微电子的技术发展方向

1 微电子技术发展方向

21世纪初微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流；随着IC设计与工艺水平的不断提高，系统集成芯片将成为发展的重点；并且微电子技术与其他学科的结合将会产生新的技术和新的产业增长点。

1.1 主流工艺——硅基CMOS电路

硅半导体集成电路的发展，一方面是硅晶(圆)片的尺寸愈来愈大，另一方面是光刻加工线条（特征尺寸）愈来愈细。

从硅片尺寸来看，从最初的2英寸，经过3英寸、4英寸、5英寸、6英寸发展到当今主流的8英寸。据有关统计，目前世界上有252条8英寸生产线，月产片总数高达440万片，现在还在继续建线。近几年来又在兴建12英寸生产线，硅晶片直径达12英寸（300mm），它的面积为8英寸片（200mm）的2.25倍。1999年11月下旬，由Motorola与Infineon Technologies联合开发的全球首批300mm 晶片产品面市。该产品是64M DRAM，采用的是0.25μm工艺技术，为标准的TSOP 封装。据介绍，300mm晶片较200mm晶片，每个芯片的成本降低了30%～40%。到目前，已经达到量产的12英寸生产线已有6条，它们是：

（1）Semiconductor 300公司，位于德国德累斯顿，开始月产1500片，由0.25μm进到0.18μm。

（2）Infineon公司，位于德国德累斯顿，0.14μm，开始月产4000片。

（3） TSMC公司，位于我国台湾新竹， Fab12工厂生产线，由0.18μm进到0.15μm以至0.13μm，开始月产4500片。

（4）三星公司，位于韩国，Line 11生产线，0.15/0.13μm，开始月产1500片。

（5）Trecenti公司，位于日本那珂N3厂，月产能7000片，0.15/0.13μm。

（6）Intel公司的D1C厂，开始月产4000片，0.13μm。

此外，已经建厂，开始试投的也已有9条线；正在建的有4条线。

采用12英寸晶片生产的IC产品，据报道已有：韩国三星公司批量生产512M 内存（DRAM）；美国Altera公司在台湾TSMC公司加工生产可编程逻辑器件（PLD），采用0.18μm技术；美国Intel公司在2001年3月份宣布，在当年采用0.13μm 技术建12英寸生产线量产CPU。其余各线主要做存储器电路,DRAM、SRAM或Flash。

在光刻加工线条（特征尺寸）方面，如前所述，在主流0.25μm技术之后，已有0.18μm、0.15μm以至0.13μm技术连续开发出来并投入使用。

据报道，韩国现代电子公司在2001年底前，将其下属的4家工厂的工艺技术由0.18μm提升至0.15μm，生产存储芯片。其竞争对手三星电子公司和美光科技公司目前已经有半数芯片采用0.15μm技术。

台湾威盛率先在2001年采用0.13μm工艺生产微处理器产品，但其C3系列仍属于PⅢ产品。Intel和AMD公司市面上产品普遍仍采用0.18μm的技术，但Intel在2002年1月7日发布了采用0.13μm工艺生产出运算频率突破2GHz的Northwood核心P4处理器产品，4月又公布了2.4GHz产品。这样，Intel仍然稳坐技术领先的地位。

在日本，NEC和日立合作于2000年8月率先推出全球第一块采用0.13μm的256M DRAM。2001年日本东芝和富士通与台湾华邦合作，推出0.13μm堆叠式1G DRAM，2002年计划提升到0.11μm。日本五大半导体厂商正在联合开发0.1μm以下工艺制造技术。

2001年8月，美国应用材料公司的设备已可制造出技术水平为0.10μm （100nm）的电路，在制造工艺技术上也有新的突破。美国德州仪器公司正采用0.10μm技术制造模拟和数字电路。

总之，0.10μm（100nm）乃至0.04μm（40nm）的器件已在实验室中制造成功，研究工作已进入亚0.10μm阶段。

美国Intel公司将加速新一代0.09μm（90nm）处理器技术的开发工作，计划在2003年上半年发布其0.09μm处理技术，该处理技术基于铜互连、低K介质和其他的一些性能上。而且该公司又开发成功一种新型晶体管技术，将使CPU集成度达到目前的25倍，可集成10亿只晶体管，将使运行速度达到目前的10倍，工作频率达到20GHz。这种CMOS晶体管结构称为Depleted Substrate Transistor，采用的栅极长度为15 nm，其栅极绝缘膜采用了高介电常数的新型

