2.2 微电子技术

2.2.1 微电子技术与集成电路

微电子技术是19世纪末20世纪初开始发展起来的一门新兴技术。自从1947年发明晶体管及1958年第一块半导体集成电路诞生以来，微电子技术经过了半个多世纪的高速发展，它是随着集成电路尤其是超大规模集成电路而逐步发展起来的。微电子技术主要包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，是微电子学中各项工艺技术的总和。可以说，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步形成和发展起来的，其核心是集成电路，即通过一定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源元件，按照一定的电路互联，采用微细加工工艺，集成在一块半导体单晶片（如硅和砷化镓）上，并封装在一个外壳内，执行特定的电路或系统功能。各种集成电路芯片如图2-9所示。与传统电子技术相比，微电子技术的主要特征是器件和电路的微小型化，它把电路系统设计和制造工艺精密结合起来，适合进行大规模的批量生产，因而成本低，可靠性高。

自从IC诞生以来，IC芯片的发展（见图2-10）基本上遵循了英特尔公司创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）1965年预言的摩尔定律，这一定律被视为引导半导体技术前进的经验法则。换句话说，工艺技术的进展对IC集成度的提高起到乘积的效果，使得每个芯片可以集成的晶体管数急剧增加，其累计平均增长率达到每年58%，即三年四番。

1978年，人们认为光学光刻的极限是1μm，而发展到20世纪末，人们认为光学光刻的极限推进到0.05μm，即50nm。可以这样说，摩尔定律的尽头就是光学光刻的尽头。2000年，摩尔博士在回答提问时说，摩尔定律10年不会变，最高可突破0.035μm，即35nm。1997～2012年世界超大规模集成电路技术发展趋势见表2-1。

2.2.2 微处理器的发展历程

微电子技术是60年来发展最快的技术，微电子技术最重要的应用就是计算机技术领域。在计算机家族中，影响面最大、应用最广泛的是微型计算机（简称微机）。微型计算机的心脏是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），它由运算器和控制器集成在一个芯片上构成，称为微处理器。微处理器的发展历程揭示了微电子技术的最新研究成果，而摩尔定律所描述的微处理器发展速度直到今天依然还在生效。

（1）1946年：全球第一台计算机

1946年，全球第一台计算机ENIAC（Electronic Numerical Integratorand Computer，埃尼阿克）诞生于美国宾夕法尼亚大学（见图2-11）。这台计算机的“始祖”使用了18800个真空管，长50ft（1ft=30.48cm），宽30ft，占地1500ft²，重达30t，而它的运算速度仅仅是每秒进行5000次加法运算而已，这一计算速度当然无法和现在的计算机相比，但在当时确实是惊人的发明。

（2）1971年：全球首个微处理器Intel 4004

1971年，第一个商用微处理器被英特尔公司工程师霍夫发明出来，它就是Intel 4004微处理器（见图2-12）。它包含2300个晶体管，具有每秒6万次的运算速度，可从半导体存储器中提取指令，实现大量不同的功能。时隔25年之后出现的史上第一个商用微处理器在计算速度上并不惊人，它的时钟频率仅为108kHz，不过它的集成度却远非ENIAC所能比拟。

（3）1972年：Intel8008微处理器

1972年，英特尔公司又推出了另一款微处理器产品Intel8008（见图2-13），这个编号正好是4004的两倍，这应该是英特尔公司刻意为之，因为8008芯片的规格和性能差不多也是4004的两倍。

（4）1978年：Intel 8086、8088微处理器

1978年，英特尔公司推出了首枚16位微处理器，这就是大名鼎鼎的8086（见图2-14），而随着8086同时推出的还有与之配合的数学协处理器8087。值得一提的是，这两种芯片使用相同的指令集，以后英特尔公司生产的处理器，均对其兼容，这也是指令集真正意义上的开端。从1978年至今，微处理器迎来指令集传承和发展的时代。

