代微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢綜述

1、 本文由我愛中國茶貢獻 pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 第 卷 第 期 年 月 天 津 工 程 師 范 學(xué) 院 學(xué) 報 】 當(dāng)代微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢綜述 王光偉 （ 天津工程師范學(xué)院 電子工程系， 天津 ） 摘要： 成電 設(shè)計、 從集 路（ ） 工藝、 封裝和測試等幾方面， 述了 為 的當(dāng) 綜 以 核心 代微電 技術(shù) 子 和產(chǎn)業(yè)的 要發(fā) 主 展趨 勢， 探討了 這些領(lǐng)域所面臨的諸多問 題及其解決方案， 要介紹了 并簡 一些典型的納米新器 件及其應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：集成電 路設(shè)計； 制造工藝； 封裝； 測試； 成本； 微電子技術(shù) 中圖分類號

2、： 獻標(biāo)識碼： ） （ ； ； ； 文章編號： 一（ 一 ） 一 ） ） （ 而 一 （ ， ） 盯 ， ， 叱 ， ： 卯 腳 仃 ） 即， ， 盯 爭 ， 沖 叩 一 ： ； ； 羅； ； ； 羅 如今， 以集成電路 （ ） 為核心的微電子技術(shù)與 產(chǎn)業(yè)已進人納米電子時代。在這個時代， 納米電子器 件所獨有的一些物理及電學(xué)特性使得傳統(tǒng) 設(shè)計、 工藝、 封裝和測試面臨一系列新的考驗。 如互連延遲 丁 、 核復(fù)用和系統(tǒng)芯片成為 、 設(shè)計的重要發(fā)展方向 隨著微電子系統(tǒng)復(fù)雜度和 芯片集成度越來越 現(xiàn)有的設(shè)計、 制造、 封裝和測試等方面正遇到嚴(yán)峻 。 計， 重 （ 等 一 對于設(shè) 應(yīng)注 體現(xiàn)系 芯片（

3、， 高， ） 句 統(tǒng) 和可制造性設(shè)計 的 ） 設(shè)計思想， 將可測性設(shè)計 （ ） 的挑戰(zhàn)?；诳蓽y性設(shè)計 （ ） （ 方案是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的可行方法 設(shè)計 ） 。 和可制造性設(shè)計 （ 貫穿到設(shè)計工作中。 ） 一些新 通常要面對兩種復(fù)雜性 硅復(fù)雜性和系統(tǒng)復(fù)雜性， 工藝與新材料的相繼應(yīng)用， 可抑制或減小由于器件 特征尺寸 （ 縮小所引起的許多消極效應(yīng)。 柵 ） 如， 即 特征工藝尺寸（ ，縮小和新材料、 ） 的 新器件的 引 人帶來的復(fù)雜性， 以及受到越來越小 和用戶對增 氧化層厚度為幾個納米時， 為減小柵漏電而采用較厚 降低成本以及更短上市時間要求所驅(qū)動的晶 的 介電 數(shù)材料伽 應(yīng)用 高 常 ） 一

4、 ； 鑲嵌工藝制 作 加功能、 備銅 體管數(shù)量的指數(shù)增長帶來的復(fù)雜性。 如果按照傳統(tǒng)的 為金屬互連材料以減小信號延時等。 適應(yīng)設(shè)計和 為了 方法設(shè)計， 必然會引起制造成本的上升， 成品率的下 工藝的革新需要， 封裝和測試也必須在技術(shù)上做相 降， 測試成本的增加， 甚至根本無法測試等問題。 因此， 應(yīng)的跟進和提升。 的增加、 信號完整性 （ 、 天線效應(yīng)（ 和電 ） ） 遷移 收稿日 期： ）一 一 基金項目：天津市高?？萍及l(fā)展基金資助項目 （儀 冶） 嘆 作者簡介： 王光偉 門 一） 男，副教授， ， 博士， 學(xué)會會員， 五 研究方向 為半導(dǎo)體薄膜材料、 工藝和器件 天 津 工 程 師 范 學(xué)

5、 院 學(xué) 報 年 月 必須在 設(shè)計時就事先考慮到產(chǎn)品的可制造性和可 測試性。目 和 已經(jīng)逐步應(yīng)用于 超深 前， 亞微米 納米制造工藝和系統(tǒng)芯片 （ 中。 ） 是 在單一基片上實現(xiàn)信號的采集、 轉(zhuǎn)換、 存儲、 處理和 等功能的系統(tǒng)。 的 設(shè)計涵蓋算法、 軟件和硬件 三方面， 的可測性設(shè)計已經(jīng)成為 技術(shù)中至關(guān) 重要的部分因 。超深亞微米 納米器件更容易發(fā)生擊 穿、 漏電和橋接等故障。為此， 新型高速 成為保 叮 證芯片良 降低測試成本的關(guān)鍵所在。雖然 率、 不屬于最新的 技術(shù)， 但其重要性在納米器件的嚴(yán)重成 品率問題出現(xiàn)后日 益顯現(xiàn)。 要求在產(chǎn)品設(shè)計時， 將可制造性作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項基本評價準(zhǔn)則，