材料，将通常的SiO

2换为ZrO

2

或Ae

2

O

3

等新材料，通过在绝缘层上的超薄硅层内

制作晶体管来提高开关速度，称它为Intel Tera Hertz晶体管，计划于2006～2010年投产的CPU中使用。据称Intel的这项技术具有“革命性意义”。在提高晶体管响应速度和降低耗电量及发热量方面，它的开发成功将再次打破阻碍摩尔法则继续存在的瓶颈。

1.2 SOC技术——系统集成芯片

早在10年前，半导体厂商就开始探讨系统集成芯片（SOC）技术，英文为System on Chip，多数SOC产品可以采用纯CMOS工艺制造，但是真正的SOC能力要求面向系统的技术，不仅要整合CMOS、双极器件、非挥发性存储器、电源（动态绝缘栅型场效应管）等基本功能技术，而且系统本身还应融合两种以上的基本功能技术。美国Lucent公司微电子部对SOC定义为如下的半导体器件或产品：它在单个硅片或套片上捕捉或实现系统级的知识和专门技术。单个芯片具有如下的功能：

⑴数字信息，微处理器和微控制器核心；

⑵数字逻辑（包含知识产权核心和定制逻辑）；

⑶精度模拟电路；

⑷相关的存储器（如SRAM 或Flash块）；

⑸原型动力（可编程核心）。

SOC是IC设计能力第四次阶跃，把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中，实现系统芯片集成，以IP复用为基础。

实际发展中有两点值得注意。一是DSP已融为SOC技术大厦之关键。用于无线电话、高速Modem和各种其他的电子产品的DSP芯片，正重新改造用作SOC

技术的关键部件。另一是嵌入式超大规模集成电路是实现SOC的一种重要解决方案。嵌入式IC主要包括嵌入式微控制器/微处理器（MCU/MPU）和嵌入式现场可编门阵列（FPGA ），而32位嵌入式MCU/MPU渐成主流产品。

2000年全球SOC芯片的市场销售量已经达到4亿块，销售额达到80亿美元，比1999年增长31%。SOC将成为IC设计业发展的大趋势，其市场平均年增长率将超过30%，预计到2005年，全球SOC市场的销售量将达到14亿块，市场需求额将是280亿美元。

1.3 微电子与其他学科结合诞生新的技术增长点

1.3.1 MEMS和MOEMS技术

MEMS——微机电系统，英文是Micro Electro Mechanical Systems。这是一种体积非常小、重量非常轻的机电一体化产品，其量度以微米为单位。MEMS是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整的微型机电系统。主要包含微型传感器、执行器和相应的处理电路三部分。它是源于硅微细加工技术，是微电子、材料、机械、化学、传感器、自动控制等多学科交叉的产物。

现在又出现MOEMS——微光机电系统，即微光学电子机械系统。它是在MEMS 的基础上又增加了光学部件。

美国是研究开发MEMS最早的国家，早在20世纪60年代就开始研究。以往MEMS技术一直主要用于军事领域。经过近20年的技术发展，MEMS开始在消费类电子产品领域内大量投产，进入家电领域。目前，国外已开发成功硅基和非硅三维MEMS多种产品。由于硅基MEMS生产工艺与集成电路制作技术相兼容，成本低，性能高，体积微小，所以成为其开发主流。产品有惯性传感器、压力传感器，通信用MEMS元器件、微型光机电器件等。MEMS可应用于汽车、机械和电子、光学、医学生物学、航空航天、军事，以及消费类家电各领域。

据预测，从2000年到2004年，全球MEMS市场的销售额将从35亿美元增长到71亿美元，这里包括封装后的MEMS成品，平均年增长率为20%。而在电子消费品应用领域的销售额从2000年的2亿美元增长到2005年的15亿美元以上，这一应用领域将有力地促进MEMS的发展。

可以说，MEMS或MOEMS 是微电子技术与机械技术、光学技术的结合，是微电子与其他行业结合的新的突破。

1.3.2 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。这些生物芯片采用“微凝胶”技术，可以对化合物进行生物目标对照检查，以回答有关的问题，例如DNA排序、基因变异、基因表现、蛋白质相互作用以及免疫反应等。这种以生物芯片支撑的、功能强大的DNA计算机虽然目前的缺点是运算速度较慢，一次运算大约需要一小时，但它能同时进行10亿亿个运算，因为已能把10亿亿个链安排在一公斤的水里，而每个链本身就是一个微处理器，能各干各的事情。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。

据预测，生物芯片计划可能会产生一个市场规模达数十亿美元的新兴产业。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。

