硅微電子學(xué)研究論文

1、硅微電子學(xué)研究論文摘要本文展望了21世紀(jì)微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。認(rèn)為：21世紀(jì)初的微電子技術(shù)仍將以硅基CMOS電路為主流工藝，但將突破目前所謂的物理“限制”，繼續(xù)快速發(fā)展；集成電路將逐步發(fā)展成為集成系統(tǒng)；微電子技術(shù)將與其它技術(shù)結(jié)合形成一系列新的增長(zhǎng)點(diǎn)，例如微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、DNA芯片等。具體地講，SOC設(shè)計(jì)技術(shù)、超微細(xì)光刻技術(shù)、虛擬工廠技術(shù)、銅互連及低K互連絕緣介質(zhì)、高K柵絕緣介質(zhì)和柵工程技術(shù)、SOI技術(shù)等將在近幾年內(nèi)得到快速發(fā)展。21世紀(jì)將是我國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)的黃金時(shí)代。 關(guān)鍵詞微電子技術(shù)集成系統(tǒng)微機(jī)電系統(tǒng)DNA芯片 1引言 綜觀人類社會(huì)發(fā)展的文明史，一切生產(chǎn)方式和生活方式的重大變革都是由于

2、新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生而引發(fā)的，科學(xué)技術(shù)作為革命的力量，推動(dòng)著人類社會(huì)向前發(fā)展。從50多年前晶體管的發(fā)明到目前微電子技術(shù)成為整個(gè)信息社會(huì)的基礎(chǔ)和核心的發(fā)展歷史充分證明了“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”。信息是客觀事物狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類社會(huì)的重要資源，但對(duì)它的利用卻僅僅是開始。當(dāng)前面臨的信息革命以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化作為特征。數(shù)字化大大改善了人們對(duì)信息的利用，更好地滿足了人們對(duì)信息的需求；而網(wǎng)絡(luò)化則使人們更為方便地交換信息，使整個(gè)地球成為一個(gè)“地球村”。以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為特征的信息技術(shù)同一般技術(shù)不同，它具有極強(qiáng)的滲透性和基礎(chǔ)性，它可以滲透和改造各種產(chǎn)業(yè)和行業(yè)，改變著人類的

3、生產(chǎn)和生活方式，改變著經(jīng)濟(jì)形態(tài)和社會(huì)、政治、文化等各個(gè)領(lǐng)域。而它的基礎(chǔ)之一就是微電子技術(shù)。可以毫不夸張地說(shuō)，沒(méi)有微電子技術(shù)的進(jìn)步，就不可能有今天信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，微電子已經(jīng)成為整個(gè)信息社會(huì)發(fā)展的基石。 50多年來(lái)微電子技術(shù)的發(fā)展歷史，實(shí)際上就是不斷創(chuàng)新的過(guò)程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)明并不是一個(gè)孤立的精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，而是一系列固體物理、半導(dǎo)體物理、材料科學(xué)等取得重大突破后的必然結(jié)果。1947年發(fā)明點(diǎn)接觸型晶體管、1948年發(fā)明結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術(shù)、半導(dǎo)體隨機(jī)存儲(chǔ)器、CPU、非揮發(fā)存儲(chǔ)器等微電子領(lǐng)域的重大發(fā)明也都是一系列

4、創(chuàng)新成果的體現(xiàn)。同時(shí)，每一項(xiàng)重大發(fā)明又都開拓出一個(gè)新的領(lǐng)域，帶來(lái)了新的巨大市場(chǎng)，對(duì)我們的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生了重大的影響。也正是由于微電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷創(chuàng)新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術(shù)有關(guān)的學(xué)術(shù)論文數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了與鋼鐵有關(guān)的學(xué)術(shù)論文，所以有人認(rèn)為，1968年以后人類進(jìn)入了繼石器、青銅器、鐵器時(shí)代之后硅石時(shí)代（siliconage）1。因此可以說(shuō)社會(huì)發(fā)展的本質(zhì)是創(chuàng)新，沒(méi)有創(chuàng)新，社會(huì)就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的改革動(dòng)力往往會(huì)給社會(huì)帶來(lái)“創(chuàng)造性的破壞”，但經(jīng)過(guò)這種破壞后，又將開始一個(gè)新的處于更高層次的

