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.pdf_大学文库

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

@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

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PN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