微电子技术及其发展论文

1、微电子学论文前言：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、屋子 力学、热力学与统计物理学、材料科学、电了线路、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。下而我就从如下儿个方面来谈谈微电子的 一些基木情况。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h的的微电子学又是信息领域的重要

2、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，it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，后来乂结合印刷电路组装使电子电路在小型化的方 面前进了一人步。到1958年前后己研究成功以这种组件为皋础的混合组件。集成电路的主 要工艺技术，是在50年代后半期

3、硅平血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年生产出晶体管一一晶体管理逻辑 电路和发射极藉合逻辑电路。mos集成电路出现。山于mos电路在高度集成方血的优点 和集成电路対电子技术的影响，集成电路发展越來越快。70年代，微电子技术进入了以大 规模集成电路为屮心的新阶段。随着集成密度口益提高，集成电路正向集成系统发展，电路 的设计也h益复杂、费时和昂贵。实际上如果没有计算机的辅助，较复杂的人规模集成电路 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

4、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，也己开始实现。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至大的进展。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射线等复卬技术和干法刻蚀技术h益完善，使牛产上在到亚微 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106107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、

5、髙电导 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而，随着集成度和集成系统复杂性的提高，兀余技术、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(pm, l|im=10-6m)和纳米(nm, lnm=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h的，

6、实用性强。下面介绍一下有关微电子学得一个重要分支真空微电子学的基木情况。随着1988年美国海军实验室(nrl)的(；rav等r人报导的硅真空场效应晶体管的问世，诞生了一门 崭新的学科一真空微电子学。真空微电子学是基于 电子在真空中的输运原理，借助先进的半导体微细 加工技术，在半导体晶片上制造微型化真空管或真 空集成电路(vk')的科学技术。真空微电子器件兼 有集成电路和传统真空管的优点，即，(1)宙于采用 集成电路技术，器件体积小、重量轻，并有大生产化 的潜力；(2)111于电子在真空屮传输，真空屮的电子 速度比si屮的电子速度要快1()()倍，比速度最快的 现代半导体材料(；aas,

7、 hip)还要快2()倍，它可获得更高的开关速度或更高的工作频率，故这种器件 在高频高速领域将有很大的竞争力。预计工作频率可以到1000ghz(ltiiz);(3)这种器件的工作靠冷 阴极发射，乂在“真空”屮渡越，不象半导体那样易受 温度或辐照等影响致使器件性能变坏。所以这种器 件能在极高温、极低温及剧烈变化的温度下用常工 作于采用场发射原理，器件不需要预热，功率 损耗低。利用真空微电子技术可以在直径为lmi#的硅 芯片上制造万支左右的微小型器件，集成度可以达 到硅集成电路的100100()倍，而功耗只有硅集成 电路的十分之一。也许,2010年通过这种工艺途径 可能达到硅巨大规模难以达到的集成

8、度，如64(；的 dkam 等。真空微电子学是半今一个热门的国际科技研究 领域,应用范围包括未來壁挂电视、手提电话等的显 示器、高频大功率微波器件、开关器件和未來高密度 存储器件，可使图象更清晰、功耗更少、显示器界面 更薄更坚固。真空微电子学与老式真空管相比，虽说只差一 个“微”字，但就其各自的功能來说，却有天壤z别。 所以随z而出现的貞空微电子学引起了美、英、法、荷、俄等国研究者的极大兴趣。集成电路设计的流程一般先要进行软便件划分，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

9、及消 耗功率等规格，以做为将来电路设计吋的依据。更可进一-步规划软件模块及换件模块该如 何划分，哪些功能该整合t 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(function simulation,或行为验证 behavioral simulation ) 注意

10、，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(logic cell library),作为合成逻辑电路吋的参考依据。碾件语 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索。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丁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(galc-lcvcl ncllisl vcrificalion)门级功能验证是寄存器传输级验证。主要的工作是要确

11、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z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。1=1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 的学校有上海交通人学，哈尔滨工业大学，东南大学，西安电子科技人学，电子科技人学, 哈尔滨理工大学，复旦大学，华东师范大学等。这个领域己经逐渐饱和，越来越有

12、趋势走上 当年软件行业的道路。四微机电系统(micro electro-mechanical systems, 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椿密机械加工技术的 发展而发展起來的。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 发展起来的硅平而工艺和体硅工艺。八十年代中期以后利用x射线光刻、电铸、及注塑的 liga (德文 lithograph galvanformung und abformug 简写)技术诞牛

13、，形成 f mems 加t 的另一个体系。mems的加工技术可包折硅表而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、立休光刻成形等。mems的封装技术也很重耍。传统 的秸密机械加工技术在制造微小型机械方面仍右很人潜力。mems在工业、信息和通信、 国防、航空航夭、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冃人应 川前景。口前，mems的应川领域中领先的有：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。

14、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。从研究开发的情况來看，我国在该 领域的技术水平与世界先述水平的差距并不太人，某些方而甚至己达到先进水平。但是，我 国在mems技术的产业化方面，却远远落后丁世界先进水平。五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 受到了极人的限制。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z所以能飞速发展，光刻

15、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粘度, 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，它的使川有望使光 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z, 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

16、，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捉高，芯片中晶体管的尺寸会越來越小，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來越高。哪怕是极其微小的缺陷或杂质，都有可能使 集成电路屮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 集成度的捉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z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，使品体管器件之间的绝缘失效。在制造工艺方而，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

17、 而平整度，对于数十纳米的最小线宽制程，表而平整度儿乎是原子尺度。除此之外，光刻 精度的提高对基板和掩模板zi'可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闲扰。随着集成电路芯片中品体管数 量人幅度增多，芯片工作时产生的热量也同样在人幅度增加，芯片的散热问题已经成为当今 超人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

18、子器件（如场效应晶体管），山于本身的工作能耗人大，己经很难适应更大规 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，但由于口前微电子器件 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