微电子的过去

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1、本文由woaixi27贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。第15卷第2期武汉工程职业技术学院Vol.15.No.22003年6月JournalofWuhanEngineeringInstituteJune.2003微电子的过去,现在和未来严兆辉(华中科技大学电子系武汉:430074)摘要本文从微电子技术产生的背景,过程,取得的巨大成果及目前发展的不利因素介绍了微电子技术的历史和现状;从前沿技术方面介绍了微电子技术的发展方向;介绍了中国在微电子技术上取得的成果和尚且存在的许多问题,并阐明了中国必须大力发展微电子技术.关键词微电子技术历史现状发展

2、方向中国微电子产业中图分类号:TN4文献标识码:A文章编号:1671-3524(2003)-02-0030-051 微电子技术的历史及现状1. 1微电子技术的发展史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

3、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.微电子技术是十九世纪末,二十世纪初开始发展起来的新兴技术,它在二十世纪迅速发展,成为近代科技的一门重要学科.1904年,英国科学家弗莱明(JohnFleming)在像灯泡一样的玻璃管中加进第二个电极,从而发明了第一个电子管-二极管,它可以给电子整流.过了不久,美国的德福雷斯特(LeedeForest)在灯丝和极板之间加入了栅极,从而发明了三极管,并于1906年申请了专利.比起二极管,三极管有更高的敏感度

4、,而且集检波,放大和振荡三种功能于一体.电子管不仅广泛应用于电话放大器和通讯领域,也广泛应用于家庭娱乐领域,如广播,收音机,电视机,甚至在飞机,雷达,火箭等高新领域都广泛的使用了电子管.电子管的发明,使得电子技术高速发展起来.然而,电子管体积大,笨重,能耗大,寿命短的缺点,使得人们迫切需要一种新的电子元件来替代电子管.同时,飞速发展的理论也为创新铺平了道路.二十世纪二十年代,理论物理学家们建立了量子物理,1928年普朗克应用量子力学,提出了能带理论的基本思想,1931年英国物理学家威尔逊在能带理论的基础上,提出半导体的物理模型,1939年肖特基,莫特和达维多夫,建立了扩散理论.这些理论上的突破

5、,为半导体的问世提供了理论基础.1947年12月23日,贝尔实验室的巴丁和布拉顿制成了世界上第一个晶体管.此后不久,贝尔实验室的肖克利又于1948年11月提出一种更好的结型晶体管的设想.到了1954年,实用的晶体管开发成功,并由贝尔实验室率先应用在电子开关系统中.与以前的电子管相比,晶体管体积小,能耗低,寿命长,更可靠,因此,随着半导体技术的进步,晶体管在众多领域逐步取代了电子管.更重要的是,体积微小的晶体管使集成电路的出现有了可能.1952年,英国雷达研究所的一个著名科学家达默提出能否将晶体管等元件不通过连接线而直接集成在一起从而构成一个有特收稿日期:2002-08-26作者简介:严兆辉,男

6、,华中科技大学,电子系.严兆辉:微电子的过去,现在和未来31定功能的电路.之后,美国得克萨斯仪器公司的基比尔按其思路,于1958年制成了第一个集成电路的模型,1959年德州仪器公司宣布发明集成电路.同年,美国著名的仙童电子公司也宣布研究成功集成电路,该公司赫尔尼等人发明的一整套制造微型晶体管的平面工艺被移用到集成电路的制作中,集成电路很快就由实验室试验阶段转入了工业生产阶段.1959年,德州仪器公司建成世界上第一条集成电路生产线.1962年,世界上第一块集成电路正式商品问世.与分立元件的电路相比,集成电路体积重量都大大减小,同时,功耗小,更可靠,更适合大批量生产.集成电路发明后,其发展非常迅速

