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    微電子技術發展現狀及趨勢

    作者:PCB    來源:未知    發布時間:2019-06-12 11:16    瀏覽量:

    微電子技術發展現狀及趨勢

    自從1947年發明半導體晶體管、1958年第一塊半導體集成電路誕生,微電子技術經過近半個世紀的高速發展,向人們顯示出微電子無所不在,無所不能。微電子已成為國民經濟和人類不可短缺的“糧食”。

    美國半導體協會把半導體技術(主要是集成電路——IC)稱為美國經濟發展的驅動器。過去30年世界上有多少產品銷售價每年降低30%?只有一種——半導體。

    微電子技術既是基礎,又是高科技。進入21世紀,微電子技術仍將飛快地向前發展。

    一、微電子技術發展水平

    自從IC誕生以來,IC芯片的發展基本上遵循了Intel公司創始人之一的Gordon E.Moore 1965年預言的摩爾定律。該定律說:芯片上可容納的晶體管數目每18個月便可增加一倍,即芯片集成度18個月翻一番,這視為引導半導體技術前進的經驗法則。換句話說,工藝技術的進展對IC集成度的提高起到乘積的效果,使得每個芯片可以集成的晶體管數急劇增加,其CAGR——累計平均增長率——達到每年58%,即三年四番(1.58 3 =4)。

    1978年時,人們認為光學光刻的極限是1微米(μm)。而發展到20世紀末,人們認為光學光刻的極限推進到0.05微米,即50納米(nm)。可以這樣說,摩爾定律的盡頭就是光學光刻的盡頭。2000年,摩爾博士在回答提問時說,摩爾定律10年不會變,最高可突破0.035μm,即35nm,預計到2010年—2012年技術達到成熟。

    1995年—2010年,世界超大規模集成電路技術發展趨勢見表1。

    表1 超大規模集成電路技術發展趨勢(1995年—2010年)

    從表1看出,預計到2010年最小線寬將達到0.07μm。技術代發展為:0.35μm→0.25μm→0.18μm→0.13μm→0.10μm→0.07μm。

    經過幾年的實際進展,美國半導體協會(SIA)又重新修訂了半導體技術發展規劃,從1997年至2012年,對技術代又補充了兩代,一是在0.18μm和0.13μm之間加了一代0.15μm,另一是在0.07μm之后又增加了一代0.05μm,基本上都提前了一年。詳見表2。

    表2 美SIA重新修訂的半導體技術發展規劃(1997年—2012年)

    從表2看出,預計到2012年將發展到0.05μm,即50nm。近二三年發展之后,美國SIA又預測說,到2010年芯片的特征尺寸就可達到45nm,這比表2又提前了二年多。而日本通產省的預計更樂觀,預計到2007年就可進入50nm時代。

    目前,集成電路的主流技術為8英寸0.25μm,而12英寸0.18μm技術也已成熟,0.15μm、0.13μm產品已開始投產,正在向0.10μm前進,并且發展速度總是比預計的還要快。

    二、微電子技術發展方向

    21世紀初微電子技術仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術為主流;隨著IC設計與工藝水平的不斷提高,系統集成芯片將成為發展的重點;并且微電子技術與其他學科的結合將會產生新的技術和新的產業增長點。

    1.主流工藝——硅基CMOS電路

    硅半導體集成電路的發展,一方面是硅圓片的尺寸愈來愈大,另一方面是光刻加工線條(特征尺寸)愈來愈細。

    從硅片尺寸來看,從最初的2英寸,經過3英寸、4英寸、5英寸、6英寸發展到當今主流的8英寸。據統計,目前世界上有252條8英寸生產線,月產片總數高達440萬片,現在還在繼續建線。近幾年來又在興建12英寸生產線,硅圓片直徑達300mm,它的面積為8英寸片(φ200mm)的2.25倍。1999年11月下旬,由摩托羅拉與Infineon Technologies聯合開發的全球首批300mm圓片產品面市。該產品是64M位DRAM,采用0.25μm工藝技術,為標準的TSOP封裝。據介紹,300mm圓片較200mm圓片,每個芯片的成本降低了30%~40%。到目前,已經達到量產的12英寸生產線已有6條,它們是:

    (1)Semiconductor 300公司,位于德國德累斯頓,開始月產1 500片,由0.25μm進到0.18μm。

    (2)Infineon公司,位于德國德累斯頓,0.14μm,開始月產4 000片。

    (3)TSMC(臺積電)公司,位于我國臺灣新竹,Fab12工廠生產線,由0.18μm進到0.15μm,以至0.13μm,開始月產4 500片。

    (4)三星公司,位于韓國,Line 11生產線,0.15μm/0.13μm,開始月產1 500片。

    (5)Trecenti公司,位于日本那珂N3廠,月產能7 000片,0.15μm/0.13μm。

    (6)英特爾公司,D1C廠,開始月產4 000片,0.13μm。

    此外,已經建廠,開始試投的也已有9條線;正在建的有4條線。

    采用12英寸圓片生產的IC產品,據報道已有:韓國三星電子公司批量生產512M位內存(DRAM);美國Altera公司在臺灣TSMC公司(臺積電)加工生產可編程邏輯器件(PLD),采用0.18μm技術;美國Intel公司在2001年3月份宣布,在當年采用0.13μm技術建12英寸生產線量產CPU。其余各線主要做存儲器電路:DRAM、SRAM或FLASH。

    在光刻加工線條(特征尺寸)方面,如前所述,在主流0.25μm技術之后,已有0.18μm、0.15μm,以至0.13μm技術連續開發出來投入使用。

    據報道,韓國Hynix半導體公司在2001年年底前,將其下屬的4家工廠的工藝技術由0.18μm提升至0.15μm,生產存儲芯片。其競爭對手三星電子公司和美光科技公司目前已經有半數芯片采用0.15μm。

    威盛率先在2001年采用0.13μm工藝生產微處理器產品,但其C3系列仍屬于P3時代產品。英特爾和AMD公司市面上產品普遍仍采用0.18μm的產品,但英特爾在2002年1月7日發布了采用0.13μm工藝生產出運算頻率突破2GHz的Northwood核心P4處理器產品,4月又公布了2.4GHz產品。這樣,英特爾仍然穩坐技術領先地位。

    在日本,NEC和日立合作于2000年8月率先推出全球第一塊采用0.13μm的256M位DRAM。2001年日本東芝和富士通與臺灣華邦合作,推出0.13μm堆疊式1G位DRAM,2002年計劃提升到0.11μm。日本五大半導體廠商正在聯合開發0.1μm以下工藝制造技術。

    2001年8月,美國應用材料公司(AM)的設備已可制造出技術水平為0.10μm(100nm)的電路,在制造工藝技術上也有新的突破。美國得州儀器公司(TI)正采用0.10μm工藝制造模擬和數字電路。

    總之,0.10μm(100nm)乃至0.04μm(40nm)的器件已在實驗室中制備成功,研究工作已進入亞0.10μm階段。

    美國英特爾公司將加速新一代0.09μm(90nm)處理器技術的開發工作,計劃在2003年上半年發布其0.09μm處理技術,該處理技術基于銅連接、低K介質和其他的一些性能上。而且該公司又開發成功一種新型晶體管技術,將使CPU集成度達到目前的25倍,可集成10億只晶體管,將使運行速度達到目前的10倍,工作頻率達到20GHz。這種CMOS晶體管結構稱為Depleted Substrate Transistor,采用的柵極長度為15nm,其柵極絕緣膜采用了高介電常數的新型材料,將通常的SiO 2 換為ZrO 2 或Al 2 O 3 等新材料,通過在絕緣層上的超薄硅層內制作晶體管來提高開關速度,稱它為Intel Tera Hertz晶體管,計劃于2006年—2010年投產的CPU中使用。英特爾的這項技術具有“革命性意義”。在提高晶體管響應速度和降低耗電量及發熱量方面,這項技術的開發成功將再次打破阻礙摩爾法則繼續存在的瓶頸。

    2.SoC技術——系統集成芯片

    早在10年前,半導體廠商就開始探討系統集成芯片(SoC)技術,英文為System on Chip,多數SoC產品可以采用純CMOS(互補絕緣柵型場效應管)工藝制造,但是真正的SoC能力要求面向系統的技術,不僅要整合CMOS、雙極器件、非揮發性存儲器、電源DMOS(擴散型絕緣柵型場效應管)等基本功能技術,而且系統本身還應融合兩種以上的基本功能技術。美國朗訊公司微電子部對SoC定義為如下的半導體器件或產品:它在單個硅片或套片上捕捉或實現系統級的知識和專門技術。單個芯片具有如下的功能:

    (1)數字信息,微處理器和微控制器核心;

    (2)數字邏輯(包含知識產權核心和定制邏輯);

    (3)精度模擬電路;

    (4)相關的存儲器(如SRAM或Flash塊);

