你该知道的微电子技术知识

你该知道的微电子技术知识

二大爷公司笨笨收集

微电子技术是十九世纪末,二十世纪初开始发展起来的以半导体集成电路为核心的高新电子技术,它在二十世纪迅速发展,成为近代科技的一门重要学科。微电子技术作为电子信息产业的基础和心脏,对航天航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术、网络技术及家用电器产业的发展产生直接而深远的影响。尤其是微电子技术是军用高技术的核心和基础。军用高技术的迅猛发展，武器装备的巨大变革，在某种意义来说就是微电子技术迅猛发展和广泛应用的结果。微电子技术的渗透性最强，对国民经济和现代科学技术发展起着巨大的推动作用，其发展水平和发展规模已成为衡量一个国家军事、经济实力和技术进步的重要标志。正因为如此、世界各国都把微电子技术作为最要害的技术列在高技术的首位，使其成为争夺技术优势的最重要的领域。

一、基本概念

简介：微电子技术是随着集成电路,尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术。它包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术,是微电子学中的各项工艺技术的总和。微电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的,其核心是集成电路,即通过一定的加工工艺,将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件,按照一定的电路互联,采用微细加工工艺,集成在一块半导体单晶片(如硅和砷化镓)上,并封装在一个外壳内,执行特定电路或系统功能。与传统电子技术相比,其主要特征是器件和电路的微小型化。它把电路系统设计和制造工艺精密结合起来,适合进行大规模的批量生产,因而成本低,可靠性高。

图1 微电子技术中元器件发展演变

特点：微电子技术当前发展的一个鲜明特点就是：系统级芯片（System On Chip，简称SOC）概念的出现。在集成电路（IC）发展初期，电路都从器件的物理版图设计入手，后来出现了IC单元库，使用IC设计从器件级进入到逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与IC设计，极大的推动了IC产业的发展。由于IC设计与工艺技术水平不断提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个IC芯片上的系统级芯片的概念。其进一步发展，可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器（执行信息获取功能）和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这是一个更广义上的系统集成芯片。很多研究表明，与由IC组成的系统相比，由于SOC设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。微电子技术从IC 向SOC转变不仅是一种概念上的突破，同时也是信息技术发展的必然结果。目前，SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。

微电子技术的另一个显着特点就是其强大的生命力，它源于可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其他学科相结合，便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点。作为与微电子技术成功结合的典型例子便是MEMS（微电子机械系统或称微机电系统）技术和生物芯片等。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。

应用领域：

从产生之日起,以半导体和集成电路为基础的微电子技术就在国民生产中发挥了重大作用。微电子技术为现代信息技术奠定了基础 ,它已渗入电力、电信、计算机、生产自动化等现代高科技的各个领域。每一次微电子技术的进步 ,都大大推动了工业、农业、国防等各个领域技术的进步。

现在,以微电子技术为基础的计算机技术、通信技术等在现代社会发挥了重大作用,它们已成为现代信息社会的标志。计算机技术是现代信息技术的核心,每天都有大量的数据依赖计算机采集、整理和分析, 微电子技术使得计算机的性能大大提高,导弹、火箭、卫星、雷达、航天飞机等的飞速发展无不得益于微电子技术的进步。同时,计算机的大批量生产也成为可能,从而使计算机不再只是放在科研院所作科学计算, 而是以飞快的速度得到普及,广泛应用于辅助设计、生产管理、学习娱乐等方面, 在日常生活中发挥了重大作用。导弹、火箭、卫星、雷达、航天飞机的迅速发展无不得益于微电子技术的发展。现代通信技术则为快速、大量的信息交流提供了基础。现在 ,人们已在地球上建起了由程控交换机、通信卫星、光纤网络、各类终端等现代通信工具构成的覆盖全球的通信网络, 当今,你无论在那个地方都能通过有线或无线网络了解到地球上正在发生的事情。

分类：

微电子技术分类可按内容分类，也可按集成电路产业分类。

按内容分类可分为三部分: 一是微电子材料制造。它包括各种半导体基材的制造, 最主要的是硅晶片的生产制造; 二是微电子制造技术。主要的是集成电路芯片的制造技术。它包含了薄膜工艺、图形技术、掺杂工艺及热处理技术; 三是微电子封装及装联技术。主要包括 IC 芯片的封装和表面组装技术。

按集成电路产业分类。微电子技术可以分为四个层次。第一个层次是研究开发微电子生产线上的各种工艺设备、材料和药剂。这些设备的加工尺寸是微米和亚微米级的,所以这些设备的精密度是极为高超的。各种材料和药剂的纯度和洁净度同样也是极为高超的。第二个层次是建立集成电路生产过程的工艺规范,即从原料到最终产品的全部工艺过程并加以规范化。按照这个规范可以重复地生产出符合设计规格和达到预定良品率的集成电路产品。工艺规范按不同的工艺特点分成几大类。制定工艺规范的工作,一部分是继承过去的成果,一部分在实验室

