1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上1 微電子技術發(fā)展方向21世紀初微電子技術仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術為主流；隨著IC設計與工藝水平的不斷提高，系統(tǒng)集成芯片將成為發(fā)展的重點；并且微電子技術與其他學科的結合將會產生新的技術和新的產業(yè)增長點。1.1 主流工藝硅基CMOS電路硅半導體集成電路的發(fā)展，一方面是硅晶(圓)片的尺寸愈來愈大，另一方面是光刻加工線條（特征尺寸）愈來愈細。從硅片尺寸來看，從最初的2英寸，經過3英寸、4英寸、5英寸、6英寸發(fā)展到當今主流的8英寸。據有關統(tǒng)計，目前世界上有252條8英寸生產線，月產片總數高達440萬片，現在還在繼續(xù)建線。近幾年來又在興建12英寸生產線，硅晶片直

2、徑達12英寸（300mm），它的面積為8英寸片（200mm）的2.25倍。1999年11月下旬，由Motorola與Infineon Technologies聯合開發(fā)的全球首批300mm晶片產品面市。該產品是64M DRAM，采用的是0.25µm工藝技術，為標準的TSOP封裝。據介紹，300mm晶片較200mm晶片，每個芯片的成本降低了30%40%。到目前，已經達到量產的12英寸生產線已有6條，它們是：（1）Semiconductor 300公司，位于德國德累斯頓，開始月產1500片，由0.25µm進到0.18µm。（2）Infineon公司，位于德國德累斯頓，0

3、.14µm，開始月產4000片。（3） TSMC公司，位于我國臺灣新竹， Fab12工廠生產線，由0.18µm進到0.15µm以至0.13µm，開始月產4500片。    （4）三星公司，位于韓國，Line 11生產線，0.15/0.13µm，開始月產1500片。    （5）Trecenti公司，位于日本那珂N3廠，月產能7000片，0.15/0.13µm。（6）Intel公司的D1C廠，開始月產4000片，0.13µm。此外，已經建廠，開始試投的也已有9條線；正

4、在建的有4條線。采用12英寸晶片生產的IC產品，據報道已有：韓國三星公司批量生產512M內存（DRAM）；美國Altera公司在臺灣TSMC公司加工生產可編程邏輯器件（PLD），采用0.18µm技術；美國Intel公司在2001年3月份宣布，在當年采用0.13µm技術建12英寸生產線量產CPU。其余各線主要做存儲器電路,DRAM、SRAM或Flash。在光刻加工線條（特征尺寸）方面，如前所述，在主流0.25µm技術之后，已有0.18µm、0.15µm以至0.13µm技術連續(xù)開發(fā)出來并投入使用。據報道，韓國現代電子公司在2001年底前，

5、將其下屬的4家工廠的工藝技術由0.18µm提升至0.15µm，生產存儲芯片。其競爭對手三星電子公司和美光科技公司目前已經有半數芯片采用0.15µm技術。臺灣威盛率先在2001年采用0.13µm工藝生產微處理器產品，但其C3系列仍屬于P產品。Intel和AMD公司市面上產品普遍仍采用0.18µm的技術，但Intel在2002年1月7日發(fā)布了采用0.13µm工藝生產出運算頻率突破2GHz的Northwood核心P4處理器產品，4月又公布了2.4GHz產品。這樣，Intel仍然穩(wěn)坐技術領先的地位。在日本，NEC和日立合作于2000年8月率先

6、推出全球第一塊采用0.13µm的256M DRAM。2001年日本東芝和富士通與臺灣華邦合作，推出0.13µm堆疊式1G DRAM，2002年計劃提升到0.11µm。日本五大半導體廠商正在聯合開發(fā)0.1µm以下工藝制造技術。2001年8月，美國應用材料公司的設備已可制造出技術水平為0.10µm（100nm）的電路，在制造工藝技術上也有新的突破。美國德州儀器公司正采用0.10µm技術制造模擬和數字電路?？傊?，0.10µm（100nm）乃至0.04µm（40nm）的器件已在實驗室中制造成功，研究工作已進入亞0.10&#

