概述微电子学技术及其发展前景

admin

前言：随着半导体新兴技术的发展，微电子成为越来越多人青睐的专业之一。微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等多方面的内容;设计了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试和加工、图论、化学等多个领域。下面我就从如下几个方面来谈谈微电子的一些基本情况。
　　微电子学(Microelectronics)是电子学的一门分支学科，主要是研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的学科。它以实现电路和系统的集成为目的的微电子学又是信息领域的重要基础学科，在这一领域上，微电子学是研究并实现信息获取、传输、存储、处理和输出的科学，是研究信息获取的科学，构成了信息科学的基石，其发展书评直接影响着整个信息技术的发展。微电子科学技术的发展水平和产业规模是一个国家经济实力的重要标志。
　　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，第二次大战中、后期，由于军事需要对电子设备提出了不少具有根本意义的设想，并研究出一些有用的技术。1947年晶体管的发明，后来又结合印刷电路组装使电子电路在小型化的方面前进了一大步。到1958年前后已研究成功以这种组件为基础的混合组件。集成电路的主要工艺技术，是在50年代后半期硅平面晶体管技术和更早的金属真空涂膜学技术基础上发展起来的。19614年出现了磁双极型集成电路产品。1962年生产出晶体管——晶体管理逻辑电路和发射极藉合逻辑电路。MOS集成电路出现。由于MOS电路在高度集成方面的优点和集成电路对电子技术的影响，集成电路发展越来越快。70年代，微电子技术进入了以大规模集成电路为中心的新阶段。随着集成密度日益提高，集成电路正向集成系统发展，电路的设计也日益复杂、费时和昂贵。实际上如果没有计算机的辅助，较复杂的大规模集成电路的设计是不可能的。70年代以来，集成电路利用计算机的设计有很大的进展。制版的计算机辅助设计、器件模拟、电路模拟、逻辑模拟、布局布线的计算辅助设计等程序，都先后研究成功，并发展成为包括校核、优化等算法在内的混合计算机辅助设计，乃至整套设备的计算机辅助设计系统。集成电路制造的计算机管理，也已开始实现。此外，与大规模集成和超大规模集成的高速发展相适应，有关的器件材料科学和技术、测试科学和计算机辅助测试、封装技术和超净室技术等都有重大的进展。电子技术发展很快，在工艺技术上，微细加工技术，如电子束、离子束、X射线等复印技术和干法刻蚀技术日益完善，使生产上在到亚微米以至更高的光刻水平，集成电路的集成弃将超大型越每片106—107个元件，以至达到全图片上集成一个复杂的微电子系统。高质量的超薄氧化层、新的离子注入退火技术、高电导高熔点金属以其硅化物金属化和浅欧姆结等一系列工艺技术正获得进一步的发展。在微电子技术的设计和测试技术方面，随着集成度和集成系统复杂性的提高，冗余技术、容错技术，将在设计技术中得到广泛应用。
　　微电子学中实现的电路和系统又成为集成电路和集成系统，是微小化的;在微电子学中的空间尺寸通常是以微米(μm，1μm=10−6m)和纳米(nm，1nm=10−9m)为单位的。是研究在固体(主要是半导体)材料上构成的微小型化电路、电路及系统的电子学分支。作为电子学的分支学科，它主要研究电子或例子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学，以实现电路的系统和集成为目的，实用性强。
　　集成电路设计的流程一般先要进行软硬件划分，将设计基本分为两部分：芯片硬件设计和软件协同设计。芯片硬件设计包括：
　　1.功能设计阶段。
　　设计人员产品的应用场合，设定一些诸如功能、操作速度、接口规格、环境温度及消耗功率等规格，以做为将来电路设计时的依据。更可进一步规划软件模块及硬件模块该如何划分，哪些功能该整合于SOC内，哪些功能可以设计在电路板上。