或实验性生产设施上进行,一部分在正式生产线上完成。第三个层次是产品设计,这是介于对产品所提出的性能规格要求与生产过程的工艺规范之间的桥梁。使用的手段是计算机辅助设计。它以所设计的集成电路的性能参数和结构的基本框架作为CAD的输入数据。以工艺规程作为CAD算法和软件建模的根据。设计的结果是各种掩模图形、生产过程的各种工艺参数、控制参数和文档资料。第四个层次是集成电路的验证测试。验证测试不但用于最终产品的检测,也用于设计过程中间阶段的正确性检查和生产过程的中间测试等许多场合。验证测试的方法是CAD产生的,各种测试设备和测试过程一般也都是计算机控制自动进行的。

上面四个技术层次的阶段成果结合在一起就构成了一定水平的集成电路生产线。这四个层次都是高技术而且发展极为迅速,阶段成果层出不穷,每隔二三年就上升一个新的台阶,出现相应的集成电路生产线。世界上没有任何别的产业在技术的复杂程度和更新周期之快等方面可以与微电子产业相类比。

二、应用

微电子技术的应用随着信息时代的到来,微电子技术在生们的生产生活中得到了非常广泛的应用。在如今普及率非常高的电脑和手机,它们的技术支持就是微电子技术。微电子技术的应用主要可以从以下几个方面来认识。

微电子技术在生活中的应用：随着科技的进步和人们生活水平的提高,生活质量也得到了很大的提升。每天起床的闹钟,上下班的乘坐公共汽车需要用到的卡,去银行存钱需要用到银行储蓄卡,开车需要用到导航仪,无聊时听歌,玩手机,看电影电视,洗衣服的洗衣机,烧饭的电饭煲等等,这些东西都需要以芯片来进行工作,芯片就是微电子技术的应用。可以看出,我们每天的生活都离不开微电子技术。

微电子技术在工业制造方面的应用：除了生活中,微电子技术还在工业制造中得到了广泛的应用。随着社会的进步,传统的工业制造已经无法适应社会的生产需要,而通过对微电子技术的应用之后,很多传统行业都得到了重新发展的机会,技术创新已经成为工业制造中非常关键的一个取得优势的方法。在汽车工业中,微电子技术的应用主要在监控系统和防盗系统以及计价系统中。在监控系统中

,通过微电子技术的应用,研发了电子引擎监控系统,很好地解决了对引擎监控难的问题。而安全防盗系统中采用微电子技术则保证了汽车能够在遇到被盗情况的时候第一时间发出警报,大大提高了汽车的安全性。而在计价系统中采用微电子技术,则为出租车计价的准确性和高效性提供了保障。

微电子技术在军工产业中的应用：现代军事力量的较量主要体现在科技实力的较量,微电子在军工产业中的应用为军工产业带来了革命性的变化。比如现在的无人战斗机,就是依靠微电子技术通过远程计算机的控制从而达到遥控战斗的目的。数字地图的研发能够为士兵在野外演练的时候,将准确的天气情况信息数据、情报收集、敌人位置、周围地形等信息数据通过无线计算机网络第一时间进行处理后发送到任何地方,这为战斗方案的制定提供了可靠的保障。微电子技术的应用为国防事业的建设起到了非常大的作用。

三、未来发展：

微电子技术的研发依然在进行,人类对微电子技术的需求依然在增长,因此微电子技术将在未来得到更大的发展。微电子技术的未来发展可以从以下几点来看。

1.工艺尺寸继续缩小,集成化程度继续提高

微电子技术的发展将会继续从它的主要特点上去改进,它的工艺尺寸将会继续锉削,集成化程度也将继续提高。工艺特征尺寸的缩小将会同时提高集成化程度,扩大集成规模。对于工艺特征尺寸的缩小,将会面临接触电阻的问题,迁移率退化问题,可靠性问题等。针对这些问题,微电子技术将利用超浅结技术来降低电阻,使用高迁移率的材料来避免迁移退化问题。

2.新材料的应用

微电子技术采用的是以硅为主要原料制成的芯片,在微电子技术发展的同时,将会使用新材料的应用,以保证微电子技术的进一步发展。采用高介电值栅介质来取代二氧化硅,高介电值栅介质能够有效防止晶体管漏电的问题。

3.绿色微电子技术的探索

随着人类社会的发展,对于能源的需求也将持续增大,而能源则是有限的。微电子技术的功耗问题一直是微电子技术的缺点之一,随着功耗的越来越大,将会对集成电路产生破坏。因此微电子技术在未来的发展将会进行绿色化。即研发功耗低的绿色集成电路。

