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1、电子技术查新训练文献综述报告题 目 大规模集成电路的发展及趋势 学 号 班 级 学 生 指导教师 2012 年大规模集成电路的发展及趋势摘 要：随着集成电路技术的发展，越来越多的科学家将注意力转向了集成电路。对集成电路的性能提出了更高的要求，因此对制作集成电路工艺技术也不断在改进。本综述介绍了大规模集成电路的发展趋势，通过分析各种工艺在大规模集成电路上的应用，对大规模集成电路的发展趋势进行了展望。关键词：集成电路，大规模集成电路，工艺技术，芯片。Large Scale Integration Developments And TrendsAbstract：With the developmen
2、t of integrated circuit technology , more and more scientists pay attention to the integrated circuit. Higher performance was demanded for integrated circuit. So mainsteam process technologies for integrated circuit was described. Large scale integration developments and trends was introduced in thi
3、s paper. By analyzing application for large scale integration in varieties technologies ,the development trend for large scale integration was predicted.Key Words：integrated circuit，large scale integration，technology，chip.1 引言随着半导体工业的迅速发展，特别是大规模集成电路在较短的时间内获得飞快发展，对整个电子工业都起着推动作用。现在大部分的电子产品都需要集成电路，大规模集
4、成电路又是集成电路中的重要组成部分，在生活中你和它接触的机会太多了，计算机、电视、手机、网站、取款机等数不胜数的电子产品，而这些只是大规模集成电路应用的一小部分。除此之外在航空航天。医疗卫生、交通运输、武器装备等许多领域都离不开大规模集成电路的应用1。本文主要简述大规模集成电路技术的概况及其发展状况。2 大规模集成电路工艺技术的概况2.1 大规模集成电路工艺技术的发展电子器件经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路四代的发展历史。大规模集成电路是在集成电路的基础上发展起来的，在集成电路发展初期都是集成度较低的门电路，后来发展了多门电路和一些单个触发器，集成度逐步提高2。自从1958年美国
5、的J.Kilby做出了第一块集成电路之后，集成电路经历了小规模集成（SSI）、中规模集成（MSI）、大规模集成（大规模集成电路）、超大规模集成（V大规模集成电路），达到了今日的特大规模集成（U大规模集成电路）。大规模集成电路就是指通常指含逻辑门数为100门9999门（或含元件数1000个99999个），在一个芯片上集合有1000个以上电子元件的集成电路，不仅集成面积大，而且集成密度也提高和功能复杂化1。这就使得对大规模集成电路的工艺的要求是超细微化、超高密度化和硅圆片的大直径化。2.2 超高速大规模集成电路技术2.2.1 工艺介绍现在人们生活节奏越来越快，对信息的处理要更加的迅速和快捷，这就要
6、求各种机器设备都具有一定的智能。速度化。对大规模集成电路工作速度不断提高。2.2.1 工艺现状搞科研的大多数人都知道现在微处理器使用的时钟频率最高位数百MHz, 今年即将达到1GHz。例如日本日立公司已发展了一种超高速大规模集成电路，每门的平均传递延迟时间为1.1毫微秒，生产效率为每月10000件。每一个大规模集成单元由下列组成：10个发射极耦合逻辑（ECL）片、7个寄存器、5个数据选择器、3个算数逻辑运算器和1个同步激励器。其涂层陶瓷基底是由溅射玻璃薄膜隔离的4。怎么做才能继续不断提高时钟频率呢？这个问题关系到大规模集成电路的结构和器件的性能等。2.2.1发展趋势为了减少衬底电容、布线电容和
7、提高抗辐照性能等，高速应用的大规模集成电路大大多是采用SOI衬底片，其下面是一层比较厚的硅。实验表明，用这种衬底片制作的大规模集成电路的时钟频率可以超过1GHz。但如果时钟频率升高到10GHz时就不能正常工作了，这是由于脉冲信号波沿着大规模集成电路芯片上的引线传播时，将有一部分电磁波要渗入到SOI下面的半导体中去，使得传播的脉冲发生了畸变。然而对于SOI衬底片，加入在SOI于下面的半导体之间插入一层薄的金属膜，则用这种夹有金属薄膜的SOI衬底片来制作的大规模集成电路其时钟频率即使达到10GHz时，在芯片表明传播的脉冲也不会发生畸变。不过这时若把时钟频率再提高到20GHz时，则脉冲又出现了畸变。
8、因此，作为微处理器大规模集成电路，极限时钟频率似乎就是20GHz上下。否则只有从根本上改变大规模集成电路的结构才有可能进一步提高时钟频率5。2.3 新型MOS技术2.3.1 工艺介绍随着MOS工艺的出现，它广泛应用在大规模集成电路上。因为MOS工艺无论在存储器方面还是在逻辑电路方面都非常精巧灵活，它的关键是速度，n-沟MOS与互补MOS的制造商们在随机存储器或只读存储器方面以及类似微处理的逻辑电路方面，正在力求他们所制造的芯片具有更高的速度。提高集成度是设计大型存储器和微处理器考虑的重大问题。首要问题是获得高水平的工作性能。2.3.1 工艺现状英特尔公司又采用了缩比法进一步制成了一种新器件，称