6、 以避 免不必要的過高制造要求， 從而盡量減少不必要的生 產(chǎn)費用浪費。在過去數(shù)年間， 主要是分辨率增 （ 強技術(shù)， ） 一直是保證 良 率的關(guān)鍵。 今后 又缺乏標(biāo)準(zhǔn)接口， 造成了當(dāng)前存在著不同可復(fù)用 核之間無法良 好對接以及可復(fù)用 知識產(chǎn)權(quán)交易發(fā) 展緩慢的現(xiàn)象。 業(yè)界也因此成立了多個國際組織以推 動可復(fù)用核標(biāo)準(zhǔn)的建立加 協(xié)會、 計劃等。 今后， 標(biāo)準(zhǔn)核接口、 通信協(xié)議的綜合、 驗證和 測試扼套等的發(fā)展將是可復(fù)用產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)模式。 現(xiàn)在， 某些新的設(shè)計方法， 如 語言被引人到 系統(tǒng)級設(shè)計中， 可以較好地平衡軟件和硬件兩個方 面的需求， 并且在面向?qū)ο笤O(shè)計 （ 方面存在不 ） 可比 擬的生產(chǎn)率優(yōu)勢。

7、 采用 設(shè)計方法， 要求設(shè)計 者承擔(dān)物理設(shè)計的 全部內(nèi) 不僅在芯片內(nèi) 容， 部增加了 布局和布線工作， 的設(shè)計者還要負責(zé)封裝、 而且 測試、 及成品率管理和 （ 以 電子設(shè)計自 動化 ） 向 電 （ 子設(shè)計最優(yōu)化） 的轉(zhuǎn)變。 不單單是 的改良， 而是一種全新的設(shè)計理念， 是從邏輯和物理 兩個角度分析和設(shè)計芯片的綜合工具。 的 發(fā)展方向 是在設(shè)計和制造之間 建立更具魯棒性的 通信鏈路， 以期獲得更高的成品率。 設(shè)計與制造在 進人納米時代后， 已經(jīng)成為密不可分的一個整體， 成 為前向 設(shè)計與制造數(shù)據(jù)反饋相互融合的一個更為復(fù) 雜的過程。 由于系統(tǒng)復(fù)雜度的提高和對產(chǎn)品更短上市時間 的追求， 設(shè)計的復(fù)雜

8、度和工作量也相應(yīng)地呈指數(shù)性 增加。提高設(shè)計效率無疑成為 設(shè)計業(yè)的主要奮斗 目 標(biāo)之一。 其中， 復(fù)用設(shè)計正在成為眾多廠商的選 擇。 實現(xiàn)的 基礎(chǔ)之一就是 復(fù)用設(shè)計， 其基本內(nèi) 涵是把已優(yōu)化的子系統(tǒng) （ 甚至系統(tǒng)級模塊） 納人到新 的系統(tǒng)設(shè)計中， 以實現(xiàn) 設(shè)計能力的飛躍。 年 （ 制造工藝技術(shù)的進步是推動微電子產(chǎn)業(yè) 增長的基本動力 摩爾定律在未來 年內(nèi)， 仍然發(fā)揮導(dǎo)向作用 到現(xiàn)在為止， 半節(jié)距為特征尺寸的 以 技術(shù)節(jié)點的演進一直遵循摩爾定律。據(jù)專家預(yù)計， 未 來 巧年內(nèi)， 摩爾定律仍然有效。 這主要得益于電路設(shè) 計和架構(gòu)上的不斷創(chuàng)新 年， 技術(shù)到達 。 國際 節(jié)點， 距離上一個節(jié)點 （ 已 ）

9、有 年。 以年版 指出，（ 年將實現(xiàn) ） 量產(chǎn)， 年達到 ， 年進人 ， 年實現(xiàn) 量產(chǎn)。腸 年 公司推出的酷睿 （ 月， 系列微處理器， 億個晶體管， ） 有 全部采用 制造工藝， 標(biāo)志著 技術(shù)節(jié)點的量產(chǎn)比 ）的預(yù)言提前了 修訂版所給出 （ 年。 年 ） （ 修訂版認為， 設(shè)計成本的 快速上升是半導(dǎo)體技術(shù) 可持續(xù)發(fā)展的最大障礙之一， 并導(dǎo)致設(shè)計和生產(chǎn)制造 之間產(chǎn)生脫節(jié)。 復(fù)用設(shè)計是加速設(shè)計進程和降低設(shè) 計成本的有效方法。 前， 復(fù)用已 設(shè)計中得到 目 在 應(yīng)用， 并形成了 專門生產(chǎn)可復(fù)用 核的產(chǎn)業(yè)和生產(chǎn) 的主要特征尺寸如表 【 所示。 商?？蓮?fù)用 核分為以硬件描述語言 （ ） 形式 雖然到現(xiàn)在