5、創(chuàng)新循環(huán)，社會(huì)就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。 在微電子技術(shù)發(fā)展的前50年，創(chuàng)新起到了決定性的作用，而今后微電子技術(shù)的發(fā)展仍將依賴于一系列創(chuàng)新性成果的出現(xiàn)。我們認(rèn)為：目前微電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了一個(gè)很關(guān)鍵的時(shí)期，21世紀(jì)上半葉，也就是今后50年微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和主要的創(chuàng)新領(lǐng)域主要有以下四個(gè)方面：以硅基CMOS電路為主流工藝；系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，SOC）為發(fā)展重點(diǎn)；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)；與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)，如MEMS，DNAChip等。 221世紀(jì)上半葉仍將以硅基CMOS電路為主流工藝 微電子技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)是不斷提高集成

6、系統(tǒng)的性能及性能價(jià)格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導(dǎo)體器件特征尺寸的動(dòng)力源泉。以MOS技術(shù)為例，溝道長(zhǎng)度縮小可以提高集成電路的速度；同時(shí)縮小溝道長(zhǎng)度和寬度還可減小器件尺寸，提高集成度，從而在芯片上集成更多數(shù)目的晶體管，將結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統(tǒng)的速度和可靠性也大大提高，價(jià)格大幅度下降。由于片內(nèi)信號(hào)的延遲總小于芯片間的信號(hào)延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒(méi)有提高，整個(gè)集成系統(tǒng)的性能也可以得到很大的提高。 自1958年集成電路發(fā)明以來(lái)，為了提高電子系統(tǒng)的性能，降低成本，微電子器件的特征尺寸不斷縮小，加工精度不斷

7、提高，同時(shí)硅片的面積不斷增大。集成電路芯片的發(fā)展基本上遵循了Intel公司創(chuàng)始人之一的GordonEMoore1965年預(yù)言的摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸縮小倍。在這期間，雖然有很多人預(yù)測(cè)這種發(fā)展趨勢(shì)將減緩，但是微電子產(chǎn)業(yè)三十多年來(lái)發(fā)展的狀況證實(shí)了Moore的預(yù)言2。而且根據(jù)我們的預(yù)測(cè)，微電子技術(shù)的這種發(fā)展趨勢(shì)還將在21世紀(jì)繼續(xù)一段時(shí)期，這是其它任何產(chǎn)業(yè)都無(wú)法與之比擬的。 現(xiàn)在，018微米CMOS工藝技術(shù)已成為微電子產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)，0035微米乃至0020微米的器件已在實(shí)驗(yàn)室中制備成功，研究工作已進(jìn)入亞01微米技術(shù)階段，相應(yīng)的柵氧化層厚度只有2010nm。預(yù)計(jì)到2010年，特征

8、尺寸為005007微米的64GDRAM產(chǎn)品將投入批量生產(chǎn)。 21世紀(jì)，起碼是21世紀(jì)上半葉,微電子生產(chǎn)技術(shù)仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)為主流。盡管微電子學(xué)在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進(jìn)展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展規(guī)律，一種新技術(shù)從誕生到成為主流技術(shù)一般需要20到30年的時(shí)間，硅集成電路技術(shù)自1947年發(fā)明晶體管1958年發(fā)明集成電路,到60年代末發(fā)展成為大產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了20多年的時(shí)間。另外，全世界數(shù)以萬(wàn)億美元計(jì)的設(shè)備和技術(shù)投入，已使硅基工藝形成非常強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)能力；同時(shí)，長(zhǎng)期的科研投入已使人們對(duì)硅及其衍生物各種屬性的了解達(dá)到十分深入、十分透徹的地步，

9、成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識(shí)積累。產(chǎn)業(yè)能力和知識(shí)積累決定了硅基工藝起碼將在50年內(nèi)仍起重要作用，人們不會(huì)輕易放棄。 目前很多人認(rèn)為當(dāng)微電子技術(shù)的特征尺寸在2015年達(dá)到00300015微米的“極限”之后，將是硅技術(shù)時(shí)代的結(jié)束，這實(shí)際上是一種誤解。且不說(shuō)微電子技術(shù)除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術(shù)之外，還有設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等方面需要進(jìn)一步的大力發(fā)展，這些技術(shù)的發(fā)展必將使微電子產(chǎn)業(yè)繼續(xù)高速增長(zhǎng)。即使是加工工藝技術(shù)，很多著名的微電子學(xué)家也預(yù)測(cè)，微電子產(chǎn)業(yè)將于2030年左右步入像汽車工業(yè)、航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽(yáng)工業(yè)領(lǐng)域。即使微電子產(chǎn)業(yè)步入汽車、航空等成熟工業(yè)領(lǐng)域，它仍將保持