9、为HMOS。这种器件主要是针对一种有效沟道长度为2微米、栅氧化层厚度为400埃的器件命名的。HMOS的改进主要针对的是速度，门延迟较小到400微微秒，英特尔公司还宣称，这种HMOS可以在任何HMOS生产线上进行大量生产，因为这种技术的改革是与早先的工艺相容的，只是把高速晶体管的沟长限制在2微米而已。此外，采用HMOS工艺制作4KRAM 2417H之所以可能不仅仅是通过尺寸的缩小，而且，还通过改善片选缓冲器和存储阵列的其他外围电路。N-沟MOS的另一种新工艺，它就是美国微系统公司（AMI）的V型槽MOS工艺，正在顺利发展，至少在集成度方面是有希望的。这并不是说n-沟器件的速度慢而是说集成度是n-
10、沟器件强有力的竞争区域。该公司现在生产的所有存储器比其他任何工艺制作的都要小6。 美帝班克一拉姆公司为美帝空军航空卖嵘室提供了一台微型MOS大规模集成电路静算机, 用于空对地导弹和其他小型化高性能方面的应用。此计算机为交付美帝空军使用的第一台MOS大规模集成电路静算机。该机的特点如下：全机体积为270立方时， 重量不到8磅, 被吹嘘为同类型中体积最小的计算机。具有124个集成电路片子, 每个片子上有500个晶体管, 片子尺寸为0.080.09时。该计算机采用“位片的新型逻辑设计技术，即计算机基本上按位作用组件而构成。据称该公司还准备进一步缩小这种计算机的体积，采用其特有的一种叫做“平面处理”的
11、微型封装技术后，可使全机体积减小到67立方时，重量减少到4.5磅7。2.4 大规模集成电路多层布线技术2.4.1 工艺介绍 由于高速处理信息的要求，晶体管的尺寸越来越小，集成电路的集成度也越来越高，从而每个芯片表面上的金属连线的布线几乎占满了整个表面，而且为了不增加引线的电阻，每条连线的宽度还不能太窄。因此，对大规模集成电路来说往往仅在芯片的表面布线已不可行，这就发展了所谓的多层布线技术。2.4.1 工艺现状现在用于布线的金属材料主要是铝(Al) , 用作电极接触的材料大多是接触电阻很小的金属硅化物(例如CoSi2) 9。铝虽然电导率高(仅次于金、银和铜) , 但是在淀积成膜时、以及在大电流工
12、作时，往往容易出现断裂现象。因此,近年来也广泛地采用着不易产生断裂现象的钨(W)来作布线金属。钨薄膜可以用WF6和SiH4通过化学反应来淀积(钨薄膜与SiO2之间需要用TiN来过渡);而且结合精密的化学机械抛光(CMP)，可以把钨薄膜条平整地埋设在SiO2层中10。在大规模集成电路芯片中，因为布线的总长度很长，则布线用的金属材料的电导率是很关紧要的，它直接关系到大规模集成电路工作的电流容量。从这一点来看，金、银和铜是比较好的布线材料。其中金,由于昂贵，而且微细加工比较困难，因此只有在超高速等特殊的场合下才使用。至于银，由于其薄膜在被加热时容易凝聚成团，不便用于连线。铜具有比较高的抗电迁移性能，
13、其容许电流密度高(比铝的约大2个数量级)，虽然它容易氧化,而且气相腐蚀也比较困难，然而这些问题均可以通过化学机械抛光)埋设电极的技术来加以解决; 因此,铜将是比较理想的布线金属材料。预期在线条尺寸小于0118Lm的大规模集成电路中, 将会采用铜来作为布线金属。在芯片上布线必将带来一定的寄生电容。为了减小这种寄生电容,芯片上的绝缘膜应当采用介电常数比SiO2还小的介质材料(SiO2的介电常数为319)。实际上,寻求适合于大规模集成电路的导电性好的布线材料和介电常数低的绝缘材料,正是深亚微米(DSM)工艺技术中的一个重要研究方向。现在已经开始试用的低介电常数绝缘材料有SiOFx，其介电常数为310
14、 316。介电常数更低的聚四氟乙烯等塑料薄膜(介电常数为210215)也在被考虑之中11,但是由于其导热性能差，目前尚未付诸试用,不过将来似乎也有可能被采用。对多层布线的大规模集成电路,还存在有一个散热问题。假若大规模集成电路工作时所产生的热量在多层绝缘膜之间散发不出来,则必将导致大规模集成电路的性能下降,甚至损坏。不过幸好在多层布线中引线较多,热量一般可以通过引线孔来传送出去9。但值得注意的是,在那些引线孔比较少的地方,还必须开设专门的传热通孔,并且要在其中填充能导热而不导电的材料(例如AlN)以达到散热的目的。2.4.1 工艺发展趋势目前所实现的多层布线已达到45层，总长度达到数百米。预计
15、10年后，随着集成电路的进一步发展，将达到8层布线，总长度达数千米。2.5 系统大规模集成电路技术的发展2.5.1 工艺介绍随着多媒体机器和个人电脑的普及, 自然对大规模集成电路就提出了如下的要求: 把不同性质的器件和电路都做到同一个芯片上去而构成一个系统, 这就是系统大规模集成电路, 或者称为系统集成芯片(SOC)。对于SOC,主要是从三个方面来考虑集成: 一是以MPU(微处理器)为核, 再集成存储器、控制电路等;二是以DSP(数字信号处理器)为核, 再集成相关的电路;三是从功能和性能要求出发,设计、制作专用的系统标准产品(ASSP)10。现在,实际的系统大规模集成电路往往是采用把逻辑电路、存储器和模拟电路等一起制作在同一个芯片上的技术, 即所谓混载技术。在系统大规模集成电路中, 由于集成规模的增大和一些特殊效应的出现, 就对设计、制造工艺和封装技术等提出了更高的要求。除了需进一步把线条做得更加微细以外, 还必须降低功耗,这就要求降低电源电压(现在已经能从5伏降至215伏, 乃至118伏)和减小寄生电容(采用SOI衬底片等);同时, 还要在提高工作速度上特别加以考虑。此外,系统大规模集成电路的实现, 还必须借助于复杂的计算机辅助设计(CAD)技术和优良而精密的封装技术12。2.5.1 CAD
