二十一世纪硅微电子技术发展的主要趋势和方向

jilong168

二十一世纪硅微电子技术发展的主要趋势和方向  
2005-07-14 143959　　
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　                              中国科学院院士王阳元
　
    21世纪，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物半导体和其他新材料方面的研究及在某些领域的应用取得了很大进展，但还远不具备替代硅基工艺的条件。硅集成电路技术发展至今，全世界数以万亿美元计的设备和技术投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力。同时，长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界100多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在100年内仍起主要作用。其主要发展方向有三个方面：继续缩小器件的特征尺寸所谓特征尺寸是指器件中最小线条宽度，对MOS器件而言，通常指器件栅电极所决定的沟道几何长度，是一条工艺线中能加工的最小尺寸，也是设计中采用的最小设计尺寸单位（设计规则），常常作为技术水平的标志。
    基于市场竞争，不断提高产品的性能／价格比是微电子技术发展的动力。缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能／价格比最有效手段之一。只有特征尺寸缩小了，在同等集成度的条件下，芯片面积才可以做得更小，同等直径尺寸的硅片产出量才可以提高；当然，加大硅片直径尺寸，同样也可以提高产出率；而集成度的提高不仅可以提高产出率，而且可以使产品的速度、可靠性都得到提高，相应地成本可以降低。
    集成电路技术是近50年来发展最快的技术，设计规则从1959年以来40年间缩小了140倍，而平均晶体管价格降低了107倍。如果小汽车也按此速度进步，那么现在小汽车的价格只有1美分。
    大生产的硅片以8英寸为主，但12英寸直径的硅片将在2000年后开始出现，2015年左右有可能出现16－18英寸直径的硅片。
    但是需要指出的是，这个里程表所指出的发展历程和技术进步的趋势，并不意味着一代淘汰一代。相反地，实际产业分布往往是多代并存，以成本最低，收益／投入比最大的原则各自占领相关应用领域。
    随着器件特征尺寸的缩小，我们面临两个层次的问题：即关键技术开发层次和基础研究层次方面的问题。系统集成芯片是发展重点
    在集成电路（IC）发展初期，电路设计都从器件的物理版图设计入手，后来出现了集成电路单元库（Cell－Lib），使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与集成电路设计，极大地推动了IC产业的发展。但集成电路不是最终产品，它只有装入整机系统才能发挥它的作用。IC芯片是通过印刷电路板(PCB）等技术实现整机系统的。尽管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之间的连线延时、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越来越高，传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个芯片上集成108～109个晶体管，而且随着集成电路制造技术的发展，21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代，即存储容量由G位发展到T位、集成电路器件的速度由GHz发展到THz、数据传输速率由Gbps发展到Tbps（注：1G＝109、1T＝1012、bps：每秒传输数据位数）。
    正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个集成电路芯片上的系统芯片（SystemOnChip，简称SOC）概念。系统芯片（SOC）与集成电路（IC）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的一场革命。
    SOC是从整个系统的角度出发，把处理机制、模型算法、软件（特别是芯片上的操作系统――嵌入式的操作系统）、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个（或少数几个）芯片上完成整个系统的功能。它的设计必须从系统行为级开始自顶向下（Top－Down）。很多研究表明，与IC组成的系统相比，由于SOC设计能够综合并全盘考虑整个系统的各种情况，可以在同样的工艺技术条件下实现更高性能的系统指标。芯片集成系统（SOC），主要有三个关键的支持技术：①软、硬件的协同设计技术。面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论(gluelogictechnologies）。硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是21世纪IT业发展的一大趋势。②IP模块库问题。IP模块有三种，即软核，主要是功能描述；固核，主要为结构设计；和硬核，基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺验证过的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMem??ory以及A／D、D／A等都可以成为硬核，其中尤以基于深亚微米的器件模型和电路模拟基础上、在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值。③模块界面间的综合分析技术，这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术（gluelogictechnologies）和IP模块综合分析及其实现技术等。
    微电子技术从IC向SOC转变不仅是一种概念上的突破，同时也是信息技术发展的必然结果，通过以上三个支持技术的创新，必将导致又一次以系统芯片为特色的信息技术上的革命。目前，SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正快速发展的时期。
    微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。这种技术一旦与其他学科相结合，便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，作为与微电子技术成功结合的典型例子便是MEMS（微机电系统）技术或称微系统技术和生物芯片等。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物工程技术结合的产物。
    微电子机械系统是微电子技术的拓宽和延伸，它将微电子技术和精密机械加工技术相互融合，实现了微电子与机械融为一体的系统。MEMS将电子系统和外部世界联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界的外部信号，把这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，发出指令并完成该指令。从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统。MEMS技术是一种典型的多学科交叉的前沿性研究领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子技术、机械技术、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等。
    MEMS的发展开辟了一个全新的技术领域和产业。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务。正是由于MEMS器件和系统具有体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异及功能强大等传统传感器无法比拟的优点，MEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。例如微惯性传感器及其组成的微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统（ABS）、稳定控制和玩具；微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护；同时MEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等。现在已经成功地制造出了尖端直径为5mm的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的像蝴蝶大小的飞机等。
    MEMS技术及其产品的增长速度非常之高，并且正处在技术发展时期，再过若干年将会迎来MEMS产业高速发展的时期。2000年全世界MEMS的市场可达到120到140亿美元，而带来的与之相关的市场将达到1000亿美元。
    微电子与生物技术紧密结合的以DNA芯片等为代表的生物工程芯片将是21世纪微电子领域的另一个热点和新的经济增长点。它是以生物科学为基础，利用生物体、生物组织或细胞等的特点和功能，并与微电子技术相结合进行加工生产，它是生命科学与技术科学相结合的产物，具有附加值高、资源占用少等一系列特点，正日益受到广泛关注。
    21世纪硅微电子技术发展的三个主要方向的研究工作，国际上也刚刚起步。对它的突破，对于科学家来说是一种刺激，激发我们奋发向上、争攀高峰的斗志；对一个国家来说则是一种难得的机遇，一旦抓住了这一重大机遇，则可能促使我国微电子技术的飞跃，缩短和赶上国际先进水平，实现后来居上；否则一旦错过机遇，则无疑会拉大差距，在国际竞争中处在不利的地位。