10、為止每個技術(shù)節(jié)點都基本上如期實 提交的軟核、 經(jīng)過完全布局布線的網(wǎng)表形式且不能由 現(xiàn)。 漏電、 量子效應(yīng)和熱功耗問題一直是摩爾定律前 設(shè)計者修改的硬核， 以及結(jié)合了軟核與硬核兩種形式 的固核 種。由于不同廠商參與可復(fù)用核的生產(chǎn)， 進的主要羈絆。為了實現(xiàn) 技術(shù)按摩爾定律進展， 表 修訂版給出的 主要特征尺寸范區(qū) 年 生產(chǎn)年份 ） 竺 傀 ， 乙 凡 ， 八 八 司 且 八 ， 幾 ， 特征技術(shù)節(jié)點 半節(jié)距 半節(jié)距 ） （ 巧 ） （ 、 曰 ） （ 尸 月了 ） （ 犯 ， 少 尸 、 】 、 一 印 山 白 了 尸 了 尸 節(jié)距 從 版圖柵長 物理柵長 飛 、 門、 ， ， ， 第 卷 第 期

11、 王光偉 ：當(dāng)代微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢綜述 生產(chǎn)出基于 工藝水平的全功能 芯片， 該 低功耗晶體管、 第二代應(yīng)變硅、 比 縮 如高 常 （ 材 金 例 小。 介電 數(shù) ） 料、 屬柵極、 工藝融合了高性能、 一 應(yīng)變硅等成為各廠商應(yīng)對半導(dǎo)體器件漏電率上升的 高速銅互連， 及低 淪 材料， 以 介電 在 工藝出現(xiàn) 首選。 公司宣布于 年 工藝的量產(chǎn)芯 的漏電過大問題在 工藝中也得到了明顯的改 一些新材料、 新工藝陸續(xù)被引人制造工藝中， 帶來了 電氣性能的較大改善， 并產(chǎn)生和過去相似的等效按 商開始瞄準(zhǔn)下一個技術(shù)節(jié)點。 年 宣布， 它已 片中 高 常 卜材 金屬柵 采用 介電 數(shù)（ ） 料和

12、極（ ） ， 分別替代二氧化硅 （ 包括 ） 和 多晶硅。目 主流的 前， 技術(shù)部分地采用了相關(guān) 善。 稱， 年該工藝已用于 硅片的量 產(chǎn)。在 年舉行的國際電子元器件大會 （ ） 上， 展示了采用 工藝制造的兩款 裸片 的 新材料和 新工藝 ， 。 技術(shù)、 硅片、 銅互連工藝和 成為四大亮點 技術(shù)是工藝上的一次重大突破 照片， 包括一顆雙內(nèi)核處理器和代號為 的 其中 移動處理器。 、 、 等公司表示積 、 極投資 工藝。 抒 又 技術(shù)節(jié)點， 很多專家認 為 有可能 推 據(jù) 預(yù) 。 將 被 遲。 ， 計， 工藝可能要到 年下半年或 年才會研制 成功。 制造工藝于 年開發(fā)成功， 年實現(xiàn) 量產(chǎn)。 和

13、 工藝水平相比， 不是線寬簡單 地減少了 ， 制造工藝的一個飛躍。 而是 因此， 在向 進化過程中所遇到的困難也遠遠高于以 前的技術(shù)升級， 但這也為順利地向 節(jié)點過渡打 下了良 好的基礎(chǔ)。 在 工藝中， 采用了多項新材 硅片已 成為產(chǎn)業(yè)布局的重點 早在 年， 業(yè)界即推出了第一代可用于 硅片的生產(chǎn)設(shè)備。 和 英 年， （ 飛凌 ） 共同投資在德國德累斯頓 （ ） 建造全 料和 新工藝。 激光退火、 其中， 應(yīng)變硅（ 、 球第一座采用 硅片生產(chǎn) 的工廠一一 ） 絕緣襯底上硅（ ， 、 ） 銅互連技術(shù)、 （ ）主要產(chǎn)品為 （ ， ） ， 年通過產(chǎn)品質(zhì)量認證。此后， 全球半導(dǎo)體市場的不景 低 無 材料