　　2.设计描述和行为级验证
　　供能设计完成后，可以依据功能将SOC划分为若干功能模块，并决定实现这些功能将要使用的IP核。此阶段将接影响了SOC内部的架构及各模块间互动的讯号，及未来产品的可靠性。决定模块之后，可以用VHDL或Verilog等硬件描述语言实现各模块的设计。接着，利用VHDL或Verilog的电路仿真器，对设计进行功能验证(functionsimulation，或行为验证behavioralsimulation)。
　　注意，这种功能仿真没有考虑电路实际的延迟，但无法获得精确的结果。
　　3.逻辑综合
　　确定设计描述正确后，可以使用逻辑综合工具(synthesizer)进行综合。综合过程中，需要选择适当的逻辑器件库(logiccelllibrary)，作为合成逻辑电路时的参考依据。硬件语言设计描述文件的编写风格是决定综合工具执行效率的一个重要因素。事实上，综合工具支持的HDL语法均是有限的，一些过于抽象的语法只适于作为系统评估时的仿真模型，而不能被综合工具接受。逻辑综合得到门级网表。
　　4.门级验证(Gate-LevelNetlistVerification)
　　门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确认经综合后的电路是否符合功能需求，该工作一般利用门电路级验证工具完成。
　　注意，此阶段仿真需要考虑门电路的延迟。
　　5.布局和布线
　　布局指将设计好的功能模块合理地安排在芯片上，规划好它们的位置。布线则指完成各模块之间互连的连线。注意，各模块之间的连线通常比较长，因此，产生的延迟会严重影响SOC的性能，尤其在0.25微米制程以上，这种现象更为显著。目前，这一个行业仍然是中国的空缺，开设集成电路设计与集成系统专业的大学还比较少，其中师资较好的学校有上海交通大学，哈尔滨工业大学，东南大学，西安电子科技大学，电子科技大学，哈尔滨理工大学,复旦大学，华东师范大学等。这个领域已经逐渐饱和，越来越有趋势走上当年软件行业的道路。
　　微机电系统(MicroElectro-Me-chanicalSystems，MEMS)是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的。MEMS的加工技术及MEMS的应用领域MEMS加工技术主要有从半导体加工工艺中发展起来的硅平面工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用X射线光刻、电铸、及注塑的LIGA(德文LithographGalvanformungundAbformug简写)技术诞生，形成了MEMS加工的另一个体系。MEMS的加工技术可包括硅表面加工和体加工的硅微细加工、LIGA加工和利用紫外光刻的准LIGA加工、微细电火花加工(EDM)、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。MEMS的封装技术也很重要。传统的精密机械加工技术在制造微小型机械方面仍有很大潜力。MEMS在工业、信息和通信、国防、航空航天、航海、医疗和物生工程、农业、环境和家庭服务等领域有着潜在的巨大应用前景。目前，MEMS的应用领域中领先的有：汽车、医疗和环境;正在增长的有：通信、机构工程和过程自动化;还在萌芽的有：家用/安全、化学/配药和食品加工。MEMS作为一个新兴的技术领域，有可能象当年的微电子技术一样，成为一门重大的产业。但瑞在它还处在初级阶段，因而我国在这一领域，机遇和挑战并存。从研究开发的情况来看，我国在该领域的技术水平与世界先进水平的差距并不太大，某些方面甚至已达到先进水平。但是，我国在MEMS技术的产业化方面，却远远落后于世界先进水平。
　　尽管微电子学技术给人类带来了前所未有的巨大进步，但它进一步发展的空间却已经受到了极大的限制。这些限制已经成为微电子学技术继续发展的重大瓶颈。能否突破这些瓶颈是微电子学技术发展所面临的极大挑战。
　　光刻技术限制
