原创 21世纪硅微电子技术展望

21世纪硅微电子技术展望
王阳元 院士
    微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不
断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。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它新
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科技投入，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。
硅基微电子技术的主要发展方面有三个方面：
一、 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
沟通几何长度，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，同等直径的硅片产出量才可以提高。当然，
加入硅片直径，同样也可以提高产出量，而集成度的提高不仅可以提高产出量，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。
    基于上述原因，在新技术的推动下，集成电路自发明以来的40年间，集成电路芯片
的集成度每3年提高4倍，而加工特征尺寸缩小√2倍。这就是由Intel公司创始人之一的
Gordon E. Moore博士1965年总结出来的规律，被称为摩尔定律。图1表示它的发展趋势
。根据图示，2000年4G DRAM可进入生产，集成度已达到10晶体管/芯片。
    集成电路技术是近50年来发展最快的技术，表1表示了集成电路最主要的特征参数的
变化，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。
    表2是美国STA等机构于1999年观测的半导体技术加工特征尺寸及相应代表产品的发
展里程表。按其预测，2003年将开始有4G DRAM进入生产。它的集成度达到40亿个元器件
，这相当于可储有1年半的报纸信息量（19000页）或47分钟的动画或6小时的语音。
    大生产的硅片直径以200mm为主，但300mm直径的硅片已在2000年前后开始出现。20
15年左右有可能出现400mm--450mm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。
1． 关键技术开发层次
    目前0.25?m和0.18?m已开始进入大生产。0.15?m和0.13?m大生产技术也已经完成开
发，具备了大生产的条件。当然仍有许多开发与研究工作要做，例如IP模块的开发，为
EDA服务的器件模型摸拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等。但是在0.13?m--0.0
7?m阶段，最关键的加工工艺--曝光技术还是一个大问题，尚未解决（如图2所示）。我
们知道，器件特征尺寸之所以可以缩小，主要得益于曝光技术的进步。由图可见，在0.
1?m左右有一个“gap”待开发。谁能够在这个“gap”上取得突破，谁就能5年后集成电
路产业发展中占有优势。同样在65nm以下是采用E?V（Extra ?V）还是采用电子束的步进
光刻机或是别的什么方法，都还在研究中。
    在另一个关键技术--互连技术上，铜互连已在0.25--0.18?m技术代中使用，但是在
0.13?m以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究（见图
3）。同样，谁能取得突破，谁就可以掌握主动权。
2． 基础研究层次
    这主要表现在0.07?m以后，特别对空间尺寸为纳米（10-9m）量级，时间尺度为飞秒
（1015s）量级的新器件将遇到器件结构、关键工艺、集成技术、散热问题、材料体系以
及理论基础等方面的一系列问题。具体的需要创新和重点发展的领域包括基于介观和量
子物理基础的亚50纳米半导体器件的输运理论、器件模型、热障模型、模拟和仿真软件
，新型器件结构，高K栅介质材料和新型栅结构，电子束步进光刻和13nmEUV光刻，超细
线条刻蚀，低k介质和Cu互连以及集成技术和散热技术等。
&n二、 系统集成芯片(SOC)是发展重点bsp;
    在集成电路（IC）发展初期，电路都从器件的物理版图设计入手，后来出现了IC单
元库（Cell-Lib），使用IC设计从器件级进入到逻辑级，这样的设计思路使大批电路和
逻辑设计师可以直接参与IC设计，极大的推动了IC产业的发展。但IC不是最终产品，它
只有被装入整机系统才能发挥它的作用。IC是通过印制电路板（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之间的连线延迟，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IC设计技术已经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
艺技术水平不断提高，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（G=109）时代逐步发展到3T（T
=1012）时代，即存储容量由G位发展到T位，IC器件的速度由GHz发展到THz，数据传输速
率由Gbps到Tbps。
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IC芯片上的系
统级芯片（System On Chip，简称SOC）概念。
    SOC与IC的设计原理是不同的，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，与由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。