14、的引人是主要亮點。 介電 脈沖準(zhǔn)分子激光退 氣， 推遲了向 硅片的轉(zhuǎn)移。全球 產(chǎn)業(yè)曾歷 火 （ 是形成 納米超淺結(jié)接觸材料的重要手 ） 段 應(yīng)變硅技術(shù)顯著地提高了溝道載流子的橫向遷 。 經(jīng)多次向大尺寸硅片轉(zhuǎn)移的歷史胸 、 和巧 的轉(zhuǎn)移各花了大約 年時間， 巧 從 到 移率， 縮短了源漏間的渡越時間， 使電流密度增大 ， 一 從而提高了晶體管的運行速度和芯片的工 的轉(zhuǎn)移花了 年時間， 向 轉(zhuǎn)移的時間 作頻率。 是為了防止寄生電容和寄生晶體管效應(yīng) 更長， 用了 年才達到大約 億平方英寸硅片的 而采用的。在 工藝中， 運用了七層或八層銅互 產(chǎn)能。 前， 目 硅片成為運用最先進工藝技術(shù)的 首選， 諸如

15、更小的柵極長度 （ 、 ）雙嵌入式銅互 連技術(shù)， 硅片上的晶 體管數(shù)達到 量級， 極大提升了 芯片的性價比。雙層堆疊設(shè)計的摻碳氧化物 （ ） 連工藝、 芳 低 介電材料和高 芳 介電材料、 硅片長凸技 低關(guān) 介電材料的采用， 減小了布線之間的電容， 提高 術(shù)， 以及背面研磨技術(shù)等。同時， 工廠亦采用 了 信號在芯片內(nèi)的傳輸速度， 降低了功耗。 工 了 更高的自 動化程度， 包括前開門式統(tǒng)一規(guī)格（ ） 藝還具有其他一些優(yōu)良的技術(shù)特性， 如 柵極絕 和微環(huán)境的普遍應(yīng)用、 非常高的單機自 動化水平、 高 緣層厚度， 僅有 個原子層厚， 一 可以提高晶 體管的 度集成的全廠計算機集成制造系統(tǒng) （ 、

16、動化 ） 自 物流系統(tǒng)（ ） 、 動化生產(chǎn)優(yōu)化設(shè)計的工廠布局， 為自 運行速度。晶體管長度僅為 左右， 未來兩年還 可以進一步縮小。 據(jù)報道， 公司在研發(fā) 制 以及采用基于開放式標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)設(shè)備和軟件等， 所有 這些， 都大大提高了生產(chǎn)效率。 程的過程中還引人了一些新技術(shù)， “ 如 收縮硅片”技 術(shù)， 可以控制熱電子， 從而使晶體管熱泄漏現(xiàn)象得到 由于 硅片是 硅片面積的 倍， 解決。 睡眠晶體管” “ 技術(shù)， 能使芯片在沒有被使用的 產(chǎn)能是 硅片的 上， 倍以 這相當(dāng)于每個芯 區(qū)域自 動處于關(guān)態(tài)， 從而大大降低功耗和滿足芯片的 片的成本下降超過 覆蓋率幾乎可達到 因 ， 。 散熱要求， 在筆記

17、本電腦等功耗要求較高的產(chǎn)品中具 此， 在市場競爭激烈的 領(lǐng)域中 應(yīng)用較快， 如 產(chǎn) 有重要應(yīng)用。據(jù)有關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計， 全球大部分 年 品和邏輯電路領(lǐng)域。 在現(xiàn)有家 硅片工廠中， 大廠仍采用 或 節(jié)點作為主流量 了家， 占 邏輯電 了家， 路占 其余 是 家 產(chǎn)工藝， 工藝在 年上半年才成為主流工藝。 微處理器。由于投資 工廠需要巨額資金 （ 估 隨著 工藝被逐步應(yīng)用于 生產(chǎn)中一 些廠 計建造一座 芯片工廠需要大約 億美元 ） ， 天 津 工 程 師 范 學(xué)、 院 學(xué) 報 年 月 因此， 只有實力特別雄厚的公司才能承受， 一 代工廠 （ ） 重要性正日 的 漸上升。 前 在目 硅 片 廠中， 叮就占

