致使起搏器输出完全失效，导致相关产品召回 军事领域 F-15 混装电路中纯Sn镀层上的Sn晶须造成短路 美国某导弹计划 在继电器的纯Sn镀层上发现晶须 美国某导弹计划 TO-3封装晶体管的纯Sn表面镀层上生长晶须导致短路，进而 导致发出错误指令 Phoenix空对空导弹 混装电路中纯Sn镀层上的Sn晶须造成短路 Patriot导弹Ⅱ 元器件引出端纯Sn镀层上发现Sn晶须 航天领域 GALAXY Ⅳ 继电器表面纯Sn镀层的Sn晶须造成短路导致卫星操作完全失效 环境要求 1. 无尘 芯片制造： 粉尘低于10个/m3 电子封装： 粉尘低于1000个/m3 2. 恒温恒湿： 温度20-25℃ 湿度40-60% 3. 穿防尘衣 4. 防静电 静电电压不高于100V 制造环境要求高 静电发生例 静电发生 静电电压（V） 湿度10-20% 湿度40-60% 塑料板上行走 12000 250 资料用塑料袋 7000 600 发泡椅垫的椅子 18000 1500 站在涂漆板上的操 作工人 6000 100 IC生产环境要求静电电压不高于100V

因上汗大程 因上许家《大多 静电防止方法 设备投资大、产业链长、工序多 方法1：铺设导电性地板 ●保守估计：1条8寸线10亿美元，12寸线15亿美元 保持一定湿度 ●一套掩模版~1百万美元 ·芯片制造大约需要400道工序 方法2：穿静电防止鞋 导电性地根 方法3：带静电防止链 深禁外光刻机：>4000万美元 高电流离子注入机：>2百万英元 ©上汗久大多 因上汗天大学 尺寸上追求小、功能上追求大 本章小结 Feature Size and Wafer Size 一电子产品与制造是信惠的蒙体、是信惠化社女的盖石 Chip >撒电子产品的基本构成：氯成电略 or die Chip made with 0.35 um ,制造主要围统漏体管（幽细胞）及其电互连（神经网络） 一撒电子制造过程：芯片制造与电子封装 with 0.25 um 撒电子制造迪求目标：低成本、轻小化与多功能 technology 200m >撤电子削造的基本特点：找术、环境、精度、可馨性，周期性 with 0.18 um technology 因上汗家大是 因上泽入道大多 第1个晶体管的诞生 微电子材料与产业 1947.12.23点接触式品体管 By Bardeen Brattain ·第一篇关于品体管的文章 李明 Br Webster's "The transistor,a semiconductor triode 材料科学与工程学院 (品体管，一个半号体三级管) "Transistor =transfer resistor, 一第一部分微电子产业 (品体管=传输+电阻) 上第二部分芯片制造 Transferring electrical signal across a resistor 一第三部分电子封装 (经过一个电阻传输点信号) 7

7 方法1: 铺设导电性地板 保持一定湿度 接地 导电性地板 方法2: 穿静电防止鞋 静电防止方法 接地 方法3: 带静电防止链 保守估计：1条8寸线10亿美元，12寸线15亿美元 一套掩模版～1百万美元 芯片制造大约需要400道工序 设备投资大、产业链长、工序多 深紫外光刻机: >4000万美元 高电流离子注入机：>2百万美元 Feature Size and Wafer Size Chip made with 0.35 mm technology with 0.25 mm technology with 0.18 mm technology 300 mm 200 mm 150 mm Chip or die 尺寸上追求小、功能上追求大 本章小结 电子产品与制造是信息的载体、是信息化社会的 基石 微电子产品的基本构成：集成电路 制造主要围绕晶体管（脑细胞）及其电互连（神经网络） 微电子制造过程：芯片制造与电子封装 微电子制造追求目标：低成本、轻小化与多功能 微电子制造的基本特点：技术、环境、精度、可靠性，周期性 微电子材料与产业 李 明 材料科学与工程学院 第一部分 微电子产业 第二部分 芯片制造 第三部分 电子封装 第1个晶体管的诞生  1947.12.23 点接触式晶体管 By Bardeen & Brattain  第一篇关于晶体管的文章 Br Webster’s “The transistor, a semiconductor triode” （晶体管，一个半导体三级管）  “Transistor =transfer + resistor, （晶体管＝传输+电阻） Transferring electrical signal across a resistor” （经过一个电阻传输点信号）