8086处理器也获得了市场端的成功，英特尔公司也再接再厉推出了性能更出色的8088微处理器（见图2-15）。英特尔在1978年推出的三款产品（8086、8087和8088）的频率各不相同，主频分别为5MHz、8MHz、10MHz。相同点是三款处理器都拥有29000只晶体管，内部和外部数据总线均为16位，地址总线为20位，可寻址1MB内存。

1980年，英特尔公司的16位8088微处理器被IBM选中做第一代PC的核心器件，开创了个人计算机的时代。

（5）1982年：Inte l80286微处理器

1982年，英特尔公司推出了80286芯片（见图2-16），内部装有13.4万个晶体管，具有当时其他16位处理器三倍的性能。这种芯片用在IBMPC/AT计算机上。

Intel 80286同样是一款重量级产品，是一款销量极大的微处理器产品。根据当年的统计，在Intel 80286处理器发布后的6年内，全世界基于286处理器的个人计算机便达到了大约1500万台，这一数字相当恐怖，而人们所说的PC286也正是指采用了80286微处理器作为核心的PC机型。

（6）1985年：Intel 80386微处理器

1985年，英特尔公司又向全球推出了全新一代的微处理器80386（见图2-17），它是80X86系列中的第一种32位微处理器，而且制造工艺也有了很大的进步，这款处理器的发布也意味着英特尔公司的产品开始走向32位时代。与80286相比，80386内部内含27.5万个晶体管，芯片每秒钟可完成500万条指令（5MIPS），时钟频率为12.5MHz，后提高到20MHz、25MHz、33MHz。

（7）1989年：Intel 80486微处理器

1989年，英特尔公司发布了80486处理器（也叫i486处理器）（见图2-18）。486处理器是英特尔公司非常成功的商业项目。很多厂商也看清了英特尔公司处理器的发展规律，因此很快就随着英特尔公司的营销战而转型成功。80486处理器集成了125万个晶体管，带有数字协处理器，时钟频率由25MHz逐步提升到33MHz、40MHz、50MHz及后来的100MHz。这种芯片的时钟频率大约比最初的4004快50倍。

80486处理器的内外部数据总线为32位，地址总线为32位，可寻址4GB的存储空间，支持虚拟存储管理技术，虚拟存储空间为64TB。片内集成有浮点运算部件和8KB的cache（L1cache），同时也支持外部cache（L2cache）。整数处理部件采用精简指令集（Reduced Instruction SetComputer，RISC）结构，提高了指令的执行速度。此外，80486微处理器还引进了时钟倍频技术和新的内部总线结构，从而使主频可以超出100MHz。

（8）1994年：Intel Pentium处理器

1994年，英特尔公司发布了一款名为Pentium（奔腾）的处理器芯片（见图2-19），Pentium这个名字在随后的20多年里一直陪伴着我们。直至今日，英特尔公司依然在发布Pentium系列的产品，所以Pentium的名号也就是从这一年开始打响。其实按照英特尔公司这10年来的命名习惯，Pentium处理器应该被命名为80586处理器才对，不过英特尔方面考虑到商标注册方面的原因而放弃了数字作为型号命名的惯例，并推出了以注册商标命名的崭新产品Pentium处理器。奔腾处理器用了310万个晶体管，运算速度达到90MIPS，是原始的4004处理器的1500倍。

（9）1997年：Intel Pentium Ⅱ处理器

1997年5月7日，英特尔公司发布Pentium Ⅱ（233MHz）、Pentium Ⅱ（266MHz）、Pentium Ⅱ（300MHz）三款PII处理器，采用了0.35μm工艺技术，核心提升到由750万个晶体管组成。采用SLOT1架构，通过单边插接卡（Single-Edge Contact Cartridge，SEC）与主板相连，SEC卡盒将CPU内核和二级高速缓存封装在一起，二级高速缓存的工作速度是处理器内核工作速度的一半。Pentium Ⅱ处理器采用了与Pentium PRO相同的动态执行技术，可以加速软件的执行；通过双重独立总线与系统总线相连，可进行多重数据交换，提高系统性能；Pentium Ⅱ也包含MMX指令集。

