2014:微電子發(fā)展情況

現代電子制造與SMT（表面貼裝技術）密不可分，任何一款手機、任何一臺電腦的制造，都離不開SMT。而事實上是，全球電子制造領域以SMT為主體技術的生產線，正大規(guī)模地向中國轉移，中國對核心設備貼片機的需求量已占全球需求量50％左右。在PCB和IC元器件繼續(xù)小型化的趨勢下，0201甚至更小規(guī)格的01005等微型元件以及CSP、BGA和密間距器件已在中國實際生產中應用，這就勢必要求先進的電子生產設備和新材料需與全球同步進入中國市場。

微電子技術的發(fā)展與進步，主要是靠工藝技術的不斷改進，使得器件的特征尺寸不斷縮小，從而集成度不斷提高，功耗降低，器件性能得到提高。21世紀，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。盡管微電子學在化合物半導體和其它新材料方面的研究及在某些領域的應用取得了很大進展，但還遠不具備替代硅基工藝的條件。硅集成電路技術發(fā)展至今，全世界數以萬億美元計的設備和科技投入，已使硅基工藝形成非常強大的產業(yè)能力。同時，長期的科研投入已使人們對硅及其衍生物各種屬性的了解達到十分深入、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識積累。

硅基微電子技術的主要發(fā)展方面有三個方面：

一、繼續(xù)縮小器件的特征尺寸

所謂特征尺寸是指器件中最小線條寬度對MOS器件而言，通常指器件柵電極所決定的溝通幾何長度，是一條工藝線中能加工的最小尺寸，也是設計中采用的最小設計尺寸單位（設計規(guī)則），常常作為技術水平的標志。

基于市場競爭，不斷提高產品的性能／價格比是微電子技術發(fā)展的動力?？s小特征尺寸從而提高集成度是提高產品性能／價格比最有效手段之一。只有特征尺寸縮小了，在同等集成度的條件下，芯片面積才可以做得更小，同等直徑的硅片產出量才可以提高。當然，加入硅片直徑，同樣也可以提高產出量，而集成度的提高不僅可以提高產出量，而且可以使產品的速度、可靠性都得到提高，相應地成本可以降低。

基于上述原因，在新技術的推動下，集成電路自發(fā)明以來的40年間，集成電路芯片的集成度每3年提高4倍，而加工特征尺寸縮小√2倍。這就是由Intel公司創(chuàng)始人之一的Gordon E。Moore博士1965年總結出來的規(guī)律，被稱為摩爾定律。

集成電路技術是近50年來發(fā)展最快的技術，集成電路最主要的特征參數的設計規(guī)則從1959年以來40年間縮小了140倍。而平均晶體管價格降低了107倍。

表2是美國STA等機構于1999年觀測的半導體技術加工特征尺寸及相應代表產品的發(fā)展里程表。按其預測，2003年將開始有4G DRAM進入生產。它的集成度達到40億個元器件，這相當于可儲有1年半的報紙信息量（19000頁）或47分鐘的動畫或6小時的語音。

大生產的硅片直徑以200mm為主，但300mm直徑的硅片已在2000年前后開始出現。20 15年左右有可能出現400mm--450mm直徑的硅片。

但是需要指出的是，這個里程表所指出的發(fā)展歷程和技術進步的趨勢，并不意味著一代淘汰一代。相反地，實際產業(yè)分布往往是多代并存，以成本最低，收益／投入比最大的原則各自占領相關應用領域。

隨著器件特征尺寸的縮小，我們面臨兩個層次的問題：即關鍵技術開發(fā)層次和基礎研究層次。

1。關鍵技術開發(fā)層次

目前0.25微米和0.18微米已開始進入大生產。0.15微米和0.13微米大生產技術也已經完成開發(fā)，具備了大生產的條件。當然仍有許多開發(fā)與研究工作要做，例如IP模塊的開發(fā)，為EDA服務的器件模型摸擬開發(fā)以及基于上述加工工藝的產品開發(fā)等。但是在0.13微米--0.07微米階段，最關鍵的加工工藝--曝光技術還是一個大問題，尚未解決。我們知道，器件特征尺寸之所以可以縮小，主要得益于曝光技術的進步。由圖可見，在0.1微米左右有一個“gap”待開發(fā)。誰能夠在這個“gap”上取得突破，誰就能5年后集成電路產業(yè)發(fā)展中占有優(yōu)勢。同樣在65nm以下是采用E？V（Extra？V）還是采用電子束的步進光刻機或是別的什么方法，都還在研究中。

在另一個關鍵技術--互連技術上，銅互連已在0.25--0.18微米技術代中使用，但是在0.13微米以后，銅互連與低介電常數絕緣材料共同使用時的可靠性問題還有待研究。同樣，誰能取得突破，誰就可以掌握主動權。