    (5)原型動力(可編程核心)。

    SoC是IC設計能力第四次階躍,把已有優化的子系統甚至系統級模塊納入到新的系統設計之中,實現系統芯片集成,以IP復用為基礎。

    實際發展中有兩點值得注意。一是DSP已融為SoC技術大廈之關鍵。用于無線電話、高速MODEM和各種其他的電子產品的DSP芯片,正重新改造用作SoC技術的關鍵部件。另一是嵌入式超大規模集成電路是實現SoC的一種重要解決方案。嵌入式IC主要包括嵌入式MCU/MPU(微控制器/微處理器)和嵌入式FPGA(現場可編門陣列),而32位嵌入式MCU/MPU漸成主流產品。

    2000年全球SoC芯片的市場銷售量已經達到4億塊,銷售額達到80億美元,比1999年增長31%。SoC將成為IC設計業發展的大趨勢,其市場平均年增長率將超過30%,預計到2005年,全球SoC市場的銷售量將達到14億塊,市場需求額將是280億美元。

    3.微電子與其他學科結合誕生新的技術增長點

    (1)MEMS和MOEMS技術

    MEMS——微機電系統,英文是Micro Electro Mechanical Systems。這是一種體積和質量都非常小的機電一體化產品,其量度以微米為單位。MEMS是指集微型傳感器、微型執行器,以及信號處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體的、完整的微型機電系統。主要包含微型傳感器、執行器和相應的處理電路三部分。它是源于硅微細加工技術,是微電子、材料、機械、化學、傳感器、自動控制等多學科交叉的產物。

    現在又出現MOEMS——微光機電系統,即微光學電子機械系統。它是在MEMS的基礎上又增加了光學部件。

    美國是研究開發MEMS最早的國家,早在20世紀60年代就開始研究。以往MEMS技術一直主要用于軍事領域。經過近20年的技術發展,MEMS開始在消費類電子產品領域內大量投產,進入家電領域。目前,國外已開發成功硅基和非硅三維MEMS多種產品。由于硅基MEMS生產工藝與集成電路制作技術相兼容,成本低、性能高、體積微小,所以成為開發主流。產品有慣性傳感器、壓力傳感器,通信用MEMS元器件、微型光機電器件等。MEMS可應用于汽車、機械和電子、光學、醫學生物學、航空航天、軍事,以及消費類家電各領域。

    據預測,從2000年到2004年,全球MEMS市場的銷售額將從35億美元增長到71億美元,這里包括封裝后的MEMS成品,平均年增長率為20%。而在電子消費品應用領域的銷售額從2000年的2億美元增長到2005年的15億美元以上,這一應用領域將有力地促進MEMS的發展。

    可以說,MEMS或MOEMS是微電子技術與機械技術、光學技術的結合,是微電子與其他行業結合的新的突破。

    (2)生物芯片技術

    微電子技術與生物技術緊密結合,產生生物芯片。早在20世紀90年代初,美國就開始著力于DNA(脫氧核糖核酸)基因芯片的研究和生產。

    所謂“生物芯片”,是指類似于計算機芯片的裝置,它在幾秒鐘的時間里,可以進行數以千次計的生物反應,如基因解碼等。這些生物芯片采用“微凝膠”技術,可以對化合物進行生物目標對照檢查,以回答有關的問題,例如DNA排序、基因變異、基因表現、蛋白質相互作用,以及免疫反應等。這種以生物芯片支撐的、功能強大的DNA計算機雖然目前的缺點是運算速度較慢,一次運算大約需要一小時,但同時能進行10 9 億個運算,因為已能把10 9 億個鏈安排在1kg的水里,而每個鏈本身就是一個微處理器,能各干各的事情。正在研究利用有機高分子導電材料制造生物芯片技術,可以制造生物計算機,其容量將達到現在電子計算機的10億倍。

    據預測,生物芯片計劃可能會產生一個市場規模達數十億美元的新興產業。DNA是微電子技術與生命科學結合的創新領域,基因鑒定是其重要的應用,在農業、綜合工業的研究和生產中有廣泛的應用前景。