7、181;m階段。美國Intel公司將加速新一代0.09µm（90nm）處理器技術的開發(fā)工作，計劃在2003年上半年發(fā)布其0.09µm處理技術，該處理技術基于銅互連、低K介質和其他的一些性能上。而且該公司又開發(fā)成功一種新型晶體管技術，將使CPU集成度達到目前的25倍，可集成10億只晶體管，將使運行速度達到目前的10倍，工作頻率達到20GHz。這種CMOS晶體管結構稱為Depleted Substrate Transistor，采用的柵極長度為15 nm，其柵極絕緣膜采用了高介電常數的新型材料，將通常的SiO2換為ZrO2或Ae2O3等新材料，通過在絕緣層上的超薄硅層內制作晶體

8、管來提高開關速度，稱它為Intel Tera Hertz晶體管，計劃于20062010年投產的CPU中使用。據稱Intel的這項技術具有“革命性意義”。在提高晶體管響應速度和降低耗電量及發(fā)熱量方面，它的開發(fā)成功將再次打破阻礙摩爾法則繼續(xù)存在的瓶頸。1.2 SOC技術系統(tǒng)集成芯片早在10年前，半導體廠商就開始探討系統(tǒng)集成芯片（SOC）技術，英文為System on Chip，多數SOC產品可以采用純CMOS工藝制造，但是真正的SOC能力要求面向系統(tǒng)的技術，不僅要整合CMOS、雙極器件、非揮發(fā)性存儲器、電源（動態(tài)絕緣柵型場效應管）等基本功能技術，而且系統(tǒng)本身還應融合兩種以上的基本功能技術。美國Lu

9、cent公司微電子部對SOC定義為如下的半導體器件或產品：它在單個硅片或套片上捕捉或實現系統(tǒng)級的知識和專門技術。單個芯片具有如下的功能：數字信息，微處理器和微控制器核心；數字邏輯（包含知識產權核心和定制邏輯）；精度模擬電路；相關的存儲器（如SRAM 或Flash塊）；原型動力（可編程核心）。SOC是IC設計能力第四次階躍，把已有優(yōu)化的子系統(tǒng)甚至系統(tǒng)級模塊納入到新的系統(tǒng)設計之中，實現系統(tǒng)芯片集成，以IP復用為基礎。實際發(fā)展中有兩點值得注意。一是DSP已融為SOC技術大廈之關鍵。用于無線電話、高速Modem和各種其他的電子產品的DSP芯片，正重新改造用作SOC技術的關鍵部件。另一是嵌入式超大規(guī)模集

10、成電路是實現SOC的一種重要解決方案。嵌入式IC主要包括嵌入式微控制器/微處理器（MCU/MPU）和嵌入式現場可編門陣列（FPGA ），而32位嵌入式MCU/MPU漸成主流產品。2000年全球SOC芯片的市場銷售量已經達到4億塊，銷售額達到80億美元，比1999年增長31%。SOC將成為IC設計業(yè)發(fā)展的大趨勢，其市場平均年增長率將超過30%，預計到2005年，全球SOC市場的銷售量將達到14億塊，市場需求額將是280億美元。1.3 微電子與其他學科結合誕生新的技術增長點1.3.1 MEMS和MOEMS技術MEMS微機電系統(tǒng)，英文是Micro Electro Mechanical Systems

11、。這是一種體積非常小、重量非常輕的機電一體化產品，其量度以微米為單位。MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的完整的微型機電系統(tǒng)。主要包含微型傳感器、執(zhí)行器和相應的處理電路三部分。它是源于硅微細加工技術，是微電子、材料、機械、化學、傳感器、自動控制等多學科交叉的產物?，F在又出現MOEMS微光機電系統(tǒng)，即微光學電子機械系統(tǒng)。它是在MEMS的基礎上又增加了光學部件。美國是研究開發(fā)MEMS最早的國家，早在20世紀60年代就開始研究。以往MEMS技術一直主要用于軍事領域。經過近20年的技術發(fā)展，MEMS開始在消費類電子產品領域內大量投產，進入家電領域。目

