微电子发展现状综述

1微电子产业的发展规律及面临的发展瓶颈 1.1集成电路封装技术的发展历史可划分为三个阶段： 第一阶段(20世纪70年代之前),以通孔插装型封装为主:典型的封装形式包括最初的金属圆形(TO型)封装,以及后来的陶瓷双列直插封装(CDIP)、陶瓷一玻璃双列直插封装(CerDIP)和塑料双列直插封装(PDIP)等;其中的PDIP,由于其性能优良、成本低廉,同时又适于大批量生产而成为这一阶段的主流产品。 第二阶段(20世纪80年代以后),从通孔插装型封装向表面贴装型封装的转变,从平面两边引线型封装向平面四边引线型封装发展。表面贴装技术被称为电子封装领域的一场革命,得到迅猛发展。与之相适应,一些适应表面贴装技术的封装形式,如塑料有引线片式裁体(PLCC)、塑料四边引线扁平封装(PQFP)、塑料小外形封装(PSOP)以及无引线四边扁平封装(PQFN)等封装形式应运而生,迅速发展。其中的PQFP,由于密度高、引线节距小、成本低并适于表面安装,成为这一时期的主导产品。 第三阶段(20世纪90年代以后),集成电路发展进入超大规模集成电路时代,特征尺寸达到0.18~0.25 ,集成电路封装向更高密度和更高速度方向发展。 因此,集成电路封装的引线方式从平面四边引线型向平面球栅阵列型封装发展,引线技术从金属引线向微型焊球方向发展。在此背景下,焊球阵列封装(BGA)获得迅猛发展,并成为主流产品。BGA按封装基板不同可分为塑料焊球阵列封装(PBGA),陶瓷焊球阵列封装(CBGA),载带焊球阵列封装(TBGA),带散热器焊球阵列封装(EBGA),以及倒装芯片焊球阵列封装(FC-BGA)等。为适应手机、笔记本电脑等便携式电子产品小、轻、薄、低成本等需求,在BGA的基础上又发展了芯片级封装(CSP);CSP又包括引线框架型CSP、柔性插入板CSP、刚性插入板CSP、园片级CSP等各种形式,目前处于快速发展阶段。同时,多芯片组件(MCM)和系统封装(SIP)也在蓬勃发展,这可能孕育着电子封装的下一场革命性变革。MCM按照基板材料的不同分为多层陶瓷基板MCM(MCM-C)、多层薄膜基板MCM(MCM-D)、多层印制板MCM(MCM-L)和厚薄膜混合基板MCM(MCM-C/D)等多种形式。SIP是为整机系统小型化的需要,提高集成电路功能和密度而发展起来的。SIP使用成熟的组装和互连技术,把各种集成电路如CMOS电路、GaAS电路、SiGe电路或者光电子器件、MEMS器件以及各类无源元件如电阻、电容、电感等集成到一个封装体内,实现整机系统的功能。 1.2 集成电路技术发展面临的物理瓶颈 沿着 “摩尔定律”, 集成电路技术走过了 50 余年的历程. 如今的生产技术已接近 22 nm。如果继续沿着按比例缩小 (scaling down) 之路走下去, 根据 2011 年 ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)的最新预测, DRAM 的最小加工线宽在 2024 年有可能达到 8 nm , 进入量子物理和介观 (mesoscopic) 物理的范畴。 由于介观尺度的材料一方面含有一定量粒子, 无法仅仅用薛定谔方程求解, 另一方面, 其粒子数又没有多到可以忽略统计涨落的程度 (根据传统测量方法得到的硅原子半径为 110 pm,通过计算方法得到的硅原子半径为 111 pm),这就使得集成电路技术的进一步发展遇到很多物理障碍, 如费米钉扎、库伦阻塞、量子隧穿、杂质涨落、自旋输运等（如图一）, 需用介观物理和基于量子化的处理方法来解决。 图一  进入介观尺度后集成电路技术的物理限制 另一种物理限制是功耗。如图二表明， Pentium 的功率密度已与电炉相当. 