　　集成电路的加工设备中，光刻是核心。30年来，集成电路之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用，因为它直接决定了单个晶体管器件的物理尺寸。每一代新的集成电路的出现，总是以光刻所获得的最小线宽为主要标志。为了实现更高的光刻精度，人们仍在不断探索更短波长的F2激光光源(波长为157纳米)光刻技术，它的使用有望使光刻的最小线宽达到90纳米以下。但是，这种更短波长的紫外光很容易被空气吸收，要想获得最终应用还需要探索新的光学及掩模衬底材料。总之，157纳米光源的光刻技术开发给当今微电子加工技术带来了新的希望，但还有很多技术难关需要取得突破，也是一个不争的事实。最近，英特尔公司和台积电公司宣布，它们将在2003年推出0.09微米的光刻生产线，这说明，在光刻精度上人类再次取得了重大突破。
　　材料和制造工艺的限制
　　随着集成电路集成度的提高，芯片中晶体管的尺寸会越来越小，这就对制作集成电路的半导体单晶硅材料的纯度要求也越来越高。哪怕是极其微小的缺陷或杂质，都有可能使集成电路中的某个或数个晶体管遭到破坏，最终导致整个集成电路的失败。同时，集成电路集成度的提高还会引发另一个十分棘手的问题。随着集成块上晶体管器件之间绝缘厚度的减小，当小到5个原子的厚度时(特别容易出现在绝缘层的缺陷处)，量子隧道效应将会出现，即传输电荷的电子将会穿过绝缘层，使晶体管器件之间的绝缘失效。
　　在制造工艺方面，随着光刻精度的提高，也需要相应提高硅片(基板)和光刻掩模板的表面平整度，对于数十纳米的最小线宽制程，表面平整度几乎是原子尺度。除此之外，光刻精度的提高对基板和掩模板之间的平行度要求也越来越高。这些十分苛刻的制造工艺条件，无疑也将成为提高光刻精度的另一个重要瓶颈。
　　能耗和散热的限制
　　微电子学技术除了在光刻加工技术上和半导体材质上存在着急待突破的技术限制之外，它还受到了器件能耗过大和芯片散热困难的严重困扰。随着集成电路芯片中晶体管数量大幅度增多，芯片工作时产生的热量也同样在大幅度增加，芯片的散热问题已经成为当今超大规模集成电路进一步发展的严重障碍，降低器件的能耗和解决芯片的散热也已成为微电子学技术进一步发展的一个主要技术瓶颈。
　　当今的微电子器件(如场效应晶体管)，由于本身的工作能耗太大，已经很难适应更大规模集成的需要。换句话说，即使通过芯片的新设计(如多层芯片设计技术)和光刻加工技术的改进(如极紫外光光刻技术)在一定程度上可以提高芯片的集成度，但由于目前微电子器件的工作电流和能耗都太大，大量的发热使集成电路很难保证其正常的工作状态。同时，芯片的过热还会造成其使用寿命缩短、可靠性降低等严重问题。
　　对此，英特尔公司微处理器研究实验室负责人齐勒(J.Ziller)指出“芯片的能耗是提高集成度的一堵难以逾越的障碍”。微处理器速度可望在10年后达到30~100吉赫，运算次数则达到10000亿次/秒，高速运行的微处理器芯片的发热量将和它们的速度一样也大得惊人，几乎与核反应产生的热量、或太阳表面的热量不相上下。所以，能够满足“更冷”要求的低能耗芯片技术的开发是芯片得以进一步发展的当务之急。
　　微电子学技术期待再突破
　　芯片加工工艺
　　提高芯片集成度
　　英特尔公司在最新发展的0.09微米制造工艺中，首次采用了7层铜互连技术。基于硅片上单位电路密度和制造成本的考虑，目前的0.13微米制造工艺全部采用了6层铜互连技术。英特尔公司的0.09微米制造工艺采用7层铜互连技术后，其最直接的好处是每块微处理器芯片上可以集成数亿个晶体管，大幅度提高芯片的集成度，同时还可降低生产成本。0.09微米制造工艺的成功让人们又一次看到了芯片工业的持续发展性。
　　器件特性提高和能耗降低
　　始于1990年代初的纳米技术，其最重要的一个分支领域是纳米电子学技术(nanoelectronics)，它是微电子学技术向纵深发展的直接结果。数年来的发展表明，纳米电子学技术具有突破微电子学技术瓶颈的技术优势。纳米电子学技术的出现，将给未来计算机芯片的发展带来令人欣喜的曙光，满足人类对未来芯片“更小，更快，更冷”的要求。当然，纳米电子学技术全面应用的那天，也许还要等待20或30年。
　　我们期待微电子技术的更大突破。