与此同时，另一个微处理器生产巨头AMD公司推出具有880万个晶体管的K6MMX微处理器。利用这种芯片的计算机，具有更高的性能价格比。

（10）1999年：Intel Pentium Ⅲ处理器

1999年2月26日，英特尔公司发布Pentium Ⅲ450MHz、Pentium Ⅲ 500MHz处理器（见图2-20），这两款处理器采用了0.25μm工艺技术，核心由950万个晶体管组成。奔腾Ⅲ的传奇历程也就这样开始了。

（11）2000年：Intel Pentium4处理器

Intel Pentium4标志着英特尔市场策略进入新纪元的开始。从奔腾4开始，Intel已经不再每一两年就推出全新命名的中央处理器芯片，反而一再使用Pentium4这个名字，导致了Pentium 4这个家族有一堆兄弟产品，而且这个P4家族延续了5年，这在英特尔公司的市场策略历史中是前所未见的。

2002年，英特尔公司推出了主频为2.2GHz的奔腾4芯片，采用0.13μm工艺生产。AMD公司推出了主频为1.67GHz的Athlon XP 2000芯片，尽管主频较低，但性能不比Intel品牌产品逊色。

（12）2005年：Intel Pentium D双核处理器

2005年4月，英特尔公司的第一款双核处理器Intel Pentium D问世，标志着一个属于双核甚至多核的新时代已经来临。双核处理器设计用于在一枚处理器中集成两个完整执行内核，这两个内核以相同的频率运行，共享相同的封装和芯片组/内存接口。其最大优势是允许平台在更少的时间完成更多的任务，同时享受与计算机的流畅交互。

（13）2006年：Intel酷睿2双核处理器

2006年，英特尔公司推出酷睿2双核处理器（见图2-21），宣布了奔腾时代的结束。与上一代处理器相比，酷睿2双核处理器在性能方面提高40%，功耗反而降低40%，可以高速地进行多项任务操作。该处理器内含2.9l亿个晶体管。酷睿2是一个跨平台的构架体系，包括服务器版、桌面版、移动版三大领域。

继微处理器进入双核年代后，多核微处理器也相继问世。2007年，AMD公司推出四内核Opteron处理器，英特尔公司在2010年推出32核CPU，采用32nm的微体系架构，以实现另一级别的高性能表现。

2.2.3 微电子技术面临的挑战和关键技术

1.微电子技术面临的挑战

微电子产业经过60余年的发展，其技术已快接近理论的极限。几十年来，集成电路内晶体管的尺寸和线宽不断缩小，其基本方法在于改进光刻技术，使用更短波长的曝光光源。在0.25μm工艺时代，光源主要是紫外光，目前使用了深紫外线（Deep Ultra-Violet，DUV）光刻技术，芯片线宽下降到0.18～0.13μm，理论上将使集成电路的线宽达到0.1μm。而英特尔、摩托罗拉等公司从20世纪90年代起就开始研发超紫外线（Extreme Ultra-Violet，EUV）光刻技术，它能使集成电路的线宽突破0.1μm的大关。然而，这种缩小趋势不可能长久持续，物理和技术上的限制会阻碍这种持续，晶体管的尺寸小到一定程度，就不得不考虑电子的量子效应。那时，现有技术就将达到极限。不仅如此，随着集成电路集成度的提高，芯片的生产成本也越来越高，一个0.18μm生产工艺制造厂的生产建设成本就高达40亿美元。