12、前，國外已開發(fā)成功硅基和非硅三維MEMS多種產品。由于硅基MEMS生產工藝與集成電路制作技術相兼容，成本低，性能高，體積微小，所以成為其開發(fā)主流。產品有慣性傳感器、壓力傳感器，通信用MEMS元器件、微型光機電器件等。MEMS可應用于汽車、機械和電子、光學、醫(yī)學生物學、航空航天、軍事，以及消費類家電各領域。據預測，從2000年到2004年，全球MEMS市場的銷售額將從35億美元增長到71億美元，這里包括封裝后的MEMS成品，平均年增長率為20%。而在電子消費品應用領域的銷售額從2000年的2億美元增長到2005年的15億美元以上，這一應用領域將有力地促進MEMS的發(fā)展。可以說，MEMS或MOEM

13、S 是微電子技術與機械技術、光學技術的結合，是微電子與其他行業(yè)結合的新的突破。1.3.2 生物芯片技術微電子技術與生物技術緊密結合，產生生物芯片。早在上世紀90年代初，美國就開始著力于脫氧核糖核酸（DNA）基因芯片的研究和生產。所謂“生物芯片”，是指類似于計算機芯片的裝置，它在幾秒鐘的時間里，可以進行數以千次計的生物反應，如基因解碼等。這些生物芯片采用“微凝膠”技術，可以對化合物進行生物目標對照檢查，以回答有關的問題，例如DNA排序、基因變異、基因表現、蛋白質相互作用以及免疫反應等。這種以生物芯片支撐的、功能強大的DNA計算機雖然目前的缺點是運算速度較慢，一次運算大約需要一小時，但它能同時進行

14、10億億個運算，因為已能把10億億個鏈安排在一公斤的水里，而每個鏈本身就是一個微處理器，能各干各的事情。正在研究利用有機高分子導電材料作生物芯片技術，可以制造生物計算機，其容量將達到現在電子計算機的10億倍。據預測，生物芯片計劃可能會產生一個市場規(guī)模達數十億美元的新興產業(yè)。DNA是微電子技術與生命科學結合的創(chuàng)新領域，基因鑒定是其重要的應用，在農業(yè)、綜合工業(yè)的研究和生產中有廣泛的應用前景。1.3.3 塑料半導體技術化學領域中有機化學的發(fā)展與半導體技術的結合，近年來發(fā)展了一個塑料半導體技術分支。與硅元素半導體制作晶體管截然不同，這是用塑料制作晶體管，稱為塑料晶體管，又稱為有機薄膜晶體管（OTFT）

15、，這是晶體管制作的一種新途徑。用硅平面工藝來制作晶體管需要價格很高的廠房和設備，為生產一批產品必須花費數天、以至十幾天的時間。而OTFT則可運用精密的噴墨或橡皮圖章式的印刷技術，在短短幾分鐘內制作完成。這種半導體產品還可個別制造，每片的成本預計不足0.001美元，成本極低。雖然OTFT的功能略遜于硅，而且這種情況在短期內也不會改變，但是這兩種技術之間的差距已逐漸在縮小。塑料半導體可用于各式各樣的新產品。例如：拋棄式的射頻標簽、應用于電子書的數字紙張的電子驅動裝置，以及手機、膝上計算機和個人數字助理（PDA）面板，它們幾年后的市場規(guī)模將分別達到42億、13億和240億美元。2 非硅微電子材料技術

16、的發(fā)展除采用硅（Si）材料發(fā)展微電子產品之外，在近幾十年中，還研究開發(fā)了各種各樣的非硅半導體材料來發(fā)展微電子產品。在硅之前，20世紀五、六十年代時，最早采用的是鍺（Ge）材料。我國當時就開發(fā)生產過鍺二極管和三極管，制造了第一批半導體收音機。在半導體產業(yè)的發(fā)展中，一般將Ge、Si稱為第一代半導體材料，緊接著開發(fā)出化合物半導體，以砷化鎵（GaAs）為代表。而將GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等稱為第二代半導體材料。近年來又發(fā)展了寬禁帶（Eg>2.3eV）半導體材料，包括SiC、ZnSe、金剛石和GaN等，將其稱為第三代半導體材料。2.1 砷化鎵（GaAs）由于GaAs電子

