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1、微电子技术的发展*北京理工大学微电子所2主要内容n微电子技术概述；n微电子发展历史及特点；n微电子前沿技术；n微电子技术在军事中的应用。*北京理工大学微电子所3*北京理工大学微电子所5工艺流程图*北京理工大学微电子所6微电子技术概述n微电子技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路而 发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计 、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，微电子技术是微电子学中的各 项工艺技术的总和；n微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗 、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向；n衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：一是缩
2、小芯片 中器件结构的尺寸，即缩小加工线条的宽度；二是增加芯 片中所包含的元器件的数量，即扩大集成规模；三是开拓 有针对性的设计应用。*北京理工大学微电子所7微电子技术的发展历史n1947年晶体管的发明；到1958年前后已研究成功 以这种组件为基础的混合组件；n1962年生产出晶体管晶体管逻辑电路和发射 极耦合逻辑电路；n由于MOS电路在高度集成和功耗方面的优点，70 年代，微电子技术进入了MOS电路时代；n随着集成密度日益提高，集成电路正向集成系统 发展，电路的设计也日益复杂、费时和昂贵。实 际上如果没有计算机的辅助，较复杂的大规模集 成电路的设计是不可能的。*北京理工大学微电子所8微电子技术
3、的发展特点n超高速：n从1958年TI研制出第一个集成电路触发器算起 ，到2003年Intel推出的奔腾4处理器（包含 5500万个晶体管）和512Mb DRAM（包含超过5 亿个晶体管），集成电路年平均增长率达到45 ；n辐射面广：n集成电路的快速发展，极大的影响了社会的方 方面面，因此微电子产业被列为支柱产业。*北京理工大学微电子所9*北京理工大学微电子所10摩尔定律n1965年，美国硅谷仙童半导体公司的戈登.摩尔，研 究了1959到1965年半导体工业发展的数据，发现： 如果将能够集成在一块芯片上的晶体管数量画在一个 半对数坐标上，可以得到一条直线；n归纳出：集成电路上可容纳的晶体管数量
4、，大约每隔 1824个月就会翻一番；n此后半导体工业的发展也进一步地证实了这一结论： q1969年Intel 4位微处理器4004有2300只晶体管， 时钟频率104KHz。 q1998年Intel推出的奔腾II，32位的处理器，有750 万只晶体管，CPU 时钟450MHz，集成度提高了 260倍，而时钟频率提高了4326倍。*北京理工大学微电子所11*北京理工大学微电子所12微电子前沿技术n微电子制造工艺，包括元器件的生产、测试和 封装等；n微电子材料的研究；n超大规模集成电路/混合信号/射频集成电路设 计技术；nMEMS技术等。*北京理工大学微电子所13微电子制造工艺n微加工技术（Mic
5、rofabrication）是制造MEMS的 主要手段。微加工技术包括IC制造技术（如光刻 、薄膜淀积、注入扩散、干法和湿法刻蚀等）、 微机械加工技术（Micromachining）（如牺牲层技 术、各向异性刻蚀、反应离子深刻蚀（DRIE）、 LIGA、双面光刻、键合，以及软光刻技术等）和 特殊微加工技术。目前微电子制造的主要方法也 是“自上而下”的微型化过程，即采用光刻和刻蚀 等微加工方法，将大的材料制造为小的结构和器 件，并与电路集成，实现系统微型化。*北京理工大学微电子所14光刻工艺示意图*北京理工大学微电子所15光刻工艺面临的技术问题n由于工艺尺寸的减小，必须使用波长更短的光 源，实现