18、 據(jù) 估計， 了。 公司 年新增的家 廠中，卿占家。 銅互連工藝的普遍應(yīng)用 傳統(tǒng) 金屬化工藝主要采用鋁作為互連材料， 隨著晶體管尺寸越來越小， 其在信號的高速傳輸方面 、 編碼解碼引擎等集成在一起， 追求性 以 表現(xiàn)出很大的局限性。 選用電阻率較小的金屬作為互 能上的提升。目 最先進的研發(fā)方向開始轉(zhuǎn)向 前， 將各 連材料和介電常數(shù)較小的介電材料作為層間介質(zhì)是 種光電子器件、 化學(xué)傳感器、 生物電子器件和執(zhí)行器 降低信號延遲、 提高時鐘頻率的兩個主要方向。 金屬 與信息處理系統(tǒng)集成在一起， 從而完成從信息獲取、 互連材料中， 銅是取代鋁的理想選擇。這是因為銅的 處理、 存儲、 傳輸?shù)綀?zhí)行的系統(tǒng)功

19、能， 即微機電系統(tǒng) 電阻率比鋁小 并且銅比鋁的抗電遷移能力高兩 ， （ 或微光機電系統(tǒng) （ ）即更廣義的 ） ， 個數(shù)量級。與鋁相比， ， 銅允許在更薄的互連層中 通 。 過更大密度的電流， 從而提高了驅(qū)動能力。銅工藝減 具有很多優(yōu)勢， 如極大地減小功耗開銷、 減少 少互連層的厚度， 可通過降低電容來達到減小信號延 印制電路板 （ ） 上部件數(shù)和管腳數(shù)、 降低板卡失 遲的目 如果配合采用低 的。 介電材料， 可以降低信 效的可能性、 減少系統(tǒng)開發(fā)成本等?，F(xiàn)在， 在計算機 號線之間的禍合電容， 信號的傳輸速度更快， 即可進 中應(yīng)用的 除了 個通用處理器外， ， 還集成了 一步降低信號延時。 銅工

20、藝走向 產(chǎn)業(yè)化的另一個原因 即 卸載引擎、 編碼解碼引擎及圖形處理引 是， 雖然銅的刻蝕比鋁困難， 但銅互連采用的是鑲嵌 擎， 這些專用處理電路在提供更高處理效率的同時， 體的功能和特性出發(fā)， 用軟硬件結(jié)合的設(shè)計和驗證方 法， 復(fù)用貫徹到深亞微米 把 納米技術(shù)， 在一個芯片 上實現(xiàn)極其復(fù)雜的功能。 最初主要是將邏輯電路、 、 閃存和微處 理器集成在一起來獲得體積、 功耗和成本的最優(yōu)化。 隨著 技術(shù)的發(fā)展， 出現(xiàn)了將 、 一 、 工藝 （ ） 和化學(xué)機械拋光 （ ） ， 可以減少金屬互連層數(shù)， 從而降低了成本。 公司率先把銅工藝應(yīng)用到實際的生產(chǎn)中。 年， 舊 公司推出了采用銅互連技術(shù)的 奔騰 處

21、理器 （ 工藝 ） 。接著， 、 、 三 星、 臺積電、 聯(lián)電等公司也紛紛采用銅互連工藝。目 還可以 減少功耗和 發(fā)熱量。 的資 據(jù) 料統(tǒng)計， 近年來廣泛應(yīng)用 的產(chǎn)品主要有： 手機、 視頻游戲 機、 存儲器、 寬帶遠程訪問設(shè)備、 播放器、 數(shù)字機 頂盒、 數(shù)碼相機、 個人計算機、 移動通信網(wǎng)設(shè)備、 局域 獷 域網(wǎng) 設(shè)備等。 其中， 對高性能 需求較旺的是網(wǎng) 絡(luò)設(shè)備和高端電子游戲機， 要求功耗低的 主要集 中在移動通信設(shè)備和無線應(yīng)用方面。據(jù)有關(guān)機構(gòu)統(tǒng) 計， 銷售額將從 年的 億美元迅速增長到 年的 億美元左右， 年均增長率超過 。 前在 、 制造中已 的 經(jīng)廣泛應(yīng)用了 銅 互連技術(shù)。銅互連已經(jīng)成

22、為 以下金屬化工藝 的唯一選擇。在最新的 工藝中， 廠商采用了七 層或八層銅互連技術(shù)。據(jù)最新報道， 與銅互連工藝和 低 介電材料在 節(jié)點中的應(yīng)用有關(guān)的技術(shù)問題 已被攻克， 前正朝著 目 技術(shù)節(jié)點進發(fā)。在 版的 中， 第一次沒有對銅互連工藝和低 無 介電 材料的發(fā)展目 標(biāo)進行延后， 表明銅互連工藝的研發(fā)和 應(yīng)用非常順利。有關(guān)專家認為， 銅互連工藝開發(fā)的潛 力還很大， 至少在 巧 節(jié)點之前還不需要下一代互 連技術(shù) 光互連技術(shù)。 現(xiàn)在， 銅互連工藝日 臻成熟， 廣泛應(yīng)用于 、 服務(wù)器、 通訊及消費電子類等對整體 產(chǎn)品表現(xiàn)、 高密度及低耗電有較高要求的 產(chǎn)品。 成為 的重要發(fā)展方向 給 設(shè)計、 測試、