10、快速發(fā)展趨勢(shì)，就像汽車、航空工業(yè)已經(jīng)發(fā)展了50多年仍極具發(fā)展?jié)摿σ粯印?隨著器件的特征尺寸越來(lái)越小，不可避免地會(huì)遇到器件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵工藝、集成技術(shù)以及材料等方面的一系列問(wèn)題，究其原因，主要是：對(duì)其中的物理規(guī)律等科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還停留在集成電路誕生和發(fā)展初期所形成的經(jīng)典或半經(jīng)典理論基礎(chǔ)上，這些理論適合于描述微米量級(jí)的微電子器件，但對(duì)空間尺度為納米量級(jí)、空間尺度為飛秒量級(jí)的系統(tǒng)芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，SiO2柵介質(zhì)材料、多晶硅硅化物柵電極等傳統(tǒng)材料由于受到材料特性的制約，已無(wú)法滿足亞50納米器件及電路的需求；同時(shí)傳統(tǒng)器件結(jié)構(gòu)也已無(wú)法滿足亞50納米器件的要求，必須發(fā)展新型的器件結(jié)構(gòu)和微細(xì)

11、加工、互連、集成等關(guān)鍵工藝技術(shù)。具體的需要?jiǎng)?chuàng)新和重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域包括：基于介觀和量子物理基礎(chǔ)的半導(dǎo)體器件的輸運(yùn)理論、器件模型、模擬和仿真軟件，新型器件結(jié)構(gòu)，高k柵介質(zhì)材料和新型柵結(jié)構(gòu)，電子束步進(jìn)光刻、13nmEUV光刻、超細(xì)線條刻蝕，SOI、GeSiSi等與硅基工藝兼容的新型電路，低K介質(zhì)和Cu互連以及量子器件和納米電子器件的制備和集成技術(shù)等。 3量子電子器件（QED）和以分子原子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)將帶來(lái)嶄新的領(lǐng)域 在上節(jié)我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)，可稱之為“scalingdown”，與此同時(shí)我們必須注意“bottomup”?！癰ottomup”最重要的領(lǐng)域有二個(gè)方

12、面： (1)量子電子器件（QEDQuantumElectronDevice）這里包括單電子器件和單電子存儲(chǔ)器等。它的基本原理是基于庫(kù)侖阻塞機(jī)理控制一個(gè)或幾個(gè)電子運(yùn)動(dòng)，由于系統(tǒng)能量的改變和庫(kù)侖作用，一個(gè)電子進(jìn)入到一個(gè)勢(shì)阱，則將阻止其它電子的進(jìn)入。在單電子存儲(chǔ)器中量子阱替代了通常存儲(chǔ)器中的浮柵。它的主要優(yōu)點(diǎn)是集成度高；由于只有一個(gè)或幾個(gè)電子活動(dòng)所以功耗極低；由于相對(duì)小的電容和電阻以及短的隧道穿透時(shí)間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問(wèn)題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對(duì)環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時(shí)要求電容極?。‵），要求量子點(diǎn)大小在幾個(gè)納米。這些都

13、為集成成電路帶來(lái)了很大困難。 因此，目前可以認(rèn)為它們的理論是清楚的，工藝有待于探索和突破。 (2)以原子分子自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米電子學(xué)。這里包括量子點(diǎn)陣列（QCAQuantumdotCellularAutomata)和以碳納米管為基礎(chǔ)的原子分子器件等。 量子點(diǎn)陣列由量子點(diǎn)組成，至少由四個(gè)量子點(diǎn),它們之間以靜電力作用。根據(jù)電子占據(jù)量子點(diǎn)的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質(zhì)上是一種非晶體管和無(wú)線的方式達(dá)到陣列的高密度、低功耗和實(shí)現(xiàn)互連。其基本優(yōu)勢(shì)是開關(guān)速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對(duì)值置變化和大小改變都極為靈敏，005nm的變化可以造成單元工作失效。 以碳納米管為基礎(chǔ)的原子分子器件

