微电子发展趋势及展望

21世纪的硅微电子技术方向现今，信息技术发展史上有三个重要定律：第一个就是众所周知的“摩尔定律”；另外还有“光子定律”，表明光传输数据每9个月翻一番；还有“迈特卡夫定律”，这个网络定律说明网络价值与联网设备数的平方成正比。假设联网设备数增加10倍，那么该网络的价值就增加100倍，其增长是以平方关系实现的。从以上三个定律可以看出，世界上没有哪个行业的增长速度可与信息技术相比。预测微电子技术的发展趋势的目的是为了确定今天的研发方向，基于这样一个考虑，下面将具体分析一下今后微电子技术的发展方向。根据美国半导体工业协会预测，至少到2016年，集成电路(IC)线宽依然会按“摩尔定律”缩小下去，2016年可达到25nm的技术水平。根据发表的大量资料可知，在2016年以后的十几年，芯片的特征尺寸依然会继续缩小。此外，还有一个重要发展方向就是系统芯片(sOc)，它的发展时间可能更长，在下文还要详细分析。另外，微电子可能会与其它技术相融合，产生新的技术增长点。因此微电子技术的发展方向主要有：(1)IC的特征尺寸将进一步缩小；(2)Ic将逐步走向系统集成芯片(sOc)；(3)微电子技术将与其它学科相结合，诞生一系列新的经济和技术增长点，例如MEMs和生物芯片。微电子器件的特征尺寸将继续缩小首先从三个层次分析Ic特征尺寸进一步缩小所面临的问题。第一个层次，根据预测，至少到2016年，Ic线宽依然会按照“摩尔定律”变化，器件的最小特征尺寸应该在13nm左右。大家知道硅的晶格常数是5．43i，也就是0．5nm，13nm也就意味着只有20几个原子那么大。到这种程度，线宽可能还会继续缩小，但缩小的余地已经非常有限了。随着器件特征尺寸的缩小，我们面临几个关键问题：第一个就是如何制造这么小的器件，现在，0．13~0．1mm的器件可以批量生产了，至少在0．1mm左右，我们仍可用准分子激光(即紫外线)的方式进行光刻。但如何实现亚50纳米半导体器件的批量加工，目前还不是十分清楚。现在，很多人认为13．4nm紫外线光刻设备最有希望，另外电子束光刻设备也在研究中，但这些仍然是未知数，所以半导体的加工手段能做到什么程度，实际上依赖于微细加工技术的发展，这是一个重要的方面。第二，随着特征尺寸的缩小，互连问题显得越来越严重。对于0．13“m技术代的IC，必须采用铜互连工艺，因为原来的铝互连技术已经不能满足要求了，比如存在着电迁移、应力迁移等一系列问题。到了0．09”m这个技术代的时候，如果采用铜／Si0，互连体系，它需要的连线层数应达到11—12层，而采用铝互连和Si0，介质的话，在0．13“m就需要14层金属线。根据现在的观点，Ic的金属连线超过10层的话，工艺上和成本上就不能承受了，所以，对于0．10um以下的IC，我们就不仅仅要使用铜互连技术，而且互连介质也不能使用si0，，必须寻找低介电常数的介质进行互连，以便降低寄生电容。第三个关键问题就是传统的结构不能满足要求。例如，在0．1“m的时候，siO，栅介质的厚度大概只有1nm，已经不能再缩小下去，这时，为了在等效厚度不变的情况下，使物理的绝缘介质厚度能够增加，需要寻找高介电常数的绝缘介质，来替代原有的栅介质材料。另外，传统的多晶硅／硅化物栅电极也不能满足要求了，要选择金属栅电极，甚至体硅技术也不能满足要求，需要发展新型的SOI材料等一些新技术、新材料。也就是说会有一系列的新技术被广泛采纳。现在，很多人有这样一个观点：假如微电子技术接近其物理极限，也就是说当摩尔定律不再成立的时候，微电子技术将从一个幼稚的产业走向一个成熟的产业。