6、越来越困难，从早期的水银灯直到现 在使用的远紫外线，甚至研发中的粒子束；n导致光刻设备以及掩模成本急剧上升；n光刻时小尺寸图形所产生的干涉和衍射效应使 得光刻图案失真越来越严重，严重影响制造出 的电路的性能以及一致性；n必须加以矫正，甚至在设计阶段就必须考虑这 一影响，加大了投入。*北京理工大学微电子所16氧化/扩散示意图*北京理工大学微电子所17等离子刻蚀示意图*北京理工大学微电子所18离子注入示意图MEMS的典型工艺过程u淀积牺牲层uPECVD SiO2 2m u光刻牺牲层u刻蚀牺牲层(RIE)u淀积结构层uLPCVD poly-Si 1 mMEMS的典型工艺过程n光刻结构层n去除牺牲层，
7、释放结构层nHFn刻蚀结构层(RIE)*北京理工大学微电子所21半导体材料n元素半导体：锗、硅、硒、硼、碲、锑等；n化合物半导体：砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、 硫化镉及镓砷硅等；n有机半导体：萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族 化合物等；n无定形半导体：氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。*北京理工大学微电子所22晶体半导体材料的制备元素半导体n元素半导体是指由单一元素晶体组成的衬底材 料；n如锗、硅、硒、硼、碲、锑等；n硅是当前使用最广泛、工艺最成熟的半导体材 料；n硅材料的禁带宽度、载流子漂移率等指标适中 ，制备成本低；n在电路指标要求较高的场合，硅材料有其缺陷 。*23北京理工大学微电子所
8、化合物半导体n由化合物组成的半导体材料；n种类繁多、特性各异；n如：砷化镓主要用来制作高频电路和器件；n碳化硅主要用于制作大功率、耐高温和特种环 境下工作的器件；n存在制作成本高昂，工艺稳定性和兼容性，设 计环境缺乏等问题；n对其研究和认识程度不如硅材料。*24北京理工大学微电子所有机半导体和无定形半导体n有机半导体主要用于发光器件和生物芯片；n无定形半导体主要用于生物芯片；n这两种半导体材料是近年来的研究热点。*25北京理工大学微电子所*北京理工大学微电子所26集成电路设计n集成电路设计面临主要问题可以分为以下三个 方面：n超大规模集成电路设计；n高精度模拟、混合信号集成电路设计；n射频集成
9、电路设计。n目的是设计出速度更快、功耗更低、面积更小 、功能更多的芯片。*北京理工大学微电子所27超大规模集成电路设计n超大规模集成电路设计主要难点在于如何在最 短的时间内完成千万门级电路的设计任务，并 进行有效的验证；n主要的技术问题如下：n自动布局、布线算法；n行之有效的验证方法；n日益严格的功耗要求；n面积和成本的考虑等。*北京理工大学微电子所28混合信号集成电路设计技术n混合信号即数字信号和模拟信号的统称；n将处理上述两种信号的电路集成在同一个芯片 中必须解决相互的干扰问题，尤其是数字信号 对于模拟信号的干扰；n如果此类芯片能够完成以前一个电子系统才能 完成的任务，又可以将其称为SOC
10、（片上系统 ）。此时，模数、软硬协同验证问题就必须加 以解决。*北京理工大学微电子所29射频集成电路设计技术n射频集成电路是近几年研究的热点，过去使用 AsGa等宽禁带材料实现；n近几年随着硅工艺的改进，越来越多的设计者 使用硅材料设计射频集成电路；n因此，对于射频集成电路，芯片测试、多芯片 封装、不同制造工艺的融合等都成为比较棘手 的问题。设计方法学的变迁n随着微电子技术的发展 ，集成电路设计方法学也 发生了变迁；n从纯手工设计到自动综 合、布局布线；n从“自底向上”的设计方 式发展到“自顶向下”的设 计方式，直至“中间相遇” 的设计方式；n从单纯的仿真验证到多 种验证方式相结合；n从单一平
11、台到数模、软 硬协同等。*北京理工大学微电子所30SOCnSOC（System On Chip）是一类复杂芯片， 其功能涵盖一个电子系统全部的功能；n上图是一个软件无线电的示意图，包含射频、 ADC以及软件控制的数字部分。*北京理工大学微电子所31FPGA*北京理工大学微电子所32*北京理工大学微电子所33MEMS技术uMEMS (Microelectromechancial Systems) :微电子机械系统 也称 微系统或微机械,是利用集成电路制造 技术和微加工技术把微结构、微传感器、 微执行器、控制处理电路，甚至接口、通 讯和电源等制造在一块或多块芯片上的微 型集成系统。uMEMS的出现