在制造晶体管的材料上，现有技术也遇到了问题。几十年来，SiO₂一直被用作晶体管的栅介质和电容介质。随着半导体集成电路加工工艺的不断升级，晶体管的尺寸越来越小，SiO₂层的厚度也在不断减小。如0.65μm工艺线中，SiO₂层的厚度要求小于2nm，但这么薄的SiO₂层很容易被电流击穿。因此，科学家们需要新的材料来替代SiO₂，这已成为整个微电子工业界目前最迫切需要解决的问题之一。

尽管无情的自然规律使得摩尔定律迟早会“死亡”，但各芯片厂商仍投入巨资开发新技术。英特尔公司推出了0.09μm工艺的微处理器。芯片制造业纷纷采用更先进的技术来加强自身竞争力。这些技术主要有：采用更大尺寸的晶圆、缩小特征尺寸、铜互连技术取代铝互联技术、进一步缩小集成电路内部线宽、采用新的芯片制造技术和采用新的材料。

2.微电子技术的关键技术

（1）继续增大晶圆尺寸和缩小特征尺寸

就目前国际上晶圆制造厂而言，仍以200mm晶圆为主流，但均在积极发展300mm晶圆量产。而在晶圆尺寸加大方面，相比于200mm晶圆，300mm晶圆的优势可直接表现在两个方面：一是降低生产成本，根据最基本的数学运算，300mm晶圆的表面积为200mm晶圆的2.25倍，也就是如果IC产品在200mm晶圆上平均可产出100颗IC，在相同成品率的300mm晶圆上，每片晶圆可产出225颗IC。而在生产成本不需提高两倍的前提下，却可产出多于两倍的芯片，大幅降低生产成本；另一方面是增加产能，提高成品率。300mm晶圆具备较大的尺寸面积，所产出的数量势必提升，不但可增加产量更能提高产品良率。450mm晶圆的出现，除了生产效率大幅度提高的优势外，同时，对集成电路工艺带来极大的挑战，使集成电路工艺发生全面的转型与提升。300mm与450mm晶圆对比如图2-22所示。世界上第一块450mm晶圆如图2-23所示。

除了晶圆尺寸的不断前进，随着产品轻薄短小的要求越来越高及便携式产品的推陈出新，IC芯片的功能与高度整合的需求愈加扩大。对于半导体封装产业而言，目前也处在由简单芯片级尺寸封装向晶圆级封装方向发展。开发出的封装技术有晶圆级封装（Wafer-lev-el Package）技术、倒装焊技术（Flip Chip Technology）以及为倒装焊技术服务的各类晶圆凸点技术（Bumping Technology）。而随着倒装焊技术在全球半导体市场的重要性日增，对于晶圆凸点技术的需求相对增加，使得晶圆凸点技术成为晶圆级封装中极其关键的技术步骤，对于未来整体高科技产业发展具有关键性的影响。

特征尺寸是器件中最小线条的宽度，常常作为技术水平的标志。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，也是设计采用的最小设计尺寸单位。缩小特征尺寸从而提高集成度是提高产品性能/价格比最有效的手段之一。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，而且可以使产品的速度、可靠性都得到提高，相应成本可以降低。

特征尺寸经历了10μm（10μm）→1.0μm（1.0μm）→亚微米（0.8μm）→半微米（0.5μm）→深亚微米（0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm）→纳米（90nm、65nm、45nm）这样一个过程。

目前，0.13μm、90nm、65nm工艺已进入大规模生产，45nm工艺大生产技术也已经完成开发，具备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服务的器件模型模拟开发以及基于上述加工工艺的产品开发等。而对于32nm工艺技术，最关键的加工工艺——光刻技术还是一个大问题。目前的芯片制造中广泛使用的是光学光刻技术，为减小集成电路的线宽，要求光刻机光源的波长非常短。目前多使用DUV光刻技术，但此技术难以实现0.07μm以下工艺，因此各厂商正大力研发下一代非光学曝光系统，目前比较看好的有EUV光刻系统、X光刻系统等。