@上泽充道大￥ 因上汗入大￥ 第1个集成电路的发明 第1个在Si单片上实现的集成电路 J.Kilby 第一个S1单片电略C“微芯片” 集成电略之父 4千2百万个最体管、 2000 Nobel物题奖 尺寸：224mm2 by R.Noyce (Fairchild,IC 技术创始人之一) 1958.9.12发明了第1 个HC"Solid Circuit" 距高晶体管发明已经过去11年，wy? ©上序文丝大多 圈上泽文大￥ IC芯片中晶体管（脑细胞）数目 1C快速发展强烈依赖材料与技术研发 From SSI to VLSI/ULSI 晶体管数目 集成度提高一新工艺技术 ·1998-2007SoC/SLSL,纳米尺度CMOS 。小规模集成电略(SS 2-30 *Cu和Low-k互连技术 。中规模集成电略(MS 30-103 High-k栅氧化物 ●大规模集成电略(LS) 103-6 *绝缘体上SOL,etc 。超大规模集成电路VLSl:Very Large)t 1057 ●2008- 。甚大规模ULSl(Ultra Large) 107-9 2001 2005 2007 209 ·极大规模SLSl(Super Large) >109 。巨大规模(GS:Gigantic/Giga) 70nm 30nm 0.13pm proces 65nm procea ©上济天道大华 因上泽道大多 莫尔定律 莫尔定律的有效性—延续至今 Moore's Law 芯片上晶体管（脑细胞）尺寸随时间不断缩小的规律 10.000.c00d00 。Intelf创始人Gordon Moore MODRE'S LAW 义 ·1965年提出 集成电路的集成度，每18-24 个月提高一倍 ·1960以来，Moore定律一直 有效 10,a00 经星星是是整墨整是建程面星堂 1171 05 Cah'Elesasin地其恤意nl度st 8

8 第1个集成电路的发明 第1个IC 锗衬底，台式结构、2个晶体管、2个电容、 8个电阻，黑蜡保护刻蚀，打线结合 4千2百万个晶体管、 尺寸：224mm2 J. Kilby Intel P4  集成电路之父  2000 Nobel 物理奖  1958.9.12发明了第1 个IC“Solid Circuit” 距离晶体管发明已经过去11年，why？ 第一个Si单片电路IC-“微芯片” by R. Noyce (Fairchild, IC 技术创始人之一) 第1个在Si单片上实现的集成电路 From SSI to VLSI/ULSI  小规模集成电路(SSI) 2-30  中规模集成电路 (MSI) 30-103  大规模集成电路 (LSI) 103-5  超大规模集成电路(VLSI: Very Large ) 105-7  甚大规模ULSI(Ultra Large) 107-9  极大规模SLSI(Super Large) >109  巨大规模(GSI: Gigantic/Giga) 晶体管数目 IC芯片中晶体管（脑细胞）数目  1998- 2007 SoC/SLSI, 纳米尺度CMOS *Cu 和 Low-k 互连技术 *High-k 栅氧化物 *绝缘体上SOI, etc  2008- 集成度提高---新工艺技术 IC快速发展强烈依赖材料与技术研发 Moore's Law Gordon Moore, “Cramming More Components Onto Integrated Circuits”, Electronics, Vol. 38, No. 8, April 19, 1965. 莫尔定律  Intel创始人Gordon Moore  1965年提出  集成电路的集成度，每18-24 个月提高一倍  1960 以来，Moore定律一直 有效 芯片上晶体管（脑细胞）尺寸随时间不断缩小的规律 莫尔定律的有效性——延续至今