14、是近年來(lái)快速發(fā)展的一個(gè)有前景的領(lǐng)域。碳原子之間的鍵合力很強(qiáng)，可支持高密度電流，而熱導(dǎo)性能類似于金剛石，能在高集成度時(shí)大大減小熱耗散，性質(zhì)類金屬和半導(dǎo)體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而Ge、Si只有一個(gè)。這些都使碳納米管（CNT）成為當(dāng)前科研熱點(diǎn)，從1991年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，現(xiàn)在已有大量成果涌現(xiàn)，北京大學(xué)納米中心彭練矛教授也已制備出033納米的CNT并提出“T形結(jié)”作為晶體管的可能性。但是問(wèn)題是如何去生長(zhǎng)有序的符合設(shè)計(jì)性能的CNT器件，更難以集成。 目前“bottomup”的量子器件和以自組裝技術(shù)為基礎(chǔ)的納米器件在制造工藝上往往與“Scalingdown”的加工方法相結(jié)合以制造器件。這對(duì)于解決高集成度

15、CMOS電路的功耗制約將會(huì)帶來(lái)突破性的進(jìn)展。 QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術(shù)上都有大量工作要做，有待突破，離開實(shí)際應(yīng)用還需較長(zhǎng)時(shí)日！但這終究是一個(gè)誘人探索的領(lǐng)域，我們期待它們將創(chuàng)出一個(gè)新的天地。 4系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip）是21世紀(jì)微電子技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn) 在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路設(shè)計(jì)都從器件的物理版圖設(shè)計(jì)入手，后來(lái)出現(xiàn)了集成電路單元庫(kù)（CellLib），使得集成電路設(shè)計(jì)從器件級(jí)進(jìn)入邏輯級(jí)，這樣的設(shè)計(jì)思路使大批電路和邏輯設(shè)計(jì)師可以直接參與集成電路設(shè)計(jì)，極大地推動(dòng)了IC產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機(jī)系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC芯片是通過(guò)印刷電路

16、板（PCB）等技術(shù)實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)的。盡管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之間的連線延時(shí)、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機(jī)系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網(wǎng)絡(luò)化、移動(dòng)化的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)電路的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)已無(wú)法滿足性能日益提高的整機(jī)系統(tǒng)的要求。同時(shí)，由于IC設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)水平提高，集成電路規(guī)模越來(lái)越大，復(fù)雜程度越來(lái)越高，已經(jīng)可以將整個(gè)系統(tǒng)集成為一個(gè)芯片。目前已經(jīng)可以在一個(gè)芯片上集成108109個(gè)晶體管，而且隨著微電子制造技術(shù)的發(fā)展，21世紀(jì)的微電子技術(shù)將從目前的3G時(shí)代逐步發(fā)展到3T時(shí)代（即存儲(chǔ)容量由G位發(fā)展

17、到T位、集成電路器件的速度由GHz發(fā)展到燈THz、數(shù)據(jù)傳輸速率由Gbps發(fā)展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)）。 正是在需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的雙重作用下，出現(xiàn)了將整個(gè)系統(tǒng)集成在一個(gè)微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，簡(jiǎn)稱SOC）概念。 系統(tǒng)芯片（SOC）與集成電路（IC）的設(shè)計(jì)思想是不同的，它是微電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一場(chǎng)革命，它和集成電路的關(guān)系與當(dāng)時(shí)集成電路與分立元器件的關(guān)系類似，它對(duì)微電子技術(shù)的推動(dòng)作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來(lái)的集成電路技術(shù)。 SOC是從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)

18、，在單個(gè)（或少數(shù)幾個(gè)）芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，它的設(shè)計(jì)必須是從系統(tǒng)行為級(jí)開始的自頂向下（TopDown）的。很多研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設(shè)計(jì)能夠綜合并全盤考慮整個(gè)系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術(shù)條件下實(shí)現(xiàn)更高性能的系統(tǒng)指標(biāo)。例如若采用SOC方法和035m工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)復(fù)雜度和處理速率下，能夠相當(dāng)于采用0180.25m工藝制作的IC所實(shí)現(xiàn)的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設(shè)計(jì)的芯片相比,采用SOC設(shè)計(jì)方法完成同樣功能所需要的晶體管數(shù)目約可以降低l2個(gè)數(shù)量級(jí)。 對(duì)于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個(gè)關(guān)鍵的支持技術(shù)。 （1）軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。面