1.3.3 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。用硅平面工艺来制作晶体管需要价格很高的厂房和设备，为生产一批产品必须花费数天、以至十几天的时间。而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。这种半导体产品还可个别制造，每片的成本预计不足0.001美元，成本极低。虽然OTFT的功能略逊于硅，而且这种情况在短期内也不会改变，但是这两种技术之间的差距已逐渐在缩小。塑料半导体可用于各式各样的新产品。例如：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，它们几年后的市场规模将分别达到42亿、13亿和240亿美元。

2 非硅微电子材料技术的发展

除采用硅（Si）材料发展微电子产品之外，在近几十年中，还研究开发了各种各样的非硅半导体材料来发展微电子产品。在硅之前，20世纪五、六十年代时，最早采用的是锗（Ge）材料。我国当时就开发生产过锗二极管和三极管，制造了第一批半导体收音机。在半导体产业的发展中，一般将Ge、Si称为第一代半导体材料，紧接着开发出化合物半导体，以砷化镓（GaAs）为代表。而将GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等称为第二代半导体材料。近年来又发展了宽禁带（Eg>2.3eV）半导体材料，包括SiC、ZnSe、金刚石和GaN等，将其称为第三代半导体材料。

2.1 砷化镓（GaAs）

由于GaAs电子运动速度是Si的5～6倍，因此主要应用于高频高速领域。一般而言，Si基器件的频率到10GHz，而GaAs的能力是10～40GHz，而最高已突破100GHz。它是超高速化合物半导体中最成熟的材料，国际上用的GaAs单晶外延片已由3英寸、4英寸，近几年发展到6英寸。以前主要用于军事领域和卫星通信，在20世纪80年代以前量少价贵。进入90年代以后形势发生急剧变化，随着移动通信产业的不断发展，尤其是进入数字移动通信时代以来，GaAs射频集成电路在某些应用领域中的优势愈来愈明显。目前主要应用于数字移动电话通信、光纤通信网、地对卫星以及卫星间的通信等。GaAs电子器件和电路的市场销售额近四、五年来急剧增加。据统计，1998年27亿美元，1999年36亿美元，2000年45亿美元，估计2001年47亿美元，2002年58亿美元，2003年80亿美元，2004年接近110亿美元，其平均年增长速度达25%以上，比Si增长更快。

2.2 磷化铟（InP）

InP 所制作的超高速器件比GaAs 速度更快，频率可达40GHz以上，被认为是一种最有前途的化合物半导体材料。它的应用前景是道路交通智能控制系统（ITS系统），用来提高道路交通的安全、效率以及舒适性。在汽车自动防撞系统中用来捕捉高速移动目标是靠汽车上安装的车用雷达来实现的，它的频率需要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英寸基片。

2.3 碳化硅（SiC）

SiC具有禁带宽度大、击穿电场高、高的热导率、高的电子饱和速率、介电常数小、抗辐射能力强等良好的电学性能，特别适用制作高温、高频、大功率电子器件。SiC器件可在500～6000C高温条件下正常工作，在深层空间技术应用中又优于Si与GaAs器件。SiC单晶衬底2英寸片已生产，在研制3英寸、4英寸SiC单晶衬底。同时，在4英寸和6英寸Si片上可用外延方法制备出大面积立方晶系SiC膜。用SiC可制成SiC光电器件、电力电子器件和微波器件。用SiC 材料还开发出一些数字电路、运算放大器，用于军事系统中。

2.4 氮化镓（GaN）

GaN的特点是：禁带宽度大、电子漂移速度大、高热传导率、高耐压、耐热分解、耐腐蚀、耐放射性辐照等，特别适合于制作超高频、高温、高耐压、大功率器件，被认为是研发最热门的一种化学物半导体材料。它除了用于制作微电子器件以外，还可用于光电子领域，用它制作蓝光发光二极管（LED）、绿光LED，最近几年，进一步制出白光固体发光器件产品，还能制作蓝光激光二极管（LD）。1995年GaN基器件第一次实现商品化，到1997年市场销售额已达1.43亿美元，预测市场增长率将达40%以上，到2006年销售额将达30亿美元。