2。基礎研究層次

這主要表現在0.07微米以后，特別對空間尺寸為納米（10-9m）量級，時間尺度為飛秒（1015s）量級的新器件將遇到器件結構、關鍵工藝、集成技術、散熱問題、材料體系以及理論基礎等方面的一系列問題。具體的需要創(chuàng)新和重點發(fā)展的領域包括基于介觀和量子物理基礎的亞50納米半導體器件的輸運理論、器件模型、熱障模型、模擬和仿真軟件，新型器件結構，高K柵介質材料和新型柵結構，電子束步進光刻和13nmEUV光刻，超細線條刻蝕，低k介質和Cu互連以及集成技術和散熱技術等。

二、系統(tǒng)集成芯片（SOC）是發(fā)展重點；

在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路都從器件的物理版圖設計入手，后來出現了IC單元庫（Cell-Lib），使用IC設計從器件級進入到邏輯級，這樣的設計思路使大批電路和邏輯設計師可以直接參與IC設計，極大的推動了IC產業(yè)的發(fā)展。但IC不是最終產品，它只有被裝入整機系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC是通過印制電路板（PCB）等技術實現整機系統(tǒng)的。盡管IC的速度可以很高，功耗可以很小，但由于PCB板中IC之間的連線延遲，PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網絡化、移動化的發(fā)展，系統(tǒng)對電路的要求越來越高，傳統(tǒng)IC設計技術已經無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。同時，由于IC設計與工藝技術水平不斷提高，集成電路規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高，已經可以將整個系統(tǒng)集成為一個芯片。目前已經可以在一個芯片上集成108-109個晶體管，而且隨著集成電路制造技術的發(fā)展，21世紀的微電子技術將從目前的3G（G＝109）時代逐步發(fā)展到3T（T＝1012）時代，即存儲容量由G位發(fā)展到T位，IC器件的速度由GHz發(fā)展到THz，數據傳輸速率由Gbps到 Tbps。

正是在需求牽引和技術推動的雙重作用下，出現了將整個系統(tǒng)集成在一個IC芯片上的系統(tǒng)級芯片（System On Chip，簡稱SOC）概念。

SOC與IC的設計原理是不同的，它是微電子設計領域的一場革命。

SOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、軟件（特別是芯片上的操作系統(tǒng)-嵌入式的操作系統(tǒng)）、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能。它的設計必須從系統(tǒng)行為級開始自頂向下（Top-Down）。很多研究表明，與由IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC 設計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能的系統(tǒng)指標。

SOC主要有三個關鍵的支持技術：①軟、硬件的協(xié)同設計技術。面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（Functional Partition Theory）。硬件和軟件更加緊密結合不僅是SOC的重要特點，也是21世紀IT業(yè)發(fā)展的一大趨勢。②IP模塊庫問題。IP模塊有三種，即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結構設計；和硬核，基于工藝的物理設計，與工藝相關，并經過工藝驗證的。其中以硬核使用價值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和快閃存儲器以及A／D、D／A等都可以成為硬核，其中尤以基于深亞微米的器件模型和電路模擬基礎上，在速度與功耗上經過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價值。③模塊界面間的綜合分析技術。這主要包括IP模塊間的膠聯邏輯技術（glue logic tec hnologies）和IP模塊綜合分析及其實現技術等。

微電子技術從IC向SOC轉變不僅是一種概念上的突破，同時也是信息技術發(fā)展的必然結果，通過以上三個支持技術的創(chuàng)新，必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為特色的信息技術的革命。目前，SOC技術已經嶄露頭角，21世紀將是SOC技術真正快速發(fā)展的時期。

三、微電子與其他學科的結合誕生了新技術和產業(yè)增長點

微電子技術的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產出具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊。這種技術一旦與其他學科相結合，便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經濟增長點。作為與微電子技術成功結合的典型例子便是MEMS（微電子機械系統(tǒng)或稱微機電系統(tǒng)）技術和生物芯片等。前者是微電子技術與機械、光學等領域結合而誕生的，后者則是與生物工程技術結合的產物。

1、MEMS技術

微電子機械系統(tǒng)是微電子技術的拓寬和延伸，它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微機電系統(tǒng)。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域。

MEMS的發(fā)展開辟了一個全新的技術領域和產業(yè)。它不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務。在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域都有著十分廣闊的應用前景。同時MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲和顯示、光譜分析、信息采集等等。

MEMS技術及其產品的增長速度非常之快，并且正處在技術發(fā)展時期，再過若干年將會迎來MEMS產業(yè)高速發(fā)展的時期。2000年全世界MEMS的市場已達到120到140億美元，而帶來的與之相關的市場將達到1000億美元。