7、,其制作工艺不断进步,规模不断扩大.至今集成电路的集成度已提高了500万倍,特征尺寸缩小200倍，单个器件成本下降100万倍.以计算卩机的核心CPU的规模为例：1971年，Intel推出世界上第一块微处理器4004,线宽10m,集成2300个晶体管；1979年,第一块成功用于个人电脑的CPU8088内含2.9万个晶体管，线宽2m;1989年，80486芯片集成120卩卩万个晶体管，首次突破了100万个的界限，同时，线宽也突破了1m,达到0.8m.而现在，Intel公司更是将卩其生产工艺提升到0.13m,其NorthwoodPentium4处理器已集成5200万个晶体管.而根据Intel公司的计

8、划，卩将于20032004年过渡到更先进的0.09m工艺.1. 2微电子技术的巨大作用从产生之日起，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

9、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.可以说微电子技术已和我们的生活密不可分，我们身边的一切都有微电子技术的影子.甚至我们的生活方式都受到其深远

10、的影响，看电视，打电话，使用电饭煲，电冰箱等等都用上了微电子技术.1.3微电子技术的危机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卩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0.25m的时代，光源卩主要是紫外光，目前使用了深紫外线光刻技术(DUV),芯片线宽下降到0.180.13m,其理论上将能使集成卩电路的线宽达到0.1m.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),它卩能使集成电路的线宽突破0.1m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

11、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.卩不仅如此，随着集成电路集成度的提高，芯片的生产成本也越来越高，一个0.18m生产工艺制造厂的生产，建设成本就高达40亿美元!在制造晶体管的材料上，现有技术也遇到了问题.几十年来，二氧化硅一直被用作晶体管的栅介质和电容介质.随着半导体集成电路加工工艺的不断升级,晶体管的尺寸越来越小,二氧化硅层的厚度也在不卩断减小.如0.65m工艺线中，二氧化硅层的厚度要求小于2nm,但这么薄的二氧化硅层很容易被电流击穿.因此,科学家们需要新的材料来替代二氧化硅，这已成为整个微电子工业最迫切需要解决的问题之一.2 微电子技术的发展方向1制造

12、工艺的进步武汉工程职业技术学院学报2003.15(2)32尽管无情的自然规律使得莫尔定律迟早会死亡，但是至少目前全世界的芯片厂商都在努力使其生存下卩去.尽管全世界芯片制造业经济低迷，但各厂商仍投入巨资开发新技术.Intel公司仍然推出使用0.09m工艺的微处理器.经济的低迷并没有阻止技术的进步.现在，芯片制造业纷纷采用更先进的技术来加强自身竞争力.这些技术主要有:采用更大尺寸的晶圆;铜互连技术取代铝互联技术;进一步缩小集成电路内部线宽;采用新的芯片制造技术.采用新的材料.2. 1.1英寸晶圆过渡到12英寸晶圆8现在业内采用的晶圆直径一般为200mm(8英寸)，目前的趋势是提升到300mm(12

13、英寸).晶圆直径由8英寸过渡到12英寸，大约可以增加240(的单位产能，降低30(的制造成本以及约40(的能源与水资源的消耗.300mm之后将是450mm(18英寸)，目前已处于研究阶段，估计到2009年进入生产阶段;片径675mm(27英寸)的研究预计将在2006年开始研究.铜互连技术铝在半导体工业中一直被用来作为芯片中的互连金属，但随着集成电路特征尺寸的缩小，工作频率的提高，芯片中铝互连线的电阻已开始阻碍芯片性能的提高，因此，人们开始在芯片制造中用铜代替铝来作为互连金属.铜的阻抗系数只有铝的一半，用铜互连可以减小供电分布中的电压下降，或在电阻不变的情况下减小同一层内互连线之间的耦合电容，可