23、 工藝集成、 器件、 架構(gòu)以 及 其他領(lǐng)域帶來一系列技術(shù)上的挑戰(zhàn)， 需要解決的問題 包括： 系統(tǒng)級異質(zhì)技術(shù)集成， 、 如 光電子器 件的整合等； 功耗管理， 特別是對于低功耗、 無線 多媒體應(yīng)用； 開發(fā)可復(fù)用的模擬 測試方 ； 法的發(fā)展， 包括測試的可重用性和模擬 數(shù)字內(nèi)建自 測 試。必須指出， 雖然 大大降低了 設(shè)計和制造 成本， 卻顯著地抬高了 測試成本 總之， 代表了 。 朝系統(tǒng)集成的方向發(fā)展。從分立元件到 再到 ， 這是電子學(xué)領(lǐng)域的三次重大變革。微電子技術(shù) 從 向 的演變， 不僅是概念上的重大突破， 同時， 也是信息技術(shù)革命的必要前提。 光刻技術(shù)代表了 制造工藝的先進程度 制程包括薄膜

24、材料制備、 清洗、 掩蔽、 光刻、 刻蝕、 摻雜、 等多個工序， 其中尤以光刻技術(shù)最 為關(guān)鍵， 它決定著 制造水平的高低。隨著 由深 隨著 技術(shù)進人納米階段， 市場呼喚重量更輕、 成本更低、 功耗更小的產(chǎn)品， 出現(xiàn)了將整個系統(tǒng)集成 在一個芯片上的產(chǎn)品 系統(tǒng)芯片 （ ） 。 將原 先由多個芯片完成的功能集中到單個芯片中實現(xiàn)。 不是各個子芯片功能的簡單疊加? ， 而是從系統(tǒng)整 第 卷 第 期 王光偉 ：當(dāng)代微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢綜述 亞微米向納米級發(fā)展， 光刻采用的光源波長也從近紫 夕 區(qū)間的 漢 ） 、 進人到極紫夕 漢 ） 區(qū)間的 目 大部分芯片制造采用波 、 。 前， 長為 和 光刻技術(shù)

25、。 其中 光刻光 源是 準(zhǔn)分子激光， 最初用于 卿 制造工藝。 公司推出的 以系統(tǒng)， 一 將其擴展到了 藝， 四 公司推出的 系統(tǒng)， （ ） 可以 滿足 卿工藝的 制造要求。 前， 光刻 當(dāng) 采用 準(zhǔn)分子激光作為光源， 其主要用于 “ 、 和 卿 工藝。 屬合金， 如錫鋅系列、 錫銅系列和錫銀系列等 無鉛 。 焊料相對錫鉛焊料的主要弱點是浸潤性差、 熔點高和 金屬溶解速度快。另外， 無鉛焊接過程中預(yù)熱和回 流溫度較高， 因此需要更強有力的清洗過程。通過鏤 板印刷和電鍍晶圓凸點的制備來實現(xiàn)無鉛化是較為 先進的工藝?？傊?無鉛化工藝引人的新材料或新技 術(shù)對 制造、 封裝和測試的影響還需要作進一步

26、的 評估。 除了積極開發(fā)無鉛化封裝技術(shù)外， 近年來出現(xiàn)了 年版 曾 預(yù)言將在 腳工藝中 采用 巧 光刻技術(shù)， 經(jīng)證實被大大延后了。這主要 但已 歸功于分辨率提高技術(shù) （ ） 的應(yīng)用， 其中以浸人 式光刻技術(shù)最受注目。 浸人式光刻是指在投影鏡頭與 硅片之間充滿液體， 以提高光刻設(shè)備的折射率和增大 鏡頭的 數(shù)值孔徑， 從而獲得更高的 分辨率。 如 光刻機的數(shù)值孔徑（ ） 左右， 為 采用浸人式技 術(shù)后， 浸入式光刻技術(shù)在 年后 。 取得了長足進展， 并有望應(yīng)用于未來 及以后的 技術(shù)節(jié)點中。 當(dāng)前， 一些主要的 制造商已經(jīng)將浸人 很多新的 封裝技術(shù)， 如系統(tǒng)級封裝 （ ， ） 裝芯 （、 級封 （硫