（2）铜互连线技术

铝在半导体工业中一直被用来作为芯片中的互连金属，但随着集成电路特征尺寸的缩小、工作频率的提高，芯片中铝互连线的电阻已开始阻碍芯片性能的提高，因此，人们开始在芯片制造中用铜代替铝作为互连金属。铜的阻抗系数只有铝的一半，用铜互连可以减小供电分布中的电压下降，或在电阻不变的情况下减小同一层内互连线之间的耦合电容，可降低耦合噪声和信号延迟，从而可以达到更高的性能。而且，铜在金属迁移方面也更稳定，因而可容纳更高密度的电流，从而在减小线宽的同时提高了可靠性。现在已有众多厂商在其芯片生产中采用了铜互连技术。但该技术也并非完美，目前，还在研究铜与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性等问题。

在肯定铜互连技术优越性的同时，有些专家也强调了该技术在材料集成和可靠性方面所面临的挑战。因为铜易于扩散入硅和大多数电介质中，因此它必须用金属（如Ta、TaN）和介质（如SiN、SiC）的扩散阻挡层包封起来，以免引起金属线之间的漏电和芯片上晶体管性能的退化。同时，芯片工作时，邻近金属线之间施加的电场也大大提高了铜的扩散速率，因而保证阻挡层的绝对完整性对器件的长期可靠性至关重要。在采用铜互连技术时，如何在芯片制造中避免铜的沾污也成为制造工艺中的重要课题。

总体来说，将铜互连技术纳入180nm或更小特征尺寸的制造工艺是必然趋势，但作为大规模生产中的一项基本制造工艺而论，它还处在发展初期，目前各大公司和美国Sematech都正在开展进一步深入的研究开发工作。

（3）新器件结构与新材料

1）寻找新的K介质材料。随着集成电路制作工艺的进步，集成电路互连金属间的介质材料对性能的影响越来越大，以往集成电路工艺中广泛使用的介电常数为4的氧化硅和氮化硅溅射介质层，已不能适应新一代铜多层互连技术。因此，各大厂商都在寻造新的低K介质材料，尤其是在铜互连技术中使用的绝缘介质。英特尔公司在其新推出的Prescott处理器中就使用了一种新型掺碳氧化物绝缘材料。但目前，在这一领域，仍有大量研究工作要做。在寻求合适的低K介质材料的同时，科学家们同样在寻找新的高K介质材料。在元器件尺寸小于0.1μm时，栅极绝缘介质层的厚度将减小到3nm以下，如果此时仍用SiO₂作为栅极绝缘材料，栅极与沟道间的直接隧穿将非常严重，因此，科学家们正努力寻找合适的高K介质材料来取代SiO₂。2002年，南京大学、中科院物理所和摩托罗拉中国研究所宣布他们发现铝酸镧和镧铝氧氮这两种材料在所有候选的高K介质材料中有最好的热稳定性，有希望在65nm以下工艺中取代SiO₂。

2）采用新型纳米材料。近年来，随着纳米技术的发展，人们发现一些材料达到纳米量级时会出现一些新的性质。因此，人们开始寻找合适的纳米材料来代替硅制造晶体管，实现从半导体物理器件向纳米物理器件的转变，进一步缩小集成电路的体积。这在硅芯片的工艺快要达到物理极限的今天尤为必要。

3）采用超导材料。超导材料是目前的一热门学科。如果集成电路中能够用到超导材料，那么与现在的半导体集成电路相比，它的功耗会更低，速度也会更快。有数据表明，其功耗将比同等规模集成电路低两个量级，而速度却要快上三个量级。

2.2.4 微电子技术发展的新方向

随着集成电路技术的发展，人们开始从多个方面来发展半导体技术来满足社会生产的需要，而不仅仅局限于提高现有的制作工艺。这些途径包括系统芯片技术、纳米技术、微机电系统技术等。

