03-微电子芯片技术

11）所能加工的最小线宽；2）晶片直径；3）DRAM（动态随机存储器）所储存的容量。复习1，评断集成电路的发展状况的几个指标：21，小尺寸器件会带来哪些问题，如何解决？复习器件尺寸缩小，导致短沟道效应。〉〉多晶硅栅极由单掺杂发展为双掺杂。带来pMOS中B的渗透问题。〉〉SiNxOy能有效克服。较大介电常数，低漏电密度和高抗老化击穿。器件尺寸进一步缩小，导致栅绝缘介质隧穿电流的出现。〉〉高K栅介质材料以增加栅介质厚度。3复习3微电子芯片最重要的CMOS结构中，各功能部分所用材料。1）衬底材料：单晶硅片；衬底材料是制备微电子元件的基础。2）栅极结构：由多晶硅或其它难熔硅化物来制备。3）npn晶体管：由源极，漏极和栅极组成。是集成电路中最重要的器件，可以实现基本的逻辑功能；4）浅槽隔离：一般通过离子刻蚀来制备沟槽，然后覆盖一层热氧化层SiO2。主要功能是隔开相邻的晶体管；5）绝缘介质层：一般由SiO2来制备。栅绝缘介质层和栅电极一起对源极和漏极之间的沟道起控制作用；6）源极或漏极：一般由Al和Cu等金属来制备，要求其和芯片能够形成欧姆接触，有小的串联电阻。41）介电常数k比Si3N4(k7)大的材料称为高介电常数材料。随着特性尺寸的减少，需要用合适的高介电常数材料传统的电容介质材料二氧化硅以减少介质层厚度增加电容。大k值介电材料可以用于制造非易失铁电随机存取存储器(FeRAM),如钛锆铅(PZT)或钽锶铋(SBT)。2）k值比SiO2（k3.9）小的材料称为低介电常数材料。使用低介电常数材料替代传统的绝缘材料二氧化硅，使得连线之间难于传递电压；复习4，高，低介电常数介质材料的定义与功用。5诺贝尔物理奖2012年●法国物理学家塞尔日·阿罗什●美国物理学家戴维·瓦恩兰，以表彰他们在量子物理学方面的卓越研究。瓦恩兰困住带电原子或离子，通过光或光子来控制和测量它们；而阿罗什却让原子通过一个陷阱，从而控制和测量被困光子和光的粒子。2011年●美国天体物理学家萨尔·波尔马特●美国/澳大利亚物理学家布莱恩·施密特●美国科学家亚当·里斯。通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀。2010年●英国科学家安德烈·海姆●康斯坦丁·诺沃肖洛夫。在石墨烯材料方面进行卓越研究。2009年●英国华裔科学家高锟。光学通信方面取得突破性成就。●美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。发明半导体成像器件电荷耦合器件(CCD)2008年●美国科学家南部阳一郎。发现次原子物理的对称性自发破缺机制。●日本科学家小林诚、利川敏英。发现对称性破缺的来源。2007年●法国科学家阿尔贝·费尔●德国科学家彼得·格林贝格尔。发现“巨磁电阻”效应6§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7半导体存储器有两大体系：易失性存储器，例如SRAM和DRAM，在没有电源的情况下都不能保存数据。但拥有高性能，易用等优点。非易失性存储器，像EPROM,EEPROM和FLASH，能在断电后仍保存数据。但由于所有这些存储器均起源自只读存储器(ROM)技术,所以它们都有不易写入的缺点。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/半导体存储器PROM：可编程存储器。EPROM：紫外线擦除的可编程只读存储器。这种芯片可以擦除的次数有限。FLASH：闪速存储器，它和EPROM类似，写上去的东西也可以擦掉重写，但它要方便一些，不需要光照了，只要用电学方法就可以擦除，所以就方便许多，而且寿命也很长。8U盘是USB盘的简称，采用Flash芯片存储的，Flash芯片属于电擦写电门。在通电以后改变状态，不通电就固定状态。所以断电以后资料能够保存。1999年朗科研发出全球第一款USB闪存盘，成功启动了全球闪存盘行业。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/半导体存储器与传统的电磁存储技术相比有许多优点:存储信息的过程中没有机械运动,这使得它的运行非常的稳定。不存在类似软盘,硬盘,光盘等的高速旋转的盘片,所以它的体积往往可以做得很小。朗科公司“用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法及其装置”（专利号：ZL99117225.6；美国专利号US6829672。）9信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料SiO2是传统的电容介质材料（dielectric）DRAM(DynamicRandom-AccessMemory)动态随机存储器电容绝缘介质层材料；高介电常数的氧化物铁电材料NVFRAM(Non-VolatileRandomAccessMemory)非挥发性的铁电随机存储器是指断电后仍能保持数据的一种RAM。大介电常数材料，使电容器电介质可维持其“坚固”的厚度，又能提供有效的电荷存储，尽管其面积和存储电压在继续下降。C=.S/dSiO2介电率为3.9；PZT介电率1300。10所有的DRAM基本存储单元都是由一个晶体管和一个电容组成。大量存储单元组成存储矩阵。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/DRAM的单元电容的状态决定着内存基本存储单元的逻辑状态：充满电荷的电容器代表逻辑“1”；“空”的电容器代表逻辑“0”。晶体管控制电容空或满。一个存储单元只能存储一位二进制数码“1”或“0”，11信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/DRAM的结构示意图钝化材料金属连线电容介质金属连线硅化物位线铁电层MOS输入信号线是字线输出信号线是位线12铁电存储器（FRAM）产品将ROM的非易失性数据存储特性和RAM的无限次读写、高速读写以及低功耗等优势结合在一起。FRAM第一个最明显的优点是可以跟随总线速度写入，无须任何等待时间。FRAM的第二大优点是近乎无限次写入。FRAM的第三大优点是超低功耗。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/铁电存储器FRAM13铁电性：电极化规律具有复杂的非线性，并且撤去外场后能保留剩余极化，这种性质叫铁电性。