12、使芯片远远超越了以处理电 信号为目的的集成电路，其功能拓展到机 、光、热、电、化学、生物等领域。MEMS的定义uMEMS是尺寸在微米到毫米量级的集成系统；u典型MEMS包括微机械结构、传感器、执行器和控制电 路，可以实现测量、信息处理和执行功能。典型微系统的功能组成*34北京理工大学微电子所MEMS的特点uMEMS的一般特点u尺寸结构微小：微米到毫米 u多能量域系统：力、热、电、光、生、化无所不包u基于但不限于集成电路技术和微加工技术制造 u不完全是宏观对象的按比例缩小u宏观物理学规律仍旧成立，但是控制因素发生了变化uMEMS的衍生特点u可以大批量生产u成本低、功耗小u多样性、复杂性、难度大*
13、35北京理工大学微电子所MEMS的分类u信息领域u光开关及其阵列、RF MEMS开关、数字微镜器件（ DMD）、MEMS可调电容、电感等u传感器领域u压力、流量、温度、湿度、气体传感器u微加速度计、微机械陀螺u生物领域u生物芯片、微型流体通道分析系统、毛细管电泳、芯片 实验室（LOC） *36北京理工大学微电子所*北京理工大学微电子所37集成电路的老化、测试技术n由于制造工艺的偏差和变化，制造出来的产品 会偏离设计指标，因此必须对批量产品进行测 试；n同时为了减小芯片在正常使用过程中的失效概 率，还需对芯片进行老化工艺；n由于芯片的功能和复杂程度日益提高，测试和 老化的难度也在提高；n例如，对
14、于一个CPU来说，进行一次完整的老 化、测试流程可能耗时数月之久，花费数百万 美元。*北京理工大学微电子所38微电子技术在军事领域中的应用n微电子技术的发展及应用，不仅提升了军事装备和作 战平台的性能，而且导致了新式武器以及新兵种的产 生。微电子技术的出现改变了传统战争的模式，即从 面对面的战斗演变成当今及未来的超视距作战；n战争发展的需求和军事系统的发展，促使军事电子产 品向着小型化、轻量化和智能化的方向发展，并对微 电子技术提出了高性能、高集成度、高可靠等越来越 高的技术要求；n军用集成电路将在进一步缩小线宽、增大集成度 的基础上，寻求在改进集成技术、采用新型材料 、研制新概念器件上的突破
15、。微电子技术对武器系统的影响（一）n集成电路的运用，使武器系统从信息能力方面使 武器装备性能发生了革命性的变化。n美国F-15战斗机的AN/APG-63雷达在信号处理器 采用了超大规模集成电路以后，信号处理速度提 高了几倍；n“战斧”巡航导弹、“ 爱国者”防空导弹、“铺路石”激 光制导炸弹的制导系统小型化，都是在使用超大 规模集成电路后才得以实现。*北京理工大学微电子所39微电子技术对武器系统的影响（二）n微电子技术的使用，使武器系统的体积、 重量和功耗大大减小，可靠性大大提高；n美国F111飞机采用超高速集成电路后，平 均故障间隔时间从原来的40h提高到5000h左 右，元件数从224个下降
16、到60个，爱国者导弹 在采用超高速集成电路后电子模块从200 个下 降至13 个。*北京理工大学微电子所40*北京理工大学微电子所41微电子技术在军事领域的应用n由于军事通信、雷达、导航、电子战、火力控 制等系统对微电子器件的性能、尺寸和可靠性 有很高的要求，特别是高速度、低噪声、低功 耗、小体积、耐高温、抗辐射等高技术需求, 导致材料、器件结构、电路设计、封装等微电 子综合技术的迅速发展。微电子技术在军事领域的应用n军事电子系统对微电子技术的需求主要有：高密 度、高速度、低功耗、高频、大功率、宽工作温 度范围、抗辐射和高可靠等性能；n根据先进国家的关键军事技术清单，需求的重点 微电子产品主要有：硅基集成电路、数据转换器 集成电路(A/D、D/A 转换器)、专用集成电路 (ASIC)、现场可编程集成电路、存储器集成电路 、微处理器集成电路、系统级芯片集成电路、智 能集成电路、化合物半导体集成电路、纳米电子 集成电路、分子电子学集成电路及抗恶劣环境集 成电路。*北京理工大学微电子所42微悬臂梁微悬臂梁的特点u无标记检测u特异性u高灵敏度（可达1X10-8g）u高通量（阵