17、運動速度是Si的56倍，因此主要應用于高頻高速領域。一般而言，Si基器件的頻率到10GHz，而GaAs的能力是1040GHz，而最高已突破100GHz。它是超高速化合物半導體中最成熟的材料，國際上用的GaAs單晶外延片已由3英寸、4英寸，近幾年發(fā)展到6英寸。以前主要用于軍事領域和衛(wèi)星通信，在20世紀80年代以前量少價貴。進入90年代以后形勢發(fā)生急劇變化，隨著移動通信產業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是進入數字移動通信時代以來，GaAs射頻集成電路在某些應用領域中的優(yōu)勢愈來愈明顯。目前主要應用于數字移動電話通信、光纖通信網、地對衛(wèi)星以及衛(wèi)星間的通信等。GaAs電子器件和電路的市場銷售額近四、五年來急劇增加。據

18、統(tǒng)計，1998年27億美元，1999年36億美元，2000年45億美元，估計2001年47億美元，2002年58億美元，2003年80億美元，2004年接近110億美元，其平均年增長速度達25%以上，比Si增長更快。2.2 磷化銦（InP）InP 所制作的超高速器件比GaAs 速度更快，頻率可達40GHz以上，被認為是一種最有前途的化合物半導體材料。它的應用前景是道路交通智能控制系統(tǒng)（ITS系統(tǒng)），用來提高道路交通的安全、效率以及舒適性。在汽車自動防撞系統(tǒng)中用來捕捉高速移動目標是靠汽車上安裝的車用雷達來實現的，它的頻率需要77GHz，只有InP基化合物超高速器件才能做到。目前研究用的InP是2

19、英寸基片。2.3 碳化硅（SiC）SiC具有禁帶寬度大、擊穿電場高、高的熱導率、高的電子飽和速率、介電常數小、抗輻射能力強等良好的電學性能，特別適用制作高溫、高頻、大功率電子器件。SiC器件可在5006000C高溫條件下正常工作，在深層空間技術應用中又優(yōu)于Si與GaAs器件。SiC單晶襯底2英寸片已生產，在研制3英寸、4英寸SiC單晶襯底。同時，在4英寸和6英寸Si片上可用外延方法制備出大面積立方晶系SiC膜。用SiC可制成SiC光電器件、電力電子器件和微波器件。用SiC材料還開發(fā)出一些數字電路、運算放大器，用于軍事系統(tǒng)中。  2.4 氮化鎵（GaN）GaN的特點是：禁帶寬度大、電子

20、漂移速度大、高熱傳導率、高耐壓、耐熱分解、耐腐蝕、耐放射性輻照等，特別適合于制作超高頻、高溫、高耐壓、大功率器件，被認為是研發(fā)最熱門的一種化學物半導體材料。它除了用于制作微電子器件以外，還可用于光電子領域，用它制作藍光發(fā)光二極管（LED）、綠光LED，最近幾年，進一步制出白光固體發(fā)光器件產品，還能制作藍光激光二極管（LD）。1995年GaN基器件第一次實現商品化，到1997年市場銷售額已達1.43億美元，預測市場增長率將達40%以上，到2006年銷售額將達30億美元。2.5 硅鍺（SiGe）SiGe是四族元素Si與Ge相結合的一種新穎半導體材料。Si基SiGe是在Si片上用超高真空化學汽相淀積

21、（CVD）法生長所需要的SiGe 層，其所形成的異質結代替常規(guī)雙極結型晶體管的基極，因而提高了頻率。SiGe 芯片具有低功耗、低噪聲、高頻率的特性，其能帶結構可人工調整，在微電子、光電子領域中有十分重要而獨特的作用，被稱為第二代硅技術。1993年SiGe 器件的特征頻率已超過100GHz，完全可與GaAs相媲美。實際上，SiGe芯片已在移動通信方面逐漸用于收發(fā)器和接收器，有望取代GaAs射頻電路。除做IC之外，SiGe 也可用來制作異質結雙極晶體管、光電器件和紅外探測器。它的長處在于器件生產技術與成熟的硅工藝兼容，因此成本也較低。已有報道，利用現有的8英寸硅工藝線，采用200mm晶片，把SiG