19、向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory），這里不同的系統(tǒng)涉及諸多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)等等。 （2）IP模塊庫(kù)問(wèn)題。IP模塊有三種,即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；和硬核，基于工藝的物理設(shè)計(jì)、與工藝相關(guān)，并經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證過(guò)的。其中以硬核使用價(jià)值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及AD、DA等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎(chǔ)，在速度與功耗上經(jīng)過(guò)優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價(jià)值。現(xiàn)在,美國(guó)硅谷在80年代出現(xiàn)無(wú)生產(chǎn)線（Fables

20、s)公司的基礎(chǔ)上，90年代后期又出現(xiàn)了一些無(wú)芯片（Chipless）的公司,專門銷售IP模塊。 （3）模塊界面間的綜合分析技術(shù),這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術(shù)（gluelogictechnologies）和IP模塊綜合分析及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。 微電子技術(shù)從IC向SOC轉(zhuǎn)變不僅是一種概念上的突破,同時(shí)也是信息技術(shù)新發(fā)展的里程碑。通過(guò)以上三個(gè)支持技術(shù)的創(chuàng)新,它必將導(dǎo)致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術(shù)上的革命。目前，SOC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角，21世紀(jì)將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時(shí)期。 在新一代系統(tǒng)芯片領(lǐng)域，需要重點(diǎn)突破的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的算法和電路結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面。在微電子技術(shù)的發(fā)展歷史上,每一種

21、算法的提出都會(huì)引起一場(chǎng)變革，例如維特比算法、小波變換等均對(duì)集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展起到了非常重要的作用,目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結(jié)構(gòu)可以帶動(dòng)一系列的應(yīng)用,但提出一種新的算法則可以帶動(dòng)一個(gè)新的領(lǐng)域,因此算法應(yīng)是今后系統(tǒng)芯片領(lǐng)域研究的重點(diǎn)學(xué)科之一。在電路結(jié)構(gòu)方面,在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲(chǔ)器件的加入，其中的電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的CMOS結(jié)構(gòu)，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結(jié)構(gòu)。另外，為了實(shí)現(xiàn)膠聯(lián)邏輯（GlueLogic）新的邏輯陣列技術(shù)有望得到快速的發(fā)展,在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。 5微電子與其他學(xué)科的結(jié)合誕生新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn) 微電子技術(shù)的強(qiáng)大生

22、命力在于它可以低成本、大批量地生產(chǎn)出具有高可靠性和高精度的微電子結(jié)構(gòu)模塊。這種技術(shù)一旦與其它學(xué)科相結(jié)合,便會(huì)誕生出一系列嶄新的學(xué)科和重大的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，這方面的典型例子便是MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)和DNA生物芯片。前者是微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域結(jié)合而誕生的，后者則是與生物工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。 微電子機(jī)械系統(tǒng)不僅是微電子技術(shù)的拓寬和延伸,它將微電子技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)相互融合，實(shí)現(xiàn)了微電子與機(jī)械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界聯(lián)系起來(lái)，它不僅可以感受運(yùn)動(dòng)、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號(hào)，把這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子系統(tǒng)可以認(rèn)識(shí)的電信號(hào)，而且還可以通過(guò)電子系統(tǒng)控制這些信號(hào)，發(fā)出指令并完

23、成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)。MEMS技術(shù)是一種典型的多學(xué)科交叉的前沿性研究領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等3。 MEMS的發(fā)展開辟了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)。它們不僅可以降低機(jī)電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機(jī)電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強(qiáng)大等傳統(tǒng)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以

24、及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測(cè)量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動(dòng)駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)；信息MEMS系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲(chǔ)器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時(shí)MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等?，F(xiàn)在已經(jīng)成功地制造出了尖端直徑為5m的可以?shī)A起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子，可以在磁場(chǎng)中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等。 MEMS技術(shù)及其產(chǎn)品的增長(zhǎng)速度非常之高，目前正處在技術(shù)發(fā)展時(shí)期，再過(guò)若干年將會(huì)迎來(lái)MEMS產(chǎn)業(yè)化高速發(fā)展的時(shí)期。2000