4.系统芯片（SOC）和专用集成电路（ASIC）的发展

今天，基于硬件芯片、BIOS、驱动程序、操作系统、网络和应用架构的电子系统有四大毒瘤：资源浪费，维护困难，病毒泛滥和盗版盛行。很多人认为没有办法解决，如果换一个思路，我们设计有这样的系统；一个包含微电子技术SoC芯片最小硬件系统、一个非常小的操作系统和一个下载的应用接口，当我们有了这样的系统，在应用的过程当中可能需要用到某些特定的软件就下载下去，如果不需要我们就扔掉，这样软件的安排是按需选择，它的维护变得的简单，也并不需要太多的资源。因为应用软件是从专门的服务器下载的，所以没有病毒，因此也没有盗版。这是一种有意义的探索，伴随半导体制造工艺从65nm、32nm 向更低发展，未来软件的作用在芯片设计和销售中的比重将越来越大，未来的设计不仅包含了硬件，还要包含很大规模的软件，传统的软、硬件划分准则不再生效，芯片销售将包括驱动程序，监控程序和标准的应用接口，还可能包括一个简单的嵌入式操作系统。

5.多学科与微电子技术融合应用

鉴于微电子技术发展中遇到的问题,必须寻找新的途径,谋求解决的办法。现在已在遵循基本物理规律的基础上,通过与其他学科相结合,取得了可喜的成绩。目前人们已经开发出如下的一些产品,这些产品有望帮助微电子技术的发展突破极限, 进一步继续维持摩尔定律。

(一)生物芯片技术

微电子技术与生物技术紧密结合, 产生生物芯片。早在上世纪 90 年代初, 美国就开始着力于脱氧核糖核酸( DNA) 基因芯片的研究和生产。所谓“生物芯片”, 是指类似于计算机芯片的装置, 它在几秒钟的时间里, 可以进行数以千次计的生物反应, 如基因解码等。目前正在研究利用有机高分子导电材料作生物芯

片技术, 可以制造生物计算机, 其容量将达到现在电子计算机的 10 亿倍。DNA 是微电子技术与生命科学结合的创新领域,基因鉴定是其重要的应用, 在农业、综合工业的研究和生产中有广泛的应用前景。

(二)塑料半导体技术

化学领域中有机化学的发展与半导体技术的结合, 近年来发展了一个塑料半导体技术分支。与硅元素半导体制作晶体管截然不同, 这是用塑料制作晶体管, 称为塑料晶体管, 又称为有机薄膜晶体管 ( OTFT) , 这是晶体管制作的一种新途径。OTFT 则可运用精密的喷墨或橡皮图章式的印刷技术, 在短短几分钟内制作完成。塑料半导体可用于各式各样的新产品。如抛弃式的射频标签、应用于电子书的数字纸张的电子驱动装置, 以及手机、膝上计算机和个人数字助理( PDA) 面板等。

(三)碳纳米管

随着IC的线宽越来越小,纳米科技的时代终于宣告来临。为克服越来越困难的半导体Si工艺技术,科学家们开始从材料方面下手,试图寻找到能代替Si 的材料,以解决线宽缩小所带来的技术问题。1993年美国IBM公司发现单层碳纳米管( Single Walled Carbon Nanotubes- - SWNT) 后,即积极探索将碳纳米管应用于电子学上,2001年成功地利用碳纳米管制成晶体管,这又是半导体技术的一大突破。碳纳米管可应用于微电子组件、平面显示器、无线通信、燃料电池及锂离子电池等。最近IBM公司利用碳纳米管做出电压反向器, 即非门(NOTGate)。这是世界上第一个分子内逻辑电路。大家知道, 计算机核心处理器基本上是由非门、与门(AND Gate)及或门(OR Gate)三种逻辑组件构成的复杂电路。在这种新纳米管电路中,输出信号比输入的更强,表明有增益。如果碳纳米管的放大作用能达到现今Si晶体管那样大时,它将拥有与Si一样的功能。由此推论,当Si无法再变得更小时,比Si还小的碳纳米管可继续维持摩尔定律, 从而推动微电子技术继续向前发展。

(四)微电子机械系统

(MEMS)是微电子技术的拓宽和延伸,它将微电子技术和精密机械加工技术

相互融合,实现了微电子与机械融为一体的系统。它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号,把这些信号转换成电子系统可以认识的电信号,而且还可以通过电子系统控制这些信号, 发出指令并完成该指令。MEMS 将电子系统与外界环境联系起来,系统不仅能感应到外界的信号,同时能处理这些信号并由此做出相应的操作。MEMS技术及其产品开辟了一个全新的领域和产业 ,它们不仅能降低机电系统的成本,而且还能完成许多大尺寸机电系统所无法完成的任务, 如对于航空微惯导(MIMU),具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高、易于系统集成等优点。现在通过 MEMS 已经成功地制造出了可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。