27、： 卿 、 倒 片 ） 晶圓 裝 ） 層疊封 （ 等， 吧 和 裝 ） 被應(yīng) 用在各種超小型封裝、 超多端子封裝、 多芯片封裝領(lǐng) 域。系統(tǒng)封裝主要受到移動電話市場快速發(fā)展的驅(qū) 動， 及應(yīng)對多芯片封裝發(fā)展的 以 要求。倒裝芯片是直 接通過芯片上呈陣列排布的凸點來實現(xiàn)芯片與封裝 襯底的互連， 傳統(tǒng)封裝方式面積縮小約 并 可比 ， 式 技術(shù) 首 原先預(yù) 在 林 和 光刻 作為 選。 計 工藝中采用的 光刻技術(shù)， 已經(jīng)被 浸人 且電特性表現(xiàn)優(yōu)良， 抗噪聲和抗干擾能力較高， 適合 應(yīng)用于 芯片組及繪圖 等高端產(chǎn)品。 、 封裝業(yè)正經(jīng)歷的另一個重大轉(zhuǎn)變是從標(biāo)準(zhǔn)封 裝批量生產(chǎn)為主， 提供定制的封裝解決方案轉(zhuǎn)變

28、。 向 主要的驅(qū)動力來自 消費電子業(yè)的快速發(fā)展、 封裝引腳 的增加、 新材料的導(dǎo)入以及新制造工藝的開發(fā)等。 式光刻技術(shù)所替代。 年 宣布， 它有意放棄 光刻技術(shù)， 以 浸人式光刻取而代之， 然 后使 犯 工藝直接進人 時代。于同年宣 布其 光刻技術(shù)可擴展到 節(jié)點， 而 光刻技術(shù)被順延到 節(jié)點。 修訂版擴 充了 浸人式光刻技術(shù)的使用范圍， 并將 浸 人式光刻技術(shù)作為 和 節(jié)點的首選， 同時 還認為浸入式光刻有可能成為犯 和 節(jié)點的 測試業(yè)面臨新的挑戰(zhàn) 當(dāng)前， 測試主要面臨兩方面的挑戰(zhàn)： 一是 技術(shù)的挑戰(zhàn)； 二是可測性的挑戰(zhàn)。 的復(fù)雜度非常 高， 在一塊芯片內(nèi)有 存儲器、 、 、 模擬電路等 多種

29、模塊， 還可能包括射頻電路、 光電器件、 化學(xué)傳感 器等器件， 因而作為 測試系統(tǒng)， 必須具備數(shù)字、 混 合信號、 存儲器、 射頻等各種測試， 同時各個模塊之 間又不能相互影響， 這對測試提出了非常高的要求。 其次是芯片的可測性， 它包括可隔離性、 可控性和可 觀察性 著芯片復(fù)雜度和集成度越來越高， 。隨 對芯 片的可測性提出了更高要求。許多試驗指出， 電路規(guī) 模每增加 個數(shù)量級， 測試生成時間將增大 個數(shù)量 級側(cè) 。同時， 也要防止測試成本的指數(shù)增長。 面對芯片復(fù)雜度和集成度越來越高的趨勢， 較好 的 解決方案是在設(shè)計時即采用 ， 這在一定程度上 降低了測試的復(fù)雜度， 對保證芯片流片成功、

30、提高量 產(chǎn)良 降低測試成本都起著重要作用。 刃 的方法 率、 之一是采用結(jié)構(gòu)測試， 而非功能測試， 可以縮短測試 開發(fā)時間， 節(jié)省測試費用。 其次， 采用內(nèi)置自 測試， 即 解決方案。 全球主要的 光刻設(shè)備供應(yīng)商 、 和 均已推出 浸人式光刻設(shè)備， 計 劃把浸人式技術(shù)應(yīng)用到 光刻中， 年 如 公司推出 ） 的 浸人式光刻機 。 當(dāng) 新一代 然， 光刻技術(shù)， 如極紫外光刻（ 、 子束 ） 電 投影光刻、 離子束投影光刻及 射線光刻等， 也有可 能在 及以后的技術(shù)節(jié)點中得到實際應(yīng)用。 ！ 封裝業(yè)積極應(yīng)對無鉛化要求 由 兀 于 封裝所用的主要焊料一一錫鉛焊料（ 一 合 對環(huán)境和 金） 人體的 很大，

31、 前 封裝業(yè)必須 危害 目 轉(zhuǎn)向無鉛化封裝方案。 無鉛化封裝主要通過采用無鉛 焊料來實現(xiàn)， 比較成熟的無鉛焊料是以錫為主體的金 天 津 工 程 師 范 學(xué) 院 學(xué) 報 年 月 產(chǎn)廠商， 英飛凌、 如 、 飛思卡爾（ ） 、 、 對芯片或 核進行測試， 也可縮短測試開發(fā)時間， 降 瑞薩、 三星與索尼都在積極研發(fā)中。 相變存儲器是基 低測試費用。第三， 采用基于故障的測試， 即測試可 于記憶材料在電流脈沖作用下發(fā)生快速可逆相變， 具 能發(fā)生故障的部分， 不測試不太可能發(fā)生故障的部 有非揮發(fā)性、 低功耗、 抗輻照等優(yōu)點。納米存儲器主 要是指納米技術(shù)制造的浮柵存儲器， 具有快速讀寫和 分， 在制造過程