铁电体：具有铁电性的电介质，如钛酸钡陶瓷、酒石酸钾钠单晶。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/铁电体材料自发极化特性，且自发极化方向可随外加电压而转向，即使关断电源，其极化方向也不会改变；只有加上反向电压后，极化方向才能被改变。14由于铁电材料具有自发极化，利用外电场作用下自发极化的转向可以做成铁电存储器。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/铁电体材料高介电常数可以做电容器的介质材料，这样可以增加电容，即电容可以存储更多的电荷。电滞回线磁滞回线15当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，断电后数据能够继续保存。铁电存储器技术和标准的CMOS制造工艺相兼容。铁电薄膜被放置于CMOS基层之上，并置于两电极之间，使用金属互连并钝化后完成铁电制造过程。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/铁电体材料FeRAM使用的铁电体材料大体分为两类,Pb(Zr,Ti)O3(PZT锆钛酸铅)和(Sr,Ba)TiO3(SBT钛酸钡锶)。PZT可在低温下生产,产生的电荷量大,而SBT则可实现低耗电。智能IC卡？16信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/铁电体材料电信号控制极化状态17信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/铁电体存储器18每个存储单元由两个MOS管和两个铁电电容组成，为2T2C型单元信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.4存储电容材料/铁电体存储器19信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.5局域互连材料集成电路內部器件之间，以及集成电路与外界的联系，全靠一些金属或具金属电导特性的薄层来传输电流讯号。這些导电薄层主宰了集成电路的运行速度。电阻愈小，电流讯号的延迟便愈短，集成电路的速度也便愈快；同时，热耗散也愈小，器件可以更紧密排列，集成度提高。20集成电路內部器件之间的互连材料通常称为局域互连材料。早期多采用多晶硅。集成电路与外界的联系的互连材料一般采用金属互连材料。Al是目前集成电路工艺中最常用的金属互连材料。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.5局域互连材料/互连类型互连的类别：芯片内互连、芯片间互连长线互连中等线互连短线互连21信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.5局域互连材料/互连类型金属互连（Ti/Al（Cu）/TiN钨接触枢纽局域互连：硅化物中等线互连：W22金属硅化物是由金属和硅组成的化合物，很多呈金属导电特性。低电阻；高温稳定性；高的电子迁移率阻抗；离子注入法合成硅化物是近十年才发展的技术。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.5局域互连材料/金属硅化物随着集成度的提高，多晶硅的电阻率较高，接触和局域互连成了影响电路速度的重要因素。导体：WSix、TiSi2、Ti、W、Poly（多晶硅）23信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.5局域互连材料/自对准金属硅化物“自对准金属硅化物”制程的主要流程在栅极、源极与漏极都镀上金属硅化物的制程称为“自我对准金属硅化物制程”（Self-AlignedSilicide），通常简称salicide制程。24钨插塞（TungstenPlug）主要利用金属W具有极佳的阶梯覆盖能力。可以制作接触孔与通孔。钨插塞在多重金属化制程上的应用及其结构信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.5局域互连材料/钨插塞25导体是电子线路中的基本组成之一，它的主要功能是：进行电源分配和信号传输；连接电子电路中的芯片电阻、电感、电容等元器件。在当代超大规模集成电路中，导体通常以高密度的互连体结构出现。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求2.6金属互连材料目前，互连线已经占到芯片总面积的70～80%；且连线的宽度越来越窄，电流密度迅速增加。26信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.6金属互连材料/铝互连第一代互连技术是以铝互连技术为代表。铝连线易沉积，易刻蚀，工艺成熟。0.18μm以上铝互连占主流，是最常用的金属互连材料。但Al连线也存在一些比较严重的问题：电迁移严重电阻率偏高浅结穿透等芯片中的导线密度不断增加，导线宽度和间距不断减小，互联中的电阻（R）和电容（C）所产生的寄生效应越来越明显。铝互连已不能胜任。27电致迁移（Electromigration）溅镀沉积的铝，经适当的退火之后，通常以多晶形式存在，当铝传导电流时，由于电场的影响，铝原子将沿着晶粒界面而移动，这一现象称为电致迁移。铝线因电致迁移而产生的断路情形信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.6金属互连材料/铝互连28因此在深亚微米工艺中（0.18μm及以下），铜将逐步代替铝成为硅片上多层布线的材料。铜与传统的铝及其合金相比,优点：较低的电阻率（Cu,1.68μΩ·cm；A1,2.66～4.0μΩ·cm）；更好的抗电迁移能力；更高的熔点（1358℃），更高的热传导系数（Cu：398W/m；A1：238W/m）。缺点：易氧化；与介质层的粘结性差；铜易扩散进入硅与二氧化硅形成铜与硅的化合物,影响器件的可靠性；硅扩散入铜将增加铜的电阻率。信息功能材料§2.微电子芯片技术发展对材料的需求§2.6金属互连材料/铜互连29铜薄膜的淀积主要