25、年，全世界MEMS的市場(chǎng)達(dá)到120到140億美元，而帶來(lái)的與之相關(guān)的市場(chǎng)達(dá)到1000億美元。 目前，MEMS系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來(lái)是很簡(jiǎn)單的，應(yīng)用也非常有限，以軍事需求為主,但它的誘人前景吸引了人們進(jìn)行大量投資，促進(jìn)了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術(shù)的進(jìn)步,加快了計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的速度，對(duì)CPU和RAM的需求越來(lái)越大,反過(guò)來(lái)又促進(jìn)了集成電路的發(fā)展。集成電路和計(jì)算機(jī)在發(fā)展中相互推動(dòng)，形成了今天的雙贏局面，帶來(lái)了一場(chǎng)信息革命。現(xiàn)階段的微機(jī)電系統(tǒng)專用性很強(qiáng)，單個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常有限,還沒(méi)有出現(xiàn)類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產(chǎn)品。隨著微機(jī)電系統(tǒng)的進(jìn)步

26、，最后將有可能形成像微電子技術(shù)一樣有廣泛應(yīng)用前景的新產(chǎn)業(yè)，從而對(duì)人們的社會(huì)生產(chǎn)和生活方式產(chǎn)生重大影響。 當(dāng)前MEMS系統(tǒng)能否取得更更大突破，取決于兩方面的因素：第一是在微系統(tǒng)理論與基礎(chǔ)技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，使人們依靠掌握的理論和基礎(chǔ)技術(shù)可以高效地設(shè)計(jì)制造出所需的微系統(tǒng)；第二是找準(zhǔn)應(yīng)用突破口，揚(yáng)長(zhǎng)避短，以特別適合微系統(tǒng)應(yīng)用的重大領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行研究,取得突破，從而帶動(dòng)微系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在MEMS發(fā)展中需要繼續(xù)解決的問(wèn)題主要有：MEMS建模與設(shè)計(jì)方法學(xué)研究；三維微結(jié)構(gòu)構(gòu)造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力學(xué)和熱學(xué)研究；MEMS的表征與計(jì)量方法學(xué)；納結(jié)構(gòu)與集成技術(shù)等。 微電子與生物技術(shù)緊密結(jié)合誕生的

27、以DNA芯片等為代表的生物芯片將是21世紀(jì)微電子領(lǐng)域的另一個(gè)熱點(diǎn)和新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。它是以生物科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物體、生物組織或細(xì)胞等的特點(diǎn)和功能，設(shè)計(jì)構(gòu)建具有預(yù)期性狀的新物種或新品系，并與工程技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行加工生產(chǎn)，它是生命科學(xué)與技術(shù)科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。具有附加值高、資源占用少等一系列特點(diǎn)，正日益受到廣泛關(guān)注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。 采用微電子加工技術(shù)，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達(dá)萬(wàn)種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)或發(fā)現(xiàn)遺傳基因的變化等情況，這無(wú)疑對(duì)遺傳學(xué)研究、疾病診斷、疾病治療和預(yù)防、轉(zhuǎn)基因工程等具有極其重要的作用。 DNA芯片的基本思想是

28、通過(guò)生物反應(yīng)或施加電場(chǎng)等措施使一些特殊的物質(zhì)能夠反映出某種基因的特性從而起到檢測(cè)基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人員已經(jīng)利用微電子技術(shù)在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片4。他們制作的DNA芯片是通過(guò)在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層DNA纖維。不同的DNA纖維圖案分別表示不同的DNA基因片段，該芯片共包括6000余種DNA基因片段。DNA（脫氧核糖核酸）是生物學(xué)中最重要的一種物質(zhì)，它包含有大量的生物遺傳信息，DNA芯片的作用非常巨大，其應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛：它不僅可以用于基因?qū)W研究、生物醫(yī)學(xué)等，而且隨著DNA芯片的發(fā)展還將形成微電子生物信息系統(tǒng)，這樣該技術(shù)將廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等人類生活的各個(gè)方面，那