14、降低耦合噪音和信号延迟，从而可以达到更高的性能.而且，铜在金属迁移方面也更稳定，因而可容纳更高密度的电流，从而在减小线宽的同时提高了可靠性.现在已有材料共同使用时的可靠性等问题采用新的光刻技术众多厂商在其芯片生产中采用了铜互连技术.但该技术也并非完美，目前，还在研究铜与低介电常数绝缘集成电路生产中广泛使用了光刻技术，它是芯片制造业中最关键的工艺光刻技术的不断创新，使得半导体技术一再突破人们所预期的极限.目前的芯片制造中广泛使用的是光学光刻技术，为减小集成电路的卩线宽，光刻机光源的波长非常短，目前多使用深紫外光(DUV)，但此技术难以实现0.07m以下工艺，因此各厂商正大力研发下一代非光学曝光系

15、统，目前比较看好的有超紫外线光刻系统(EUV)等.新的制造工艺晶体管犹如一个小开关，可以控制电流的通断，但实际上晶体管并不能完全控制电流，因此，有许多附加工艺来提高晶体管的性能.世界两大微处理器制造商之一AMD公司其新研发的产品Hammer就将使用SOI技术来生产，希望以此来大大提高其产品性能.SOI是IBM公司开发成功的芯片制造工艺，SOI硅晶片使用一个绝缘层隔离在其上蚀刻电路的硅层，来避免电子向下层的流动，从而使电子的利用率提高，进而使整个芯片的工作效率提高.同时，AMD公司的老对手-Intel公司也在其新一代处理器Prescott中使用名为变形硅(StrainedSilicon)技术，它

16、通过在硅片下安放一层特殊的硅锗衬底，上层硅原子受到衬底原子的作用力.而向外运动,从而加大了硅原子间的距离.它可以有效地扩展晶体管的通道,从而大幅度提高电流通过能新的材料随着集成电路制作工艺的进步,集成电路互连金属间的介质材料对性能的影响越来越大,以往集成电路工艺中广泛使用的介电常数为4的氧化硅和氮化硅溅射介质层,已不能适应新一代铜多层互连技术.因此,各大厂商都在寻造新的低K介质材料,尤其是在铜互连技术中使用的绝缘介质.Intel公司在其新推出的Prescott处理器中就使用了一种新型掺碳氧化物绝缘材料.但目前,在这一领域,仍有大量研究工作要做卩在寻求合适的低K介质材料的同时，科学家们同样在寻找

17、新的高K介质材料.在元件尺寸小于0.1m时,栅极绝缘介质层的厚度将减小到3nm以下,如果此时仍用二氧化硅作为栅极绝缘材料，栅极与沟道间的直接隧穿将非常严重，因此，科学家们正努力寻找合适的高K介质材料来取代二氧化硅.2002年，南京大学，中科院物理所和摩托罗拉中国研究所宣布他们发现铝酸镧和镧铝氧氮这两种材料在所有候选的高K介质材料中有最好的热稳定性，有希望在65nm以下工艺中取代二氧化硅.2. 2微电子技术的新方向随着集成电路技术的发展，人们开始从多个方面来发展半导体技术，目前及将来，人们会通过许多途径严兆辉:微电子的过去，现在和未来33发展微电子技术来满足社会生产的需要，而不仅仅局限于提高现有

18、的工艺.这些途经有:SOC技术，纳米技术，MEMS技术等.SOC(System-on-chip)这一概念是二十世纪九十年代提出的，它从整个系统的角度出发，把处理机制，模拟算法，软件芯片结构，各层次电路直至器件的设计都紧密结合起来，用一块芯片实现以往由多块芯片组成的一个电子系统的功能.SOC的出现，使得微电子技术由电路集成(IC)转向(IS)发展.由于SOC技术能综合并全盘考虑整个系统的各个情况，因此与传统的多芯片的电路系统相比，在性能相当时能降低电路的复杂性，从而使得电路成本下降，可靠性提高.目前，SOC技术已广泛应用于信息家电，个人电脑以及一些便携式设备中.近年来，随着纳米技术的发展，人们发

