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集成电路芯片制造技术与工艺研究

摘要：纵观现代信息技术社会，发展的核心依然是现代微电子科学技术，而

硅0.5导体材料依然是现代微电子科学技术的主导。大口径硅单晶片的制造是进

一步提高集成电路整合度的基石，怎样有效控制它们的点缺口和二次缺口仍将面

对重大技术挑战。超大规模集成电路的生产科学技术是一种发展的科技，唯有把

握最前沿的科技才能在国际竞争中占有国际市场。但是由于一些材料的缺乏,新

器件设计技术原理和新的0.5导体先进工艺的发展仍在探索阶段，集成电路的制

造技术水平还将继续向新的高度攀升。

关键词：集成电路芯片；制造技术；工艺研究

1集成电路的发展

1.1集成电路的研究背景

20世纪末，半导体集成电路工艺技术又有了一次重大的突破性进展，这便是

操作系统晶片的问世。操作系统晶片是把同一种电子产品操作系统在单一晶片上

完成的大型集成电路板。比如，一种把长16m的DRAM、微处理器、接口集成电路

板等单一集成化的产物。目前的SOC已经含有上万亿的电晶体，基本上已经能够

把所有电路系统的设计工作都包含在其中。而针对这种总体规模如此庞大的系统

芯片，所面临的最大技术课题便是对于“做什么”以及“怎么做”的提问。在

“做什么”中，我们首先要明白怎么能找出一个电路系统，来发挥SOC的巨大潜

力；在“怎么做”中，对于产品怎么设计和怎么制造是两个技术关键。

1.2集成电路的研究现状

首先，从整个工艺技术来看，系统芯片设计首先面对的主要问题就是高集成

化设计制造的关键技术，它可以分为工艺技术和设计技术两个方面。工艺技术可

参考标准集成化电路结构工艺技术，目前的高微细工艺已超过了0.13μm,而设计

的关键技术则是解决了数量如此庞大的晶体管怎么组成控制系统的提问。其次，

据美国国家0.5导体工业会的估计，虽然最近几年高集成度技术以每年60%的速

度增长，但由于设计人员的工作能力仍以每年20%速度增长，所以设计力量欠缺

的现实问题也将越来越严重。再次，和规范集成电路有所不同，系统芯片需要专

门处理元件间的兼容问题，这就需要将以往制作在印制电路板上的形形色色的各

种元件，包括DRAM、EEPROM、模拟集成电路、高压集成电路、小功率集成电路和

逻辑电路等整合到同一个晶片上。

2集成电路芯片的三大难题

2.1功耗危机

CMOS门电路的总功率根据充放电电流与亚阈值泄漏电流之和确定，充放电电

流可以表示为afcv2，当中a是活化率、f为频率、c是负荷电容器、v是电源电

压。由此可见，功耗与电源电压平方成正比，所以降低电压对降低功耗较为有效。

但是，电源电压的降低受到了延迟时间增长的影响。低阈值电压是克服这种问题

最有效的办法，但是将造成亚阈值泄漏电流的增加。因此，要克服这些问题，可

选择多值阈电流、可变阈电压等办法。在某一时期或对某个电路部分更改电源电

压也是克服延时和功率问题的一个办法。为完成这些设计，公司现在正重点研发

芯片上的可控式DC-DC变换器，目前已经产生了可以调节频率、电源电压等的

STRONGAM处理器。而这种新技术方案的提出，对完善EDA功能提供了全新的课题。

当电源电压下降至0.5V时，延迟特性具有真正温度特征。因此还必须警惕出现

的热损伤现象，在这方面寄生闩锁结构由于完全地消除了CMOS电路的寄生效应，

能够更有效地避免热损伤，也能够安全地减小电源电压。而另外一种技术，就是

光栅与自然本体直接相连的具有高动态阈电压的DTMOS。SOC充分利用自身的可

编程序的数据处理优点，开启了利用软件与硬件共同控制集成电路模式的新时代。

过去人们总是用延时D(Delay）与平均面积A(Area）来评价LSI设计工作的优良

程度，最近增加了功率P(Pwer）这项指标，有时也将开发周期T(Tum-AmundTime)

和可靠性R(Reliability）等用作指标。所以当工程设计人员在使用标准EDA工

具进行产品设计的时候，并不能只考虑D、A项目，也要兼顾P、T、R等项目。

2.2布线危机

小尺度化产生的另一种主要原因是，布线横截面及导线与硅的相接触面积随

比值减小因子的平方下降，从而使得布线延时增加[8]。同时由于电流密度增加，

电压迁动所导致可靠性降低的效果也更为突出。此外，多层布线还提高了设计时

间和成本。为降低布线阻抗和电流密度系数，现在也有采取非均匀分布的比值减

小方法，即膜厚度固定而路径长度降低，不过这样会