(完整版)微电子技术发展现状与趋势

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微电子技术的发展

主要内容

微电子技术概述；微电子发展历史及特点；微电子前沿技术；微电子技术在军事中的应用。

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工艺流程图

厚膜、深刻蚀、次数少多次重复

去除

刻刻蚀

牺牲层，释放结构

多

工艺

工工艺

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工

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微电子技术概述

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；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；衡量微电子技术进步的标志要在三个方面：一是缩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。

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微电子技术的发展历史

1947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； 1962年生产出晶体管——晶体管逻辑电路和发射极耦合逻辑电路；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；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。

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微电子技术的发展特点

超高速：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％；辐射面广：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。

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摩尔定律

1965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；归纳出：集成电路上可容纳的晶体管数量，大约每隔 18～24个月就会翻一番；此后半导体工业的发展也进一步地证实了这一结论： 1969年Intel 4位微处理器4004有2300只晶体管，时钟频率104KHz。 1998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。

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微电子前沿技术

微电子制造工艺，包括元器件的生产、测试和封装等；微电子材料的研究；超大规模集成电路/混合信号/射频集成电路设计技术； MEMS技术等。

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微电子制造工艺

微加工技术（Microfabrication）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。

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光刻工艺示意图

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光刻工艺面临的技术问题

由于工艺尺寸的减小，必须使用波长更短的光源，实现越来越困难，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；导致光刻设备以及掩模成本急剧上升；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；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。

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氧化/扩散示意图

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等离子刻蚀示意图

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离子注入示意图

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MEMS的典型工艺过程的典型工艺过程

淀积牺牲层

PECVD SiO2 2μm 光刻牺牲层

(a)

刻蚀牺牲层(RIE) 刻蚀牺牲层

(b)

淀积结构层

LPCVD poly-Si 1 μm

(c)

MEMS的典型工艺过程的典型工艺过程

光刻结构层

(d)

刻蚀结构层(RIE) 刻蚀结构层(RIE)

(e)

去除牺牲层，去除牺牲层，释放结构层

HF

(f)

半导体材料

元素半导体：锗、硅、硒、硼、碲、锑等；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；有机半导体：萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等；无定形半导体：氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。

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晶体半导体材料的制备

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元素半导体

元素半导体是指由单一元素晶体组成的衬底材料；如锗、硅、硒、硼、碲、锑等；硅是当前使用最广泛、工艺最成熟的半导体材料；硅材料的禁带宽度、载流子漂移率等指标适中，制备成本低；在电路指标要求较高的场合，硅材料有其缺陷。

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化合物半导体