19、现一些材料达到纳米量级时会出现一些新的性质.因此，人们开始寻找合适的纳米材料来代替硅制造晶体管，这在硅芯片的工艺快要达到物理极限的今天尤为必要.2002年5月，IBM公司宣布，他们已开发出性能优异的碳纳米晶体管，并认为这一新材料将来很有可能取代硅材料.但目前，这一技术还很不成熟，IBM公司的科学家承认，碳纳米管电子器件要投入商业生产也许还要十年，他们认为，硅电子时代只能渐进的过渡到纳米电子时代.MEMS则是微电子技术与其他学科结合的典型.MEMS即微电子机械系统，它将传感器，执行器和相应的处理电路集成在一起.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

20、由此做出相应的操作.MEMS是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术与精密加工技术结合起来，实现了微电子与机械融为一体.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，如能夹起红血球的镊子，3mm大小的汽车等.3 中国微电子产业3. 1中国微电子产业发展过程中国半导体技术在世界上起步较早,1958年世界上半导体技术起步不久,我国就建成了第一个晶体管厂,1965年,中国制造出自己的第一块集成电路.六七十年代,由于体制的缺陷和文革的影响,使得中国的微电子技术落后于国际水平.八十年代,国家陆续建立了一批工厂和科研院所来进行

21、集成电路的研究和生产,但由于政策上没有相应的措施,大量的投入并没有带来相应的成果,中国微电子技术的水平与国际先进水平相比,差距越来越大.进入九十年代后,政府和国内厂商大量引进国外的资金和先进技术,成立了许多合资以及独资企业,这些企业为中国微电子行业的进步起了起了很大的推动作用.现在,我国微电子产业结构上,设计,制造封装三业并举的局面已逐步形成.如在芯片生产上有首钢NEC,上海贝岭,中晶国际等,芯片设计上有北京华大,大唐微电子,无锡矽科,杭州士兰等.但是,目前的中国的微电子产业还存在着很多严重的问题,那就是没有多少属于自己知识产权的产品,产业规模小,工艺落后,产品档次低,研发能力弱,产业结构也不

22、够完整.而这将严重影响我国的经济利益和国防安全.3. 2中国发展微电子产业的必要性现在,中国已成为世界上经济最活跃的地区,中国庞大的人口以及逐年提升的人均收入,使得中国成为一个日趋扩大的市场.家电,通信,计算机等在中国每年都在快速发展,尤其是通信业和计算机行业,2001年,中国固定电话和移动电话分别新增3484万户和5955万户,增长24和71.2002年上半年国内移动电话销量已达2909.9万台,销售额564.5亿元人民币,产销量同比增长都超过了40.在北美和欧洲市场停滞不前时,中国的计算机市场仍在快速发展.2002年上半年,硬件市场实现销售额955.6亿元人民币,同比增长12.8.在这些数

23、字的背后,是对微电子产品的大量需求.2001年我国集成电路市场为1200亿元人民币左右,但国内仅能提供所需260亿块集成电路中的约40亿块.虽然我国已成为世界上最大的消费类电子信息产品的生产国和装配国,但大多数企业设计能力不足,没有自己的核心技术,生产产品基本上是给别人组装,产量大,产值高,但利润很低,大头都被上游厂商及芯片开发商拿走了.不仅如此,国外厂商还经常利用武汉工程职业技术学院学报2003.15(2)34自己掌握了核心技术从而来打击中国厂商.2002年初,国外六家厂商(日立,松下,时代华纳,JVC三菱电机,)起诉中国DVD厂商,要求中国厂商为其产品交纳DVD专利费,从而在市场上排挤中国

24、厂商,为其东芝新一代蓝光DVD开路.最后,中国厂商不得不在其每台DVD产品中加入9美元的专利费.微电子技术的落后,不仅使得中国的经济受制于人,就连国家安全都受到严重威胁.如今,中国的大部分政府机关,乃至于许多国防工程,其信息化的基础就是外国厂商的设备,即使是国产设备,有许多其芯片都依赖进口,其安全性令人担忧.由于我们并不清楚进口芯片的硬件设计,因此,设计商如果在芯片中留上后门我们也很难觉察.美国在海湾战争之前,就通过第三国让一批使用了特定芯片的打印机进入了伊,拉克国防机构.海湾战争爆发后,美国通过遥控启动了打印机芯片中隐藏的特定程序,从而严重影响了伊方的指挥系统.当年我国曾发文禁止国家机关使用