由于高温对集成电路的高频性能、漏电和可靠性劣化产生巨大影响, 如任其发展, 则集成电路的发热要向着核反应堆、火箭喷嘴乃至太阳表面的功率密度发展, 显然, 这是不可能被接受的事实。 对于不断增长的热耗散, 要么采用水冷装置来解决散热问题, 但这与电子设备的小型化、轻量化、移动化的发展方向相悖; 要么必须开发低功耗乃至甚低功耗的集成电路来解决集成电路功耗不断上升的问题。 图二  集成电路面临的功耗挑战 从宏观的角度看, 集成电路也必须朝着低功耗的方向发展. 据 BP 于 2010 年 6 月发布的报告, 世界石油、煤炭和天然气的储量/产量比分别只有 45.7 年、119 年和 62.8 年, 也就是说, 如果没有新的能源储藏发现, 又没有新型能源替代上述能源, 而且过度消耗能源的生产方式和生活方式又不加以革命性的改变, 人类在 2050 年左右将用罄地球上存在的所有石油资源, 约 120 年后, 石油、煤炭和天然气以及所有使用这些能源的设备将只能成为我们的子孙后代在博物馆才能看到的历史遗迹。 为了破解能源的困惑, 一要降低消耗, 二要开发新能源. 就集成电路产业而言, 降低能源消耗有两个途径, 一是集成电路自身要成为低功耗产品, 二是充分发挥集成电路在节能减排中的作用。 降低集成电路自身功耗是集成电路业界多年来一直追求的目标. 中国科学院王阳元院士在国内首先提出了 “绿色微纳电子学” 的概念, 王阳元认为: “未来集成电路产业和科学技术发展的驱动力是降低功耗, 不再仅以提高集成度即减小特征尺寸为技术节点, 而以提高器件、电路与系统的性能/功耗比作为标尺。” 在集成电路的应用实践中, 人们也看到了集成电路为节能减排所做出的巨大贡献. 美国节能经济委员在其编写的《半导体技术, 美国能源生产力革新的希望》一书中列举了这样的数据: 2006 年, 在美国整个半导体技术的应用节约了大概 7750 亿千瓦小时的能源, 而且通过各种各样的政策和激励措施可以推动半导体节能技术投入的增加, 到 2030 年, 这些政策可能会促使这一现象的出现: 即与 2008年相比, 美国经济增长量将超过 70%, 但耗电量却减少了 11% 。 开发新能源是集成电路可以大显身手的舞台。利用卫星遥感遥测、深海石油开发、陆地探矿技术可以加速发现能源储藏的进程; 利用集成电路工艺技术和控制技术, 可以尽快使太阳能、风能和生物质能逐步成为可实际应用的新能源。 1.3突破集成电路的物理限制并满足节能社会的需求 对此，目前在进行的有 3 条技术途径: 其一, More Moore, 继续走 scaling down 之路, 将与数字有关的内容集成在单一芯片上, 成为芯片系统 (SoC, system on chip), 但 16～14 nm 之后的大生产工艺尚不明朗, 还正在摸索之中; 其二, More than Moore, 采取系统封装 (SiP, system in package) 的方法将非数字的内容, 如模拟电路、射频电路、高压和功率电路、传感器乃至生物芯片全部集成在一起, 形成功能更全、性能更优、价值更高的电子系统; 其三, Beyond Moore, 即采用自下而上 (bottom up) 的方法或采用新的材料创建新的器件结构, 如量子器件 (单电子器件、自旋器件、磁通量器件等) 和基于自组装的原子和分子器件 (石墨烯、碳纳米管、纳米线等), 也有可能随着物理、、化学、生物等新发现和技术突破, 另辟蹊径, 建立新形态的信息科学技术及其产业. 预计集成电路技术在 21 世纪 30 年代, 上述技术途径在相互碰撞的火花中会产生革命性的突破。 