2.5 硅锗（SiGe）

SiGe是四族元素Si与Ge相结合的一种新颖半导体材料。Si基SiGe是在Si 片上用超高真空化学汽相淀积（CVD）法生长所需要的SiGe 层，其所形成的异质结代替常规双极结型晶体管的基极，因而提高了频率。SiGe 芯片具有低功耗、低噪声、高频率的特性，其能带结构可人工调整，在微电子、光电子领域中有十分重要而独特的作用，被称为第二代硅技术。1993年SiGe 器件的特征频率已超过100GHz，完全可与GaAs相媲美。实际上，SiGe芯片已在移动通信方面逐渐用于收发器和接收器，有望取代GaAs射频电路。除做IC之外，SiGe 也可用来制作异质结双极晶体管、光电器件和红外探测器。它的长处在于器件生产技术与成熟的硅工艺兼容，因此成本也较低。已有报道，利用现有的8英寸硅工艺线，采用200mm晶片，把SiGe 嵌入到先进而成熟的BiCMOS工艺中。由于SiGe具有低功耗、低成本等优点，所以在通信领域中被世界各大半导体公司看好。1998年尚无 SiGe IC产品，1999年就有3000万美元的销售额，2000年接近1亿美元，2001年接近2亿美元。今后几年内，全球SiGe 芯片销售量将每年翻番，而销售额增长也非常快。预计2002年为4.33亿美元，2003年为7.06亿美元，2004

年将达到12.05亿美元。这一速度又快于GaAs器件和电路。

2.6 绝缘衬底硅（SOI）

SOI技术为绝缘衬底硅，或叫绝缘体硅。传统方式制造CMOS是在整块硅晶片上（或称为体硅，厚度500μm左右），直接以硅作为基板来制造各个晶体管。SOI 技术则是在硅晶片上先嵌埋一层绝缘物，再以这一绝缘物作为基板来制造多个晶

绝缘隔离层上的、厚度仅在1μm以体管。SOI芯片即是一类制作在硅衬底和SiO

2

下的顶层硅膜内的集成电路。SOI芯片的优点是抗辐射性能提高50倍以上，工作速度快20%～35%，节约电源功耗50%～85%，芯片面积减少50%，而制造成本仅提高10%。用SOI技术可以制造高温电路（环境温度可达3000C）、微处理器、逻辑电路、存储器、射频电路，以及光电子电路。由于SOI可进一步提高IC的集成度、速度、可靠性，并在低电压、微功耗、高耐压方面有优势，因此，开始在军事、航空航天领域上应用，现已扩展到数字处理、通信、工业设备等领域。2001年全球8英寸SOI晶片的销售量估计为200万片。今后SOI晶片需求量年均增长55%，到2005年国际市场上SOI销售量将占硅材料的10%。

2.7 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。

所谓碳纳米管，其成分为碳原子，即由碳原子组成一堆细小的管子。这些管子只有头发丝的万分之一大，比现今Si晶体管小500倍。它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。碳纳米管可分为半导体型及金属型两种，而只有半导体型碳纳米管方可用来制作晶体管。采用一种称之谓“建设性毁灭”的技术促使新晶体管诞生。主要方法是以一电子冲击波来摧毁掉金属型碳纳米管，只留下半导体型碳纳米管用来制作晶体管。近日最新的突破，IBM利用碳纳米管做出电压反向器，即非门（NOT Gate）。这是世界上第一个分子内（或称单分子）逻辑电路。大家知道，计算机核心处理器基本上是由非门以及与门（AND Gate）及或门（OR Gate）三种逻辑组件构成的庞大的复杂电路。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，其增益值为1.6。如果碳纳米管的放大作用能达到现今Si晶体管那样大小时，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。

SOI

SIMOX process

SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。通过在绝缘体上形成半导体薄膜，SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。

通常根据在绝缘体上的硅膜厚度将SOI分成薄膜全耗尽FD（Fully Depleted）结构和厚膜部分耗尽PD（Partially Depleted）结构。由于SOI的介质隔离，制作在厚膜SOI结构上的器件正、背界面的耗尽层之间不互相影响，在它们中间存在一中性体区，这一中性体区的存在使得硅体处于电学浮空状态，产生了两个明显的寄生效应，一个是"翘曲效应"即Kink 效应，另一个是器件源漏之间形成的基极开路NPN寄生晶体管效应。如果将这一中性区经过一体接触接地，则厚膜器件工作特性便和体硅器件特性几乎完全相同。而基于薄膜SOI结构的器件由于硅膜的全部耗尽完全消除"翘曲效应"，且这类器件具有低电场、高跨导、良好的短沟道特性和接近理想的亚阈值斜率等优点。因此薄膜全耗尽FDSOI应该是非常有前景的SOI结构。

目前比较广泛使用且比较有发展前途的SOI的材料主要有注氧隔离的SIMOX (Seperation by Implanted Oxygen)材料、硅片键合和反面腐蚀的BESOI (Bonding-Etchback SOI)材料和将键合与注入相结合的Smart Cut SOI材料。在这三种材料中，SIMOX适合于制作薄膜全耗尽超大规模集成电路，BESOI材料适合于制作部分耗尽集成电路，而Smart Cut材料则是非常有发展前景的SOI材料，它很有可能成为今后SOI材料的主流。

Smart Cut process