    (3)塑料半導體技術

    化學領域中有機化學的發展與半導體技術的結合,近年來發展了一個塑料半導體技術分支。

    與硅元素半導體制作晶體管截然不同,這是用塑料制作晶體管,稱為塑料晶體管,又稱為有機薄膜晶體管——OTFT,這是晶體管制作的一種新途徑。用硅平面工藝來制作晶體管需要價格很高的廠房和設備,為生產一批產品必須花費數天,以至十幾天的時間。而OTFT則可運用精密的噴墨或橡皮圖章式的印刷技術,在短短幾分鐘內制作完成。這種半導體產品還可個別制造,每片的成本預計不足0.001美元,成本極低。雖然OTFT的功能略遜于硅,而且這種情況在短期內也不會改變,但是這兩種技術之間的差距已逐漸在縮小。塑料半導體可用于各式各樣的新產品。例如:拋棄式的射頻標簽、應用于電子書的數字紙張的電子驅動裝置,以及手機、膝上電腦和PDA面板,它們幾年后的市場前景分別是42億、13億和240億美元。

    三、非硅微電子材料技術的發展

    除采用硅(Si)材料發展微電子技術之外,在近幾十年中,還研究開發了各種各樣的非硅半導體材料來發展微電子。在硅之前,20世紀五六十年代時,最早采用的是鍺(Ge)材料。我國當時就開發生產過鍺二極管和三極管,制造了第一批半導體收音機。在半導體產業的發展中,一般將Ge、Si稱為第一代半導體材料。緊接著研發出化合物半導體,以砷化鎵(GaAs)為代表。而將GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等稱為第二代半導體材料。近年來,又發展出寬禁帶(E g >2.3eV)半導體材料,包括SiC、ZnSe、金剛石和GaN等,將其稱為第三代半導體材料。

    1.砷化鎵(GaAs)

    由于GaAs電子運動速度是Si的5~6倍,因此主要應用于高頻高速領域。一般而言,Si基器件的頻率到10GHz,而GaAs的能力是10GHz~40GHz,最高已突破100GHz。它是超高速化合物半導體中最成熟的材料,國際上用GaAs單晶、外延制作器件和電路,已由3英寸、4英寸,近幾年發展到6英寸。GaAs以前主要用于軍事領域和衛星通信,在20世紀80年代以前量少價貴;進入20世紀90年代以后形勢發生急劇變化,隨著移動通信產業的不斷發展,尤其是進入數字移動通信時代以來,GaAs射頻集成電路在某些應用領域中的優勢越來越明顯,目前主要應用于數字移動電話通信、光纖通信網、地對衛星和衛星間的通信等。GaAs電子器件和電路的市場銷售額近四五年來急劇增加。據統計,1998年27億美元,1999年36億美元,2000年45億美元,預計2001年47億美元,2002年58億美元,2003年80億美元,2004年接近110億美元,其平均年增長速度達25%以上,比Si增長更快。

    2.磷化銦(InP)

    InP所制作的超高速器件比GaAs速度更快,頻率可達40GHz以上,被認為是一種最有前途的化合物半導體材料。它的應用前景是道路交通智能控制系統(ITS系統),用來提高道路交通的安全、效率及舒適性。在汽車自動防撞系統中,用來捕捉高速移動目標是靠汽車上安裝的車用雷達來實現的,它的頻率需要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。

    3.碳化硅(SiC)

    SiC具有禁帶寬度大、擊穿電場高、高的熱導率、高的電子飽和速率、介電常數小、抗輻射能力強等良好的電學性能,特別適用制作高溫、高頻、大功率電子器件。SiC器件可在500℃~600℃高溫條件下正常工作,在深層空間技術應用中又優于Si與GaAs器件。SiC單晶襯底2英寸片已生產,在研制3英寸、4英寸SiC單晶襯底。同時,在4英寸和6英寸Si片上可用外延方法制備出大面積立方晶系SiC膜。用SiC可制成SiC光電器件、電力電子器件和微波器件。用SiC材料還開發出一些數字電路、運算放大器,用于軍事系統中。

    4.氮化鎵(GaN)

    GaN的特點是:禁帶寬度大、電子漂移速度大、高熱傳導率、高耐壓、耐熱分解、耐腐蝕、耐放射性輻照等,特別適合于制作超高頻、高溫、高耐壓、大功率器件,被認為是研發最熱門的一種化合物半導體。它除了用作微電子器件以外,還可用于光電子領域,用它制作藍光LED(光電二極管)、綠光LED。最近幾年,也能做出白光固體發光器件產品,以及制作藍光LD(激光二極管)。1995年GaN基器件第一次實現商品化,到1997年市場銷售額已達1.43億美元,預測市場增長率將達40%以上,到2006年銷售額將達30億美元。

    5.硅鍺(SiGe)

