微电子的过去现在和未来.pdf

1、0 微电子的过去 现在和未来 严兆辉 (华中科技大学电子系，湖北武汉430074) 摘 要 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已取得的成果和尚存在的许多问题， 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方向微电子产业 中图分类号F41663 文献标识码A 文章编号 10017348(2003)07176-03 1微电子技术的历史及现状 11微电子技术的发展史 微电子技术是19世纪末、20世纪初开始 发展起来的一门新兴技术，它是随着集成电 路，尤

2、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。可以说，微电子技术是 在电子电路和系统的超小型化和微型化过 程中逐步形成和发展起来的，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

3、规模的批 量生产，因而成本低，可靠性高。 12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、 收稿日期：2oo3-o418 176科技进步与对策7月号2003 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

4、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。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，如今，你无论在 哪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

5、子技术的 影子。甚至我们的生活方式都受到其深远的 影响，如看电视、打电话、使用电饭煲、电冰 箱等等都是因为有了微电子技术的发展。 13微电子技术的危机 微电子产业经过了这40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0251Lm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018-0131Lm，其理 论上将使集成电路的线宽达到01ILm。而英 特尔、摩托罗拉等公司从20世纪90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01I

6、Lm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。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0181Lm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，SiO2一直被用作晶体 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，SiO 层的厚度也在不断减少。如 0651Lm工艺线中，SiO 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

7、此，科学家们需要新的材料来替代 SiO ，这已成为整个微电子工业界目前最迫 切需要解决的问题之一。 2微电子技术的发展方向 ； ； f 1 ； I 辱； 唪 “ ； ， 崎 21制造工艺的进步 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0091m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

8、用新的芯片制造技术；采用新的材料。 211 8英寸晶圃过渡到l2英寸晶圆 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 300ram(12英寸)。晶圆直径由8英寸过渡到 l2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。300ram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2oo6年开始研究。 212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

9、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材料共同使 用时的可靠性等问题。 213 采用新的光刻技术 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

10、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 007txm以下工艺，因此各厂商正大力研发 下一代非光学曝光系统，目前比较看好的有 超紫外线光刻系统(EUV)等。 214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 路，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，希望以此来提高其产品性能。 SOI是IBM公司开发成功的芯片制造工艺，

11、 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(Strained Sili con)技术，它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 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 度提高电流通过能力。 215 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

12、化硅溅射介质层， 已不能适应新一代铜多层互连技术。因此， 各大厂商都在寻找新的低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。 在寻求合适的低K介质材料的同时。科 学家们同样在寻找新的高K介质材料。在元 件尺寸小于01 m时，栅极绝缘介质层的厚 度将减小到3nm以下，如果此时仍用SiO2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

13、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SiO：。 22微电子技术发展的新方向 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，人们会通过许 多途径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的工艺。这些途 径有：SOC技术、纳米技术、MEMS技术等。 SOC(System-onchip)这一概念是20世 纪90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。SO

14、C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 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

15、，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地过渡到纳米 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行业，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

16、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中国微电子产业发展展望 31 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 20037月号科技进步与对策 17_7 lf 豳 唧l啊T_ 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。2O世纪60、7O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。80年代， 国家陆续建立了一批工厂和科研院来进行 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，

17、差距越来越大。进入90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到了很大 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，产业结构也不够 完整。而这将严重影响我国的经济利益和国 防安全。 32 中国发展微电子产业的必要性 现在，中国

18、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，20o1年， 中国固定电话和移动电话分别新增3 484 万户和5 955万户，增长24和7l；20o2 年上半年国内移动电话销量已达2 9099万 台，销售额为5644亿元人民币，产销量同比 增长都超过了40。在北美和欧洲的计算机 市场发展停滞不前时，中国的计算机市场仍 在快速发展。20o2年上半年，硬件市场实现 销售额9556亿元人民币，同比增长l28。 在这些数字的背后，是对微电子产品的大量 需求。2001年我国集

19、成电路市场为1 2oo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，太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自己掌 178科技进步与对策7皇号2003 握的核心技术来打击中国厂商。2002年初， 国外6家厂商(日立、松下、时代华纳、JVC、 三菱电机、东芝)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 在市场上排挤中国厂商，为其新一代“蓝光” DVD开

20、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 如果在芯片中留有“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

21、用美国lntel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。 33 中国微电子产业的发展成就及存在问 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的发展起了一定的推动 作用。i999年2月，华虹NEC的8英寸、 03505 m芯片生产线的投产，使得我国微 电子工业跟上了国际主流水平，2001年9月 中芯国际8英寸、025 m的生产线正式投 产。2002年，台湾当局允许在内地投资8英 寸晶圆厂后

22、，台湾著名的晶圆代工厂台联电 和台积电马上抢滩上海，摩托罗拉公司也决 定在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025 m芯片生产线 也于年底试运行。2002年，中芯国际已经开 发出了018 m工艺，2003年年初，中芯国际 又先后与英飞凌、尔必达、东芝等世界巨头达 成协议分别引进014 m的DRAM沟道技 术、013 m的堆迭式DRAM技术、015pan 低功耗SRAM制程技术。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。2

23、0o1年4月中芯微系统 技术有限公司在国内率先研制出32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NC2o0o，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 信息安全程度。 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。2Ooo年时，全国TC设计业全 年营业额只有10余亿元人民币，只有4家 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

24、25-018 m， 3层金属布线，主流设计线宽为0815 m， 双层布线，设计产品主要以中低档消费类产 品为主。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3 000多名员工中，占总人数13 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20o8年，IC产业对IC 设计师的需求量将达到25万3O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北京：国际工业出版 社2000 2吴德馨，钱鹤，叶甜春，刘明现代微电子技术 M、北京：化学工业出版社，2oo2 3 高鼎三世界电子科学史M长春：吉林教育出 版牡。1998 (责任编辑胡俊健)