22、e 嵌入到先進而成熟的BiCMOS工藝中。由于SiGe具有低功耗、低成本等優(yōu)點，所以在通信領域中被世界各大半導體公司看好。1998年尚無 SiGe IC產品，1999年就有3000萬美元的銷售額，2000年接近1億美元，2001年接近2億美元。今后幾年內，全球SiGe 芯片銷售量將每年翻番，而銷售額增長也非常快。預計2002年為4.33億美元，2003年為7.06億美元，2004年將達到12.05億美元。這一速度又快于GaAs器件和電路。2.6 絕緣襯底硅（SOI）SOI技術為絕緣襯底硅，或叫絕緣體硅。傳統(tǒng)方式制造CMOS是在整塊硅晶片上（或稱為體硅，厚度500µm左右），直接以硅作

23、為基板來制造各個晶體管。SOI技術則是在硅晶片上先嵌埋一層絕緣物，再以這一絕緣物作為基板來制造多個晶體管。SOI芯片即是一類制作在硅襯底和SiO2絕緣隔離層上的、厚度僅在1µm以下的頂層硅膜內的集成電路。SOI芯片的優(yōu)點是抗輻射性能提高50倍以上，工作速度快20%35%，節(jié)約電源功耗50%85%，芯片面積減少50%，而制造成本僅提高10%。用SOI技術可以制造高溫電路（環(huán)境溫度可達3000C）、微處理器、邏輯電路、存儲器、射頻電路，以及光電子電路。由于SOI可進一步提高IC的集成度、速度、可靠性，并在低電壓、微功耗、高耐壓方面有優(yōu)勢，因此，開始在軍事、航空航天領域上應用，現已擴展到數

24、字處理、通信、工業(yè)設備等領域。2001年全球8英寸SOI晶片的銷售量估計為200萬片。今后SOI晶片需求量年均增長55%，到2005年國際市場上SOI銷售量將占硅材料的10%。2.7 碳納米管隨著IC的線寬越來越小，納米科技的時代終于宣告來臨。為克服越來越困難的半導體Si工藝技術，科學家們開始從材料方面下手，試圖尋找到能代替Si的材料，以解決線寬縮小所帶來的技術問題。1993年美國IBM公司發(fā)現單層碳納米管（Single Walled Carbon NanotubesSWNT）后，即積極探索將碳納米管應用于電子學上，2001年成功地利用碳納米管制成晶體管，這又是半導體技術的一大突破。所謂碳納米

25、管，其成分為碳原子，即由碳原子組成一堆細小的管子。這些管子只有頭發(fā)絲的萬分之一大，比現今Si晶體管小500倍。它可應用于微電子組件、平面顯示器、無線通信、燃料電池及鋰離子電池。碳納米管可分為半導體型及金屬型兩種，而只有半導體型碳納米管方可用來制作晶體管。采用一種稱之謂“建設性毀滅”的技術促使新晶體管誕生。主要方法是以一電子沖擊波來摧毀掉金屬型碳納米管，只留下半導體型碳納米管用來制作晶體管。近日最新的突破，IBM利用碳納米管做出電壓反向器，即非門（NOT Gate）。這是世界上第一個分子內（或稱單分子）邏輯電路。大家知道，計算機核心處理器基本上是由非門以及與門（AND Gate）及或門（OR Gate）三種邏輯組件構成的龐大的復雜電路。在這種新納米管電路中，輸出信號比輸入的更強，表明有增益，其增益值為1.6。如果碳納米管的放大作用能達到現今Si晶體管那樣大小時，它將擁有與Si一樣的功能。由此推論，當Si無法再變得更小時，比Si還小的碳納米管可繼續(xù)維持摩爾定律，從而推動微電子技術繼續(xù)向前發(fā)展。SOISIMOX processSOI（Silic