    SiGe是四族元素Si與Ge相結合的一種新穎半導體材料。Si基SiGe是在Si片上用超高真空CVD(化學氣相淀積)法生長所需要的SiGe層,其所形成的異質結代替常規雙極結型晶體管的基極,因而提高了頻率。SiGe芯片具有低功耗、低噪聲、高頻率的特性,其能帶結構可人工調整,在微電子、光電子領域中有十分重要而獨特的作用,被稱為第二代硅技術。1993年SiGe器件的特征頻率已超過100GHz,完全可與GaAs相媲美。實際上,SiGe芯片已在移動通信方面逐漸用于收發器和接收器,有望取代GaAs射頻電路。除做IC之外,SiGe也可用來制作異質結雙極晶體管、光電器件和紅外探測器。它的長處在于器件生產技術與成熟的硅工藝兼容,因此成本也較低。已有報道,利用現有的8英寸硅工藝線,采用200mm圓片,把SiGe嵌入到先進而成熟的BiCMOS工藝中。由于SiGe具有低功耗、低成本等優點,所以在通信領域中被世界各大半導體公司看好。1998年尚無SiGe IC產品,1999年就有3 000萬美元的銷售額,2000年接近1億美元,2001年接近2億美元。今后幾年內,全球SiGe芯片銷售量將每年翻番,而銷售額增長也非常快。預計2002年為4.33億美元,2003年為7.06億美元,2004年將達到12.05億美元。這一速度又快于GaAs器件和電路。

    6.絕緣襯底硅(SOI)

    SOI技術為絕緣襯底硅,或叫絕緣體硅。制造CMOS的傳統方式是在整塊硅晶片上(或稱為體硅,厚度500μm左右),直接以硅作為基板來制造各個晶體管。SOI技術則是在硅晶片上先嵌埋一層絕緣物,再以這一絕緣物作為基板來制造多個晶體管。SOI芯片即是一類制作在硅襯底和SiO 2 絕緣隔離層上的、厚度僅在1μm以下的頂層硅膜內的集成電路。SOI芯片的優點是抗輻射性能提高50倍以上,工作速度快20%~35%,節約電源功耗50%~85%,芯片面積減少50%,而制造成本僅提高10%。用SOI技術可以制造高溫電路(環境溫度可達300℃)、微處理器、邏輯電路、存儲器、射頻電路和光電子電路。由于SOI可進一步提高IC的集成度、速度、可靠性,并在低電壓、微功耗、高耐壓方面有優勢,因此,開始在軍事、航空航天領域上應用,現已擴展到數字處理、通信、工業設備等領域。據預測,2001年全球8英寸SOI晶片的銷售量可達200萬片。今后SOI晶片需求量年均增長55%,到2005年國際市場上SOI銷售量將占硅材料的10%。

    7.碳納米管

    隨著IC的線寬越來越小,納米科技的時代終于宣告來臨。為克服越來越困難的半導體Si工藝技術,科學家們開始從材料方面下手,試圖尋找到能代替Si的材料,以解決線寬縮小所帶來的技術問題。

    1993年美國IBM發現單層碳納米管(Single-walled Carbon Nanotubes——SWNTs)后,即積極探索將碳納米管應用于電子學上,2001年更成功地利用碳納米管制成晶體管,這為半導體技術的一大突破。

    所謂碳納米管,其成分為碳原子,即由碳原子組成一堆細小的管子。這些管子的直徑只有頭發絲的萬分之一,是現今Si晶體管的五百分之一。它可應用于微電子組件、平面顯示器、無線通信、燃料電池及鋰離子電池。碳納米管可分為半導體型和金屬型兩種,而只有半導體型碳納米管方可用來制作晶體管。采用一種稱之為“建設性毀滅”的技術促使新晶體管誕生,主要方法是以一電子沖擊波來摧毀掉金屬型碳納米管,只留下半導體型碳納米管用來制作晶體管。近日最新突破,IBM已經利用碳納米管做出電壓反向器,即非門(NOT Gate)。這是世界上第一個分子內(或稱單分子)邏輯電路。大家知道,計算機核心處理器基本上是由非門、與門(AND Gate)和或門(OR Gate)三種邏輯組件構成的龐大的復雜電路。在這種新納米管電路中,輸出信號比輸入的更強,表明有增益(Gain),其增益值為1.6。如果碳納米管的放大作用能達到現今Si晶體管那樣大小時,它將擁有與Si一樣的功能。由此推論,當Si無法再變得更小時,比Si還小的碳納米管可繼續維持摩爾定律,從而推動微電子技術繼續向前發展。 

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