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微电子发展的几个技术方向

文章来源：本站整理点击数：更新时间：2008-4-1 【字体：小大】

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当代的微电子技术以硅材料和CMOS技术为主导。因为GaAs的电子迁移率比硅高许多倍（约为硅的6倍），一度有人期待以GaAs替代Si制造超高速集成电路并已取得不少成果，但近年来世界上许多大公司的GaAsIC计划已纷纷下马，原因是工艺太复杂，与Si没有竞争的能力，人们宁肯用更细的特征线宽来取得电路的高速。有一段时期，GaAs的HBT（异质结双极晶体管）技术在国际上很行市，但近年出现了Ge-Si HBT以后，几乎主要注意力都集中到后一技术上去了，其主要原因还是因为后者的工艺与CMOS兼容。上述例子说明，一种有极大发展潜力的技术，如COMS（它具有高速、低功耗和工艺相对简单等优点，且按Scaling down原则这些优点在尺寸越小时更为明显），当社会投入了大量人力、财力，一旦成熟，它的发展具有特定的惯性，即除非有一种新技术在各方面都比它优越并在成本上有竞争能力，才有可能逐步取代它。从这个观点出发，我们认为至少在21世纪的前两个10年内，传统的Si微电子技术仍将有很大发展。下面列出几个主要方面。1.器件与工艺特征线宽向0.1微米、进而向几百纳米发展。到纳米级时曝光技术肯定会转向电子束或X射线，但在0.1微米之间看来仍会用短波长的紫外光配以移相等技术以克服光衍射效应。要0.1微米及更小尺寸的MOS器件仍能正常工作，器件结构及掺杂分布和浅PN结制作等都需精密设计，予以优化。
2.设计方法学及设计工具的创新。近十几年来集成电路和系统的设计方法、技术和工具都有很大发展，但是迄今它们仍是微电子发展的一个瓶颈；设计、应用仍远远未能充分利用微电子工艺技术所已达到的这个技术资源宝库。以微处理器而言，近几个通过RISC（减小指令计算机）和CISC（复杂指令计算机）两种设计方法（或结构）的竞争已把工作频率提高了近两个量级，充分说明了设计方法学改革的潜力。随着电路集成逐步转向系统集成，设计方法学的发展也将主要集中以微电子系统为核心而展开，从而相应地设计技术和工具的开发也将围绕系统级进行，如何使今天基本围绕微电子电路发展起来的丰富的设计工具规范化、集成化，以提供系统级使用，以及发展系统级设计和微电子芯片整体优化的技术和工具将是今后的重要课题。
3.绿化芯片。随着微电子芯片集成度的不断提高，尤其对于高速集成电路，芯片功耗（虽然原则上说，CMOS功耗是很低的，但是高速工作时单位面积耗散功率，因芯片所占面积小，可以达到惊人的程度——如每平方厘米上百瓦！）是急需严肃关注的问题。尤其，随着微电子系统的不断超小型化（今后人们将携带各种笔记本式微机或个人数字助理—PDA等），高速化，以及大量应用，不光是社会功率消耗是个问题，对个人及环境的电磁辐射也将成为一个值得考虑的公害，所以无公害的绿色芯片（低功耗芯片）必然是今后发展的方向。现在已出现了维持功耗仅有几十微瓦的微电子高速集成系统芯片。大大降低功耗仍保持高的处理速度的微电子芯片是21世纪的发展目标。对此电性能和热开销相结合（均优化）的设计将是发展的又一个重要方面。
4.封装和测试策略。随着芯片集成度及复杂性的提高，VLSIASIC（超大规模，专用集成电路）的封装越来越成为一个问题。现在一个管壳的管脚数可多达几百个，管脚间的间距已只有几十微米，虽用SMT（表面组装技术）等方法也难于进一步进展。所以今后设计必须要考虑优化芯片引出线数目的问题。实际上这也是必须走向系统集成化的一个重要因素。系统集成下就可考虑尽量把那些关键性（连线延时受限制的）部件集成在一个芯片上，并减少非必要的引出线。作为变通，现在已把一些子系统集成为模块，只留下模块间的连接通过封装的管脚相连。今后，如实现系统集成化，管脚问题就更容易解决。
微电子芯片的测试、检验是其发展的另一个瓶颈。随着芯片功能越多、越复杂，而工作速度越快，在出厂以前如何保证在各种条件、各种模式下芯片能正常工作呢？抛开成本不说，测试的时间也成为问题。现在对于一些逻辑电路为主的[size=+0]ASIC，设计者在设计同时设计了测试图形（达到一定覆盖率），而且还插入必要的自检测电路，芯片完成后再用专用设备进行“全面”检测。据报导，即使如此，检测合格的ASIC芯片当插入系统实用时往往还有30％～50％不能合格。为此已有人提出硬件仿真的老方法，认为对每一新设计的ASIC先做出试验硬件（如用FPGA），应用合格后再正式设计定型。但这样会大大延长设计周期，提高试制成本。我们认为对于微电子系统芯片的检测必须在理论上和策略上有一个突破，然后把测试纳入整个微电子系统芯片设计的内容。
5.微环境和灵巧生产线。当前要建立一条8吋硅片、0.6微米的CMOS大生产工艺线要投资高达几亿或十几亿美元。随着工艺日益精细化这种投资还要成倍增加。这使微电子大生产越来越为少数垄断企业所把持。工程师们日益感到当前这种一代新技术、一代新设备、一代新的超净厂房的发展模式应该有所改变。提出的方向是超净微环境化，即只环绕芯片加工的各道工序及其通道实行超净化替代今日极高代价的全厂房超净化；另外是工艺设备的集成化（通过积本块化）和灵巧化，使生产更为灵巧，通过排程可以升级或满足不同的技术要求。对此还有很多的技术工作要做。此外，走向CIMS（计算机集成生产系统）进行生产无疑是微电子大生产的必然方向，对此上述技术的突破也是决不可少的

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