32、中， 在可能引起失效的地方設(shè)置一些 非揮發(fā)的特點。 分子存儲器則是基于單分子作為基本 測試電路， 可保證較高的測試覆蓋率， 還能節(jié)省時間 和費用。 由于可復(fù)用 核在 設(shè)計中應(yīng)用愈加廣泛， 存儲單元的存儲器。 出現(xiàn)了不同廠商核的多時鐘問題， 使得并行測試這 新型邏輯器件主要有共振隧道二極管 （ 、 ） 單電子晶體管 （ ）快速單通量量子邏輯器件、 、 量 些核非常復(fù)雜。 因此， 需要建立各個廠商都能接受 子單元自 動控制器件、 納米管器件、 分子器件等。在 的核接人標(biāo)準(zhǔn)和可測性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)， 這也能大大簡化 測試程序， 節(jié)約測試費用。 未來各種 新型器件中， 納米科技被大量運用， 除了 因芯片集成度

33、提高而出現(xiàn)的測試愈來愈分散化 在存儲器和邏輯器件中作為晶體管的主要材料， 某些 也是一個重要特點。 測試將體現(xiàn)在每一個環(huán)節(jié)之 形態(tài)的碳納米管 （ ） 可在晶體管中取代硅來控制 中， 尤其是對于復(fù)雜的芯片， 從設(shè)計、 制造至封裝， 測 電子流， 并且 也有可能取代銅作為金屬互連材 試機器將與芯片本身更加接近， 從而測試過程將變得 料。 公司預(yù)測， 年， 到 芯片的晶體管結(jié)構(gòu)將 更加快捷和方便。 由 或硅納米導(dǎo)線構(gòu)成。 據(jù)一份研究報告稱，到 全球采用納米科技的 產(chǎn)品銷售額將達到 年， 一些新型器件逐漸嶄露頭角 億美元， 年將增加到 億美元， 年將 達到 億美元。 隨著特征尺寸的縮小， 主流器件的

34、作為 越來越顯現(xiàn)出局限性。 研發(fā)人員開始積極尋找新 結(jié)束語 的替代產(chǎn)品， 以便在更小的技術(shù)節(jié)點中超越體硅 技術(shù)。 當(dāng)代微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的飛速進步， 對傳統(tǒng)的 中 提出的 非傳統(tǒng) 器件中， 有超薄體 設(shè)計、 工藝、 封裝和測試等方面帶來許多機遇和挑戰(zhàn)。 、 能帶工程晶體管、 垂直晶體管、 雙柵晶體管、 可測性設(shè)計、 可制造性設(shè)計和 核復(fù)用成為 設(shè)計 等。 其中， 超薄體 是一種全耗盡 ， 可以 的重要發(fā)展方向。隨著 特征尺寸縮小到納米量級， 提供 節(jié)點 所需的極薄溝道尺寸（ ） 出現(xiàn)一些新的物理和電學(xué)現(xiàn)象， ， 促使 在制造工藝 把測試電路設(shè)計在芯片或核中， 通過內(nèi)置測試電路 具有 較高的 值斜

35、率 （ 附 和 亞閡 （ 助） 保證閡 值 電壓 （ 的可控性。 科） 能帶工程晶體管是將體硅上的 應(yīng)變硅用作溝道遷移率提高層， 以獲得更高的驅(qū)動電 流， 并且和體硅 兼容。 垂直晶 體管、 和平面雙柵晶體管都是雙柵或圍柵晶 體管結(jié)構(gòu)， 這三 種器件都能提供較高的驅(qū)動電流， 后兩者還具有較高 的亞閡值斜率和改善的短溝道效應(yīng)。 近年來， 有望被實際應(yīng)用的新興存儲器件， 主要有 磁存儲器 （ ）相變存儲器 （ ）納米存儲 、 、 技 材 進行重 革。 設(shè)計和 藝的 術(shù)和 料上 大變 工 革新， 又使得 封裝和測試技術(shù)呈現(xiàn)出一些新的 特點。所 有這些， 提升了微電子產(chǎn)品的性價比， 拓展了市場， 推 動了微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。 參考文獻： ， 一 一 曾 宏， 漩， 昊 曾 閡 深亞微米下系統(tǒng)芯