到2030年，半导体工业将逐步走向成熟，正如汽车工业和航空工业那样，现在的汽车工业，抛开其中电子的部分，其机械部分与50年前相比没有什么本质的区别。C将逐步发展成为系统芯片(SOC)Ic发展到芯片系统的过程，与当年从分立晶体管发展到IC类似，SoC应该是微电子技术领域的一场革命。目前我们可能还看不到SOC的全部优势，正如Ic刚出现的时候，很多人预测它不会有太大的前途。为什么呢?当时他们有两个理由：第一个理由是成品率的问题，假设分立元器件成品率可以达到99％，这时，若Ic中集成l万个器件，它的成品率就下降到(99％)10000，大概等于零了，所以说Ic不会有太大的发展前途；另一理由是，用分立器件做电路时，可以对每一器件进行优化，而Ic却做不到。现在来看这两个理由都是比较片面的，实际上，一个新生事物刚出现时，很多人往往看不到它的潜在优势，所以现在的sOc就很像40年前的Ic，它的很多优势和前景可能是目前我们还看不到的。设计soc与Ic有几个不一样的地方。第一是soc要求软件和硬件协调在一起的综合考虑。原来设计IC的时候，只考虑IC本身的设计，而软件则是由软件设计人员另行制作。而设计soc时，就需要嵌入式软件，否则这个SOC可能只是一个规模更大的IC而已。SOC的集成度肯定非常大，这么大的规模不能依靠某个设计师从头到尾包办，因此大部分部件就要选用一些已有的可复用的IP(知识产权)模块，就是要把别人的IP，通过界面综合把它们有机地组合在一起，最后完成soC的设计。所以今后设计芯片的人可能就是做系统的人。SOC是一个多种硬件与软件的结合体，硬件和软件融合在一起了。所以，SOC的设计通过嵌入模拟电路、数字电路等IP的结合，可以具有更大的灵活性。通过嵌入式软件，可以综合考量，哪些由硬件来完成，哪些由软件来完成。同时，SOC不需要大量的输出缓冲器，因为很多电路的功耗是消耗在缓冲器上了，故可节省大量功耗。MEMS技术和DNA芯片是新的增长点微机电系统制造(MEMS)也是一个重要的发展方向。将传感部分与电路部分集成在一起，这是一个更广泛的soc概念，通过这样一个概念，可以完成很多我们以前做不到的一些事情。例如，现在的汽车安全气囊可以安装在很低档的汽车中，以前是不可以的。因为以前用的是机械式加速度计，其成本相当高，而现在用的是硅技术制作出来的硅微加速度计，硅技术的重要特点就是大批量、低成本。在这种情况下，很多低档车都可以安装了。现在的MEMs制作技术有两类：一类是由大向小做；另外就是从分子级、原子级开始加工，譬如纳米技术，是从小向大做。现在，MEMS的全球市场，在2000年大概已有120亿美元，这个市场实际是很大的，微电子发展了那么多年，全球市场也只有2000亿美元左右。现在，经过短短的几年，MEMs技术已达到上百亿美元的水平，而且增长的速度非常快。另外，MEMs还可与生物技术结合，做出如DNA生命芯片这些产品，有重大的发展前景。现在，已实现在硅片或玻璃片上制造出含有大概6000个基因片段的MEMs芯片，而且已成功．应用于动物的基因测试实验了。人类大概有10万条基因，如果哪一条基因发生了变异就意味着可能有某种疾病，通过检测基因的变异情况能够诊断疾病。这种MEMS生物芯片是利用微电子技术在硅片或玻璃片上制成的，这在一个芯片里就可以包含几万个这种基因片段，通过微量血液的荧光测试就可以获得基因的变化信息，达到疾病诊断目的。所以说，传统意义的SOC就是电子系统的SOC，而广义上的soc指的是包括传感器、信息存储、信息传输、信息处理以及执行、显示等等为一体的SOC，这可能就是将来SOC发展的趋势。