     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（Functional Partition Theory）。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，并经过工艺验证的。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRA
M、E2PROM和快闪存储器以及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（glue logic tec
hnologies）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。
    三、 微电子与其他学科的结合诞生了新技术和产业增长点
    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（微电子机械系
统或称微机电系统）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。
1、 MEMS技术
    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。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。
    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。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都有着十分广阔的应用前景。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。
    MEMS技术及其产品的增长速度非常之快，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的市场已达到120到140亿美元，而
带来的与之相关的市场将达到1000亿美元。
2、 生物芯片
    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。
    采用微电子加工技术，可以在指甲盖大小的硅片上制作出含有多达10-20万种DNA基
因片段的芯片。利用这种芯片可以在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化等情况。
这无疑对遗传学研究、疾病诊断、疾病治疗和预防、转基因工程等具有极其重要的作用
。
    目前的生物芯片主要是指通过平面微细加工技术以及超分子自组装技术，在固体芯
片表面构建的微分析单元和系统，以实现对化合物、蛋白质、核酸、细胞以及其他生物
组分的准确、快速、大信息量的筛选或检测。生物芯片的主要研究包括生物芯片的具体
实现技术、基于生物芯片的生物信息学以及高密度生物芯片的设计方法等等，而其加工
技术则主要依赖于微电子加工技术。
    四、 有关国家和地区的研究开发工作与组织
    世界各国为了夺取微电子技术的制高点和主动权都在加强科学研究。美国为了保持
其在IC设计领域已形成的优势，夺取21世纪技术竞争中的领先地位，1997年美国SIA再次
组织修订美国半导体技术发展蓝图。同年美国政府和工业界又合作组建了一个新的联合
公司-微电子学高级研究公司（MARCO），以美国大学为基础，重点加强8-10年可能出现
的技术的研究开发工作。美国国防部为满足军用和空间应用对特殊产品的要求，支持工
业界联合开发，并将微电子技术列为国防关键技术项目进行研究。
    日本为改变半导体竞争力下降的局面，迎接21世纪的竞争，近几年加强了ASIC和MP
U的开发和生产。尤其是SOC的迅速发展引起日本企业的极大关注，并开始在此领域投资
。1996年初开始实施的“超尖端电子技术”开发计划是一项面向21世纪产官学共同研究
开发计划，主要开发2005-2010年半导体器件、磁存储和显示器件等3个领域的基础技术
。为实施此计划，通产省组织了联合研究组织（ASET）。为了开发大晶片技术，于1996
年联合成立了“超大型硅研究所”（SSI），共同研究开发400mm硅片的关键技术。另外
，日本为争夺微电子机械技术领域的技术优势正在执行一个为期十年，耗资2.5亿美元的
“微电子机械系统计划”。
    欧洲为振兴和发展IC技术，在JESST计划即将完成之际，又提出了欧洲微电子应用发
展计划，简称MEDEA计划。1997年3月欧盟又提出了一项名为欧洲先进CMOS（ACE）研究工
作，是由比利时大学校际微电子研究中心（IMEC）协调的深亚位米技术研究开发计划，
目标是开发0.13?m-0.10?m技术。
    韩国90年代IC工业取得了迅速发展，技术水平大幅度提高，尤其是半导体存储器技
术领域，已成为日本强有力的竞争对手。为确保面向21世纪的16G DRAM级半导体制造技
术的实现和韩国半导体在国际市场的地位，韩国政府决定从1998年开始到2006年将实施
新的半导体推进计划，主要研究纳米技术和系统芯片，开发制造0.1?m一下，千兆级以上
的半导体的核心基础技术和尖端设备。
    我国台湾地区，90年代半导体工业进入迅猛发展时期，1991-1997年间其工业规模年
均增长率高达32%。为争取实现成为世界半导体制造中心和国际上主要的芯片供应地的目
标，以及迎接21世纪的技术竞争，台湾地区正在强化投资，发展以Foundry为中心的芯片
制造业，加强与世界有关厂商建立战略联盟。同时投资2.6亿美元在台湾交大建设一个纳
米电子器件实验室，主要任务是研究0.1?m以下的新其间，并要求将培养博士生和硕士生
的名额增加一倍。
    21世界硅微电子技术发展的三个重要方向的研究工作，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
，在国际竞争中处于不利地位。