（1）系统芯片技术

由芯片发展到系统芯片（System on Chip，SOC），是改善芯片集成技术的新举措。微电子器件的特征尺寸难以按摩尔定律无限地缩小下去，在芯片上增加集成器件是集成技术发展的另一方向。与当年从分立晶体管到集成芯片一样，系统芯片将是微电子技术领域中又一场新的革命。20个世纪90年代以来集成芯片系统迅速发展起来，它基于硅基CMOS（Comple-mentaryMetal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺，但又不局限于CMOS和硅平面加工工艺。它是以硅基CMOS为基础技术，将整个电子系统及其子系统集成在一个芯片上或几个芯片上、集软件和硬件于一身的产物，设计具有更大的灵活性。一个典型的SOC可能包含应用处理器模块、数字信号处理器模块、存储器单元模块、控制器模块、外设接口模块等多种模块。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。集成系统的发展是以应用为驱动的，随着社会信息化的进程，它将越来越重要。2l世纪仅仅是SOC发展的开始，它将进入空间、进入人体、进入家庭，它将进入所有需要掌握信息处理的信息空间和时间。有的科学家就把集成芯片系统称为USOC（User SOC）。此外，用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上的SOPC（System on Pro-grammable Chip，可编程系统芯片）技术，一致被市场认为是“半导体技术的未来”，现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）替代专用集成电路（Application Spe-cific Integrated Circuit，ASIC）也将成为未来的发展趋势。FPGA系统芯片内部结构如图2-24所示。

（2）纳米电子技术

纳米电子学是纳米科学与技术这一新兴学科的重要组成部分，它代表微电子学的发展趋势，并将成为下一代电子科学与技术的基础。纳米电子技术是将纳米技术与微电子技术相结合，立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统的新兴电子技术，可以超越集成电路的物理和工艺限制，研制出体积更小、速度更快、功耗更低的新一代量子功能器件。纳米器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能。纳米器件具有更高的响应速度和更低的功耗，从根本上解决了日益严重的功耗问题。纳米器件集成度大幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性高、成本低等诸多优点。目前科学家们正在研究碳纳米管材料，已研制出电子流动性比以前的半导体材料高25%、比普通硅晶体管高70%的晶体管。

纳米电子学的另一热点就是研制单个电子的功能器件，它只能控制单个电子的运动状态，以实现特定功能。纳米电子与纳米机械一体化，可以研制人造昆虫、米粒大小的汽车、花生大小的直升飞机等。利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测器件、换能器、射频器件、电源系统、各种传感器和芯片可以作为星载设备。

（3）微机电系统技术

微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）技术是近年来发展起来的一种新型多学科交叉技术，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。MEMS技术是建立在微米/纳米技术（Micro/Nano Technology）基础上的2l世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。MEMS技术是微电子发展的另一方向，它的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使其成为真正的系统，也可以说是更广泛的SOC概念。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技术实现了微电子技术和精密机械加工技术的相互融合，不仅为传统的机械尺寸领域打开了新的大门，也真正实现了机电一体化。因此，它被认为是微电子技术的又一次革命，对21世纪的科学技术、生产方式、人类生活都有深远的影响。

微机电系统的研究取得很多成果。在微传感器方面，利用物质的各种特性研制出了各种微型传感器；在微执行器方面有微型电动机、微阀、微泵及各种专用微型机械组成的微化学系统和DNA生物工程芯片。采用微电子加工技术，可在指甲盖大小的硅片上制作含有多达10～20万种DNA基因片段的芯片，这种DNA生物芯片可在极短的时间内检测或发现遗传基因的变化，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。此外，MEMS技术还有很多其他方面的应用。

随着信息时代发展需要，后硅时代的将来还无法预料，但微电子方面的科学工作者普遍期望基于分子结构方案和工作原理的研究取得新的进展。在基础研究方面，已有分子电子的设想，但还不能估计其技术可转换性。有机微电子技术、超导微电子技术、纳米电子技术、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等，都将是21世纪微电子领域的热点和新的经济增长点。