《微電子與集成電路設(shè)計導(dǎo)論》第六章-新型微電子技術(shù)

第六章新型微電子技術(shù)微電子與集成電路設(shè)計導(dǎo)論Introductiontomicroelectronicsandintegratedcircuitdesign

本章內(nèi)容SoC技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)生物芯片技術(shù)納電子技術(shù)納米相關(guān)技術(shù)6.1SoC技術(shù)SoC–Systemonachip:多個必要IP組件嵌入在單個硅片上。SiP-SysteminaPackage：一個封裝中的多個芯片。SoP-SystemonaPackage:多層分立元件。典型SoC組成單處理器（CoreProcessor）板載執(zhí)行存儲器（MediaProcessor）接到處理核心的外圍系統(tǒng)和接口（Interconnects）含F(xiàn)LASH存儲器，用于程序存儲（Memory）iPhone手機(jī)上的SOC51GHzARMCortexA8I/OI/OI/O處理器內(nèi)存SoC設(shè)計基礎(chǔ)和IP分類 SoC的設(shè)計基礎(chǔ)是IP（IntellectualProperty）復(fù)用技術(shù)。 IP模塊是一種預(yù)先設(shè)計好，已經(jīng)過驗證，具有某種確定功能的集成電路、器件或部件。它有3種不同形式：軟IP核（softIPcore）固IP核（firmIPcore）硬IP核（hardIPcore）SoC具有的優(yōu)勢：降低耗電量減少體積豐富系統(tǒng)功能提高速度節(jié)省成本問題：要將IP模塊集成到SoC中，要求設(shè)計者完全理解復(fù)雜IP模塊的功能、接口和電氣特性，如微處理器、存儲器控制器、總線仲裁器等。隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性的提高，要得到完全吻合的時序也越來越困難。即使每個IP模塊的布局是預(yù)先定義的，但把它們集成在一起仍會產(chǎn)生一些不可預(yù)見的問題，如噪聲，這些對系統(tǒng)的性能有很大的影響。6.2微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)微機(jī)電定義：微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-Electro-MechanicalSystem），也叫做微電子機(jī)械系統(tǒng)、微系統(tǒng)、微機(jī)械等，是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機(jī)械加工等技術(shù)制作的高科技電子機(jī)械器件。組成：微傳感器（MicroSensors）微執(zhí)行器（MicroActuators）微電子器件（MicroElectronics）微結(jié)構(gòu)（MicroStructure）主要特點如下：微型化物理參數(shù)良好批量生產(chǎn)集成化多學(xué)科交叉6.2.1微機(jī)電系統(tǒng)特點6.2.2微機(jī)電系統(tǒng)分類傳感MEMS技術(shù)生物MEMS技術(shù)光學(xué)MEMS技術(shù)射頻MEMS技術(shù)6.2.3微機(jī)電系統(tǒng)常用工藝和材料微機(jī)械加工工藝基本有兩種方式：（1）體微加工工藝；（2）表面微加工工藝。滿足功能要求的材料有：半導(dǎo)體硅、鍺、砷化鎵、金屬鈮，以及石英、陶瓷等，尤以硅材料最為常見。微機(jī)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料：基底材料：硅、砷化鎵、其它半導(dǎo)體材料；薄膜材料：單晶硅、氮化硅、氧化硅；金屬材料：金、鋁、其它金屬。微機(jī)電系統(tǒng)的功能材料：高分子材料：聚酰亞胺、PMMA；敏感材料：壓阻、壓電、熱敏、光敏、其它；致動材料：形狀記憶合金、磁性材料等。在汽車?yán)镒鳛榧铀僖?guī)來控制碰撞時安全氣囊防護(hù)系統(tǒng)的使用；在噴墨打印機(jī)里作為壓電元件；在汽車?yán)镒鳛橥勇輥頊y定汽車傾斜，控制動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)；在輪胎里作為壓力傳感器，在醫(yī)學(xué)上測量血壓；數(shù)字微鏡芯片；在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)光交換系統(tǒng)，這是一個與智能灰塵技術(shù)的融合。6.2.4微機(jī)電應(yīng)用領(lǐng)域生物芯片（biochip）是指采用光導(dǎo)原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細(xì)胞等等生物樣品有序地固化于支持物的表面，組成密集二維分子排列，然后與已標(biāo)記的待測生物樣品中靶分子雜交，通過特定的儀器對雜交信號的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數(shù)量。6.3生物芯片技術(shù)圖6.3.1DNA芯片熒光掃描分析圖6.3.1生物芯片發(fā)展歷史1996年美國Affymetrix公司成功的制作出世界上首批用于藥物篩選和實驗室試驗用的生物芯片。1998年12月Affymefrix公司和MolecularDynamics公司宣布成立基因分析協(xié)會（geneticanalysistechnologyconsortium）以制定一個統(tǒng)一的技術(shù)平臺生產(chǎn)更有效而價廉的設(shè)備。1998年10月，中科院將基因芯片列為“九五”特別支持項目，利用中科院在微電子技術(shù)、生化技術(shù)、物理檢測技術(shù)方面的優(yōu)勢，組織跨所、跨學(xué)科合作。6.3.2生物芯片分類根據(jù)芯片上的固定的探針分：基因芯片蛋白質(zhì)芯片細(xì)胞芯片組織芯片根據(jù)原理分：元件型微陣列芯片表達(dá)譜基因芯片是用于基因功能研究的一種基因芯片。是目前技術(shù)比較成熟，應(yīng)用最廣泛的一種基因芯片。