微电子技术面临挑战

微电子产业经过了这四十余年的发展,其技术已快接近理论的极限。几十年来, 集成电路内晶体管的尺寸和线宽不断缩小,其基本方法在于改进光刻技术,使用更短波长的曝光光源。在 0.25μm的时代,光源主要是紫外光,目前使用了深紫外线光刻技术(DUV),芯片线宽下降到 0.18～0.13μm ,其理论上将能使集成电路的线宽达到0.1μm 。而英特尔、摩托罗拉等公司从九十年代起就开始研发超紫外线光刻技术(EUV),它能使集成电路的线宽突破0.1μm的大关。然而,这种缩小趋势不可能长久持续,物理和技术上的限制会阻碍这种持续,晶体管的尺寸小到一定程度,就不得不考虑电子的量子效应。那时,现有技术就将达到极限。可从理论极限和实际限制两个层面上看,具体可归纳成基本物理规律、材料物理属性的限制、器件电路计算机辅助设计与仿真、制造工艺技术和设备的限制、电路与系统等五个方面。

(一)基本物理规律的限制

硅基CMOS是今天微电子技术的基础。而IC性能的提高主要是通过对器件尺度以及电源电压进行合理的缩小( scaling down)实现的。但是这一缩小不是无限的,随着器件沟道长度、氧化层厚度, 以及电源电压的缩小,诸如短沟道效应

( SCE)、漏感应势垒降低效应 ( DIBL) 、穿通效应( Punch- Through)以及热载流子效应( HCE)、量子隧道穿透等“次级”效应将会越来越难以克服。由于DIBL、量子隧道穿透等效应的增强将增大晶体管的漏电流, 进而增加器件的静态功耗。当静态功耗在总功耗中达到一定比例, 并且器件的输出电导大于其跨导时, 晶体管的缩小就达到了极限。换言之, 微电子学的理论基础是电磁学、量子力学、热力学与统计物理学。在集成电路中, 是通过控制载流子在媒体中的运动来实现信息的传输、存储及处理, 载流子在固体中的运动要遵循一系列的基本物理规律, 而随着芯片的微小型化, 热效应、电效应等造成的不良影响, 目前的技术还无法克服这些违反规律的现象, 这就制约了微电子技术的发展。

(二)材料方面的限制

目前微电子技术所采用的材料主要是硅材料(包括单晶硅和多晶硅), 决定材料性质的参数主要有:介电常数ε、载流子的迁移率μ、载流子的饱和速度vs、击穿电场强度Ec、热导系数K等。这些性质共同决定了微电子技术在IC高度集成时受到极大的限制,制约了微型化的进一步发展。

(三)工艺技术方面的限制

微电子工艺技术主要包括微细线条的加工、高质量薄膜淀积和离子注入的控制,其中光刻技术是核心技术。其工艺方面的挑战主要是光刻设备。1978 年时,人们认为光学光刻的极限是 1 微米。到现在虽已推进到0.05微米, 但光刻技术受到来自于设备的分辨率(R)和焦深(DOF)的限制,每往前迈进一步都十分困难。虽然摩尔博士在2000年说:“摩尔定律10年不会变”, 但现在进一步的微小型化仍受到限制。摩尔定律正面临挑战。

(四)半导体器件“极限”的挑战

半导体器件面临的限制主要体现为以下四方面:1.超薄栅氧化层的限制;2.沟道杂质的涨落;3.硅片中强电场效应的限制;4.半导体器件的模拟与模型问题。微电子技术的计算机辅助设计与仿真需要对工艺模拟、器件模拟和电路模拟等几个部分进行综合考虑,这需要清晰的物理概念及模型,需要数学计算和软件工程方面的支持,但这些方面仍面临挑战。

(五)电路与系统方面的限制

1.互连引线问题。随着器件尺寸的缩小和集成密度的增加,互连引线的横截面越来越小使得电阻值增高,互连引线的延迟时间增大。尺寸的缩小使晶体管的工作频率得到了提高,但互连引线的延迟并没有因尺寸的缩小而得到改善,反而成为更加突出的问题。因此,如何在IC电路设计中考虑引线的优化、解决亚微米金属铝连线的电迁移问题,就成了制约微电子技术发展的因素。

2.可靠性问题。微细加工的特征,尺寸的缩小尤其是栅氧化层的变薄,导致器件的可靠性和亚微米器件的寿命问题突显。但可靠性问题包含了大量物理和热力学机理及制造工艺方面的技术需要克服,这也成为制约微电子技术发展的因素。

3.散热问题。散热主要受到封装技术的限制。在集成度不断提高,集成功能越趋复杂的情况下,在电路和系统的设计中, 必须仔细考虑电路的总功耗与芯片散热能力之间的关系。总功率的限制成为限制芯片集成度的一个主要因素。