@上泽充道大￥ ©上汗入大多 莫尔定律 特征尺寸 莫尔定律 特征尺寸 集成度提高一倍，特征尺寸*0.7 2001 2005 2007 2009 ·特征尺寸是指器件中最小线条宽度，为技术水平 的标志 对0S器件而言，通常指器件情电极所决定的为 20nm 15nm 道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸 70nm 30nm 也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则） 0.13um process 65nm process 32nm process 缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能/ 价格比最有效手段之一 。M0S尺寸缩小 g onuenza wir信 ©上序文丝大多 圈上泽久美大￥ 导体、半导体、绝缘体 本征半导体 草元减半甲体：S引、G:、S等，外壳电子致为 本征半导体： 纯停的单元藏半导体硅、领，以及够 化合物钟号体Ga、GaP.InAs,ZnSe等， 一聚由B束黄粗成的化合物。 价化合物半导体GaAs、GaN等， 氧化酶率●体4Za0、Mn0、Mn0、CrO 本征半导体的导电机通： 0,T0、C,0、Sa0.s 在疆度非常低的条件下，最外层价电 电阻率的影响因康，素国、鲨度、光、销构候暗 性 子被束薄得很廉，几乎无自由电子被空穴 存在，散本征半导体在低下的电阻率很 是体（童属） 坐导体 地缘体 高，变为始嫌体。 有 大石 在受热戒光佩射的条件下，价电于被 撒发而成为自由电于，同时产生等教量的 带正电荷的空穴。这数自由电子和空穴在 外界电场的作用下渗动而形成电。 01011811110110o ●一束博电于，●一自由电于，●一电于空穴 电题章们am列 ©上济天道大华 因上泽夫大多 掺杂物半导体 PN结与二极管的特性与构造 型半导体： PN结：PN Junction. 二最管：Diode 向本征半导体中参杂少量的价电子数 为5的N族元素，则可获得自由电子，面 电于方肉 成为N(Nae)型半体，N型半导体 方青 的导电住主要馨自由电子的移动来克成。 P型半导体： 向本在半导体中参杂少量的价电子数 为3的表元家，则可产生空大，而成为P :赞 (Positiv型半导体，P型半体的导电 :实 性主要靠空孔的的移动来克成， 蓝速特性： 当向PN轴由P向N方向施加反向电匠时，PN轴合部位将出现空 ●一束缚电子，●一自由电子，●一电于空穴 9

9 莫尔定律——特征尺寸  特征尺寸是指器件中最小线条宽度,为技术水平 的标志  对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟 道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸  也是设计采用的最小设计尺寸单位（设计规则）  缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能/ 价格比最有效手段之一 集成度提高一倍，特征尺寸*0.7  MOS尺寸缩小 莫尔定律——特征尺寸 导体（金属） 半导体 绝缘体 铜 铁 硅 锗 大理石 玻璃 橡胶 电阻率 导体、半导体、绝缘体 单元素半导体：Si、Ge、Sn等，外壳电子数为 4的C族元素 化合物半导体：GaAs、GaP、InAs、ZnSe等， 一般由B和N族组成的化合物。 氧化物半导体：ZnO、MnO2、MnO、Cr2O3、 NiO、TiO2、Cu2O、SnO2等 电阻率的影响因素：杂质、温度、光、结构缺陷 本征半导体 本征半导体： 纯净的单元素半导体硅、锗，以及等 价化合物半导体GaAs、GaN等。 本征半导体的导电机理： 在温度非常低的条件下，最外层价电 子被束缚得很紧，几乎无自由电子或空穴 存在。故本征半导体在低温下的电阻率很 高，变为绝缘体。 在受热或光照射的条件下，价电子被 激发而成为自由电子，同时产生等数量的 带正电荷的空穴。这些自由电子和空穴在 外界电场的作用下移动而形成电流。 ● —束缚电子，●—自由电子， ● —电子空穴 掺杂物半导体 N型半导体： 向本征半导体中掺杂少量的价电子数 为 5 的N族元素，则可获得自由电子，而 成为N（Negative）型半导体。 N型半导体 的导电性主要靠自由电子的移动来完成。 P型半导体： 向本征半导体中掺杂少量的价电子数 为 3 的B族元素，则可产生空穴，而成为P （Positive）型半导体。 P型半导体的导电 性主要靠空孔的的移动来完成。 ● —束缚电子，●—自由电子， ● —电子空穴 PN结与二极管的特性与构造 整流特性： 当向PN结由P向N方向施加反向电压时，PN结合部位将出现空 乏层，电流无法导通（图左）。但施加正向电压时，自由电子和空 穴会顺利移动而形成电流。这就是PN结二极管重要的整流特性。 电子的移动方向 空穴的移动方向 PN结：PN Junction, 二极管：Diode 电子 空穴 电子 空穴