虽然器件结构、器件材料在未来的几十年中有可能产生革命性的变化, 但是, 硅平面工艺作为加工工艺将相对长期存在, 如机械工业、航空运输业存在了 200～300 年一样, 而且它的应用将从集成电路向各相关领域发展, 如微机电系统 (MEMS) 与纳机电系统 (NEMS), 用于制备各种传感器和生物芯片、显示器件、微光学系统、节能环保器件以及神经控制单元等。 硅基 CMOS 技术 (包括经典与非经典) 在 21 世纪的上半叶仍将是集成电路的主流技术。其中, 为解决传统 (经典) CMOS 器件与电路遇到的各种困难而提出的包括新结构、新材料和新工艺在内的, 我们称之为非经典的 CMOS 器件与电路, 将在 <45 nm 技术节点后逐步发挥作用 (图 23)。 但是无论是哪种结构、材料与工艺, 从产业经济效益考虑, 必将首先采用与现行硅基 CMOS 技术相兼容。已经投入数以万亿美元的集成电路产业仍将保持着顽强的生命力。 1.4 中国科学家取得的进展 从上世纪五六十年代开始,以集成电路技术为核心的微电子技术,开创了一个神奇的电子时代。为了承载一多的信息量也为了获得更快的处理速一度,微电子器件一直朝着集成化和微一型化的方向发展,但是“一旦集成电路中单元器件特征尺寸小于某一值（如0.01微米或10纳米）时,微电子器件一将遇到尺寸上的物理极限”。因为在纳米尺度上将会产生显著的量子效应,一这将导致微电子器件的工艺复杂增大、成本提高，从而将会限制微电子技术的进一步发展。如此,意味着微电子时代的主体部分将发生革命性的改变。那么，我们该用怎样的信息技术迎接下一个时代?中国科学院院士高鸿钧指出：用具有特定功能的纳米体系来组装制备纳米尺度电子器件是未来电子器件的发展方向。 1959年,物理学家理查德·费曼认为,物理学的规律不排除一个原子、一个原子地制造物品的可能性。同时他还预言人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造产品。这是关于纳米技术最早的梦想。自上个世纪70年代开始,科学家就开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。1974年,日本科学家谷口纪南最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的葛·宾尼博士和海·罗雷尔博士合作研制了一台特别的仪器—STM(Scanning Tunneling Microscope，扫描隧道显微镜或称扫描探针显微镜),这台奇特显微镜的发明使人们第一次领略到了原子世界的神奇魅力。这台显微镜系统含有一枚极细的探针,探针末端只有几个(甚至一个)原子大小,他们把这枚探针称为窥探原子世界的“眼睛”。这双眼睛能沿原子边缘逐个扫视,把它看到的景象传给电脑,在电脑上呈现出原子的图像。 高鸿钧在原有的基础上进行研究,更加深入开展了STM及其在纳米量子结构中应用的研究。他提出了一种提高STM分辨能力的方法,观察到了过去不能“看”到的表面精细电子结构,得到了Si(111)7×7表面STM图像,这一成果被诺贝尔获奖者J.C.Polanyizai在2006年和2010年的两篇论文中提到,被誉为“迄今为止分辨率最高的STM图像”。在此基础上,高鸿钧又建立Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附的“替代机制”,解决了Ge在Si(111)7×7表面上初期吸附位置在理论上和实验上一直悬而未决的问题"同时,他还提出了用分子修饰的功能化针尖进行STM成像的物理模型及其成像机制,得到了对perylene分子特定电子态的选择性成像,证实了可用分子轨道作为STM探针进行成像。这个结果拓展了之前对STM成像机制的认识,为获得固体表面的精细电子结构以及深入研究纳米结构的生长提供了新途径。 2高密度组装技术的发展 继续阅读