2、生物芯片

微電子與生物技術緊密結合的以DNA芯片等為代表的生物工程芯片將是21世紀微電子領域的另一個熱點和新的經濟增長點。

采用微電子加工技術，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出含有多達10-20萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極短的時間內檢測或發(fā)現遺傳基因的變化等情況。這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉基因工程等具有極其重要的作用。

目前的生物芯片主要是指通過平面微細加工技術以及超分子自組裝技術，在固體芯片表面構建的微分析單元和系統(tǒng)，以實現對化合物、蛋白質、核酸、細胞以及其他生物組分的準確、快速、大信息量的篩選或檢測。生物芯片的主要研究包括生物芯片的具體實現技術、基于生物芯片的生物信息學以及高密度生物芯片的設計方法等等，而其加工技術則主要依賴于微電子加工技術。

四、有關國家和地區(qū)的研究開發(fā)工作與組織

世界各國為了奪取微電子技術的制高點和主動權都在加強科學研究。美國為了保持其在IC設計領域已形成的優(yōu)勢，奪取21世紀技術競爭中的領先地位，1997年美國SIA再次組織修訂美國半導體技術發(fā)展藍圖。同年美國政府和工業(yè)界又合作組建了一個新的聯合公司-微電子學高級研究公司（MARCO），以美國大學為基礎，重點加強8-10年可能出現的技術的研究開發(fā)工作。美國國防部為滿足軍用和空間應用對特殊產品的要求，支持工業(yè)界聯合開發(fā)，并將微電子技術列為國防關鍵技術項目進行研究。

日本為改變半導體競爭力下降的局面，迎接21世紀的競爭，近幾年加強了ASIC和MPU的開發(fā)和生產。尤其是SOC的迅速發(fā)展引起日本企業(yè)的極大關注，并開始在此領域投資。1996年初開始實施的“超尖端電子技術”開發(fā)計劃是一項面向21世紀產官學共同研究開發(fā)計劃，主要開發(fā)2005-2010年半導體器件、磁存儲和顯示器件等3個領域的基礎技術。為實施此計劃，通產省組織了聯合研究組織（ASET）。為了開發(fā)大晶片技術，于1996年聯合成立了“超大型硅研究所”（SSI），共同研究開發(fā)400mm硅片的關鍵技術。另外，日本為爭奪微電子機械技術領域的技術優(yōu)勢正在執(zhí)行一個為期十年，耗資2.5億美元的“微電子機械系統(tǒng)計劃”。

歐洲為振興和發(fā)展IC技術，在JESST計劃即將完成之際，又提出了歐洲微電子應用發(fā)展計劃，簡稱MEDEA計劃。1997年3月歐盟又提出了一項名為歐洲先進CMOS（ACE）研究工作，是由比利時大學校際微電子研究中心（IMEC）協(xié)調的深亞位米技術研究開發(fā)計劃，目標是開發(fā)0.13微米-0.10微米技術。

韓國90年代IC工業(yè)取得了迅速發(fā)展，技術水平大幅度提高，尤其是半導體存儲器技術領域，已成為日本強有力的競爭對手。為確保面向21世紀的 16GDRAM級半導體制造技術的實現和韓國半導體在國際市場的地位，韓國政府決定從1998年開始到2006年將實施新的半導體推進計劃，主要研究納米技術和系統(tǒng)芯片，開發(fā)制造0.1微米一下，千兆級以上的半導體的核心基礎技術和尖端設備。

我國臺灣地區(qū)，90年代半導體工業(yè)進入迅猛發(fā)展時期，1991-1997年間其工業(yè)規(guī)模年均增長率高達32％。為爭取實現成為世界半導體制造中心和國際上主要的芯片供應地的目標，以及迎接21世紀的技術競爭，臺灣地區(qū)正在強化投資，發(fā)展以Foundry為中心的芯片制造業(yè)，加強與世界有關廠商建立戰(zhàn)略聯盟。同時投資2.6億美元在臺灣交大建設一個納米電子器件實驗室，主要任務是研究0.1微米以下的新其間，并要求將培養(yǎng)博士生和碩士生的名額增加一倍。

21世界硅微電子技術發(fā)展的三個重要方向的研究工作，國際上也剛剛起步。對它的突破，對于科學家來說是一種刺激，激發(fā)我們奮發(fā)向上，爭攀高峰的斗志，對一個國家來說則是一種難得的機遇，一旦抓住了這一重大機遇，則可能促使我國微電子技術的飛躍，縮短和趕上國際先進水平，實現后來居上，否則一旦錯過機遇，則無疑會拉大差距，在國際競爭中處于不利地位。