上泽京大 因上汗汽是 PN结的应用 NMOS型场效应三极管 电流整流器 赞性 离 a)内=O:源极与漏极间，由于NPN结的作用无电流适过. 电至光转换 将9蕊·赞都的界问形统电子富黄层电子凭面。 出() 面爱光 T鳗道（电子道） 502地蜂度 光至电转换 隆 光伏太阳能电池 ED题明 trate ©上洋克丝大多 圈上泽文大￥ PMOS型场效应三极管 场效应晶体管工作原理 赞性 2.由于空孔的动速度于电子故动作度比NMOS慢，应用胶心. 电子迁移率=1350cm2N5,空迁移率=480c㎡2N5 由板() 工数增（空乳量道） S0,随膜 酬出康() 出(Vd) 率格-5督兼 橱的作用类似与水闸的闸门 N-SI 三载(Vb) 因上汗美大华 因上泽道大多 CMOS型晶体管一并联式MOS型场效应管 CMOS型晶体管一并联式MOS型场效应管 CMOS:Complemetary Metal-Oxide Semiconductor 将PMOS和NMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化 a 物半导体技术，也就是CMOS技术 PMOS 现为 b)当给入电压高时，NMOS导进， 主要特点为功耗低，是集成电路中被广泛采用的基本回路 PMO5不号通，给出电压为低0V, 表现为0。 出 出电压 COs的入的出前性 Polycide gate and local 54321 NMOS 12345轴入电压 CMOS Inverter 10

10 电至光 转换 电发光原理：正负电在半导 体P-N节处相遇，产生光子 而发光 光至电 转换 光伏太阳能电池 LED照明 光发电原理：光子照射到P￾N节，产生电流，产生电力 PN结的应用 电流整流器 偏置隔离 NMOS型场效应三极管 特 性 a) Vg = 0：源极与漏极间，由于NPN结的作用无电流通过。 b) Vg > 0：且较高时，栅极与P-Si的界面间形成电子富集层（电子隧道）， 源极与漏 极连通，电流通过。 引出漏极（Vd） drain P-Si 多晶体-Si栅极 SiO2 绝缘膜 引出栅极（Vg） gate N-Si 源极 N-Si 漏极 基极（Vsub） substrate 引出源极（Vs） source N型隧道（电子隧道） Vg Vs Vsub Vd 特 性 1. 与NMOS动作相反，当Vg ＜ 0 ，且绝对值较大时，栅极与N-Si的界面间形成 空孔富集层（空孔隧道），源极与漏极连通，电流才能通过。 2. 由于空孔的移动速度低于电子，故动作速度比NMOS慢，应用较少。 电子迁移率=1350cm2/V·S， 空孔迁移率= 480cm2/V·S Vg Vs Vsub Vd 引出漏极（Vd） drain N-Si 多晶体-Si栅极 SiO2 绝缘膜 引出栅极（Vg） gate P-Si 源极 P-Si 漏极 基极（Vsub） substrate 引出源极（Vs） source P型隧道（空孔隧道） PMOS型场效应三极管 栅 的 作 用 类 似 与 水 闸 的 闸 门 场效应晶体管工作原理 CMOS：Complemetary Metal-Oxide Semiconductor CMOS型晶体管—幵联式MOS型场效应管 5V Vs 输 出 输 入 PMOS Vs NMOS 1 2 3 4 5 3 2 4 5 1 CMOS的输入输出特性 输入电压 输 出 电 压 a) 当输入电压低时，NMOS不导通， PMOS导通，输出电压为高5V，表 现为[1]。 b) 当输入电压高时， NMOS导通， PMOS不导通，输出电压为低0V， 表现为[0]。  将PMOS和NMOS做在同一集成电路上就形成了互补型金属氧化 物半导体技术，也就是CMOS技术  主要特点为功耗低，是集成电路中被广泛采用的基本回路 CMOS型晶体管—幵联式MOS型场效应管 Metal 1, AlCu P-Epi P-Wafer P N-Well -Well PMD p + p + n + n + W Metal 1 P-well Polycide gate and local interconnection STI N-well CMOS Inverter