25、美国Intel公司的Pentium3微处理器,就是因为Pentium3芯片中放置了用以识别用户身份的序列号.微电子技术的落后,使得国家安全也难以保障!因此,我们应该加大力度发展中国自身的微电子技术.3.3中国微电子产业的一些成就和问题就目前来看,在芯片制造上,中国主要依靠引进技术和设备尤其是生产线,这种方式的确对微电子行业卩的发展起了一定的推动作用.1999年2月,华虹NEC的8英寸,350.5m芯片生产线的投产,使得我国0.微电子工业跟上了国际主流水平,2001年9月中芯国际8英寸,25m的生产线正式投产.2002年,台湾当0.卩局允许在内地投资8英寸晶圆厂后，台湾著名的晶圆代工厂台联电和台

26、积电马上抢滩上海，摩托罗拉公司也卩决定自天津建立其在全球的第十七个芯片制造厂,上海贝岭的8英寸0.25m芯片生产线也于年底试运行卩2002年,中芯国际已经开发出了0.18m工艺，2003年年初,中芯国际又先后与英飞凌,尔必达,东芝等世界卩巨头达成协议,分别引进0.14m的DRAM沟道技术，13m的堆迭式DRAM技术，15m低功耗SRAM制0.卩0.卩程技术.中国的芯片企业已在更多的芯片制造技术上跟上了国际水平.这些年,中国在集成电路的设计上已取得了一定的成果.1999年底,北京大学最早研制出我国第一颗拥有自主知识产权的16位嵌入式微处理器.2001年4月中芯微系统技术有限公司在国内率先研制出3

27、2位实用化微处理器方舟一号以及基于,方舟一号的网络计算机NC2000,随后又推出了方舟二号,2002年9月,中科院计算所又推出了我国自主研制的高性能通用CPU龙芯一号同时曙光发布了装载,龙芯的龙腾服务器,这将大大提高我国的信息安全.但是,从总体上看,目前中国的集成电路设计仍远远落后于国际水平.我国IC设计业目前还处于初级阶段,行业规模较小,技术水平较低.2000年时,全国IC设计业全年营业额只有10余亿元人民币，只有4家卩IC设计企业营业额达到1亿元人民币.现在，芯片最高设计水平也只有0.250.18m,3层金属布线，主流设卩计线宽为0.81.5m,双层布线,设计产品主要以中低档消费类产品为主

28、.芯片设计能力与生产能力严重脱节，使得国内的集成电路工厂主要接受来自国外的设计和订单.另外，集成电路设计人才严重短缺.中芯国际的3000多名员工中，占总人数1/3的中高级技术人员几乎全是海外或境外人士.目前中国每年从IC设计和微电子专业毕业的高学历硕士生只有几百人，中国目前只有十余所大学能培养IC设计专业的学生.有关部门估计，到2008年，IC产业对IC设计师的需求量将达到25万30万人，因此中国的IC设计专业人才严重不足.中国的微电子行业在近几年里已有了长足的进步，但是，与国际水平比起来，仍有着不小的差距.因此，在新的世纪里中国必须加大力度发展微电子产业，努力使中国由芯片加工制造出口的大国转变为微电子工业的强国!参考文献1毕克允，微电子技术M，国防工业出版社，2000.2.2吴德馨，钱鹤叶甜春，刘明，现代微电子技术M，化学工业出5黄德修，信息技术导论M，中国电力出版社，2001.5.6.P.考林基，SOI技术M，科学出版社，1993.12.J7沈伟光，21世纪战场M，新华出版社，2002.1.版社，2002.1.3苑伟政，马炳和，微机鞋与微细加工工艺M，西北工业大学出版社，2002.8.4高鼎三，世界电子科技史M，吉林教育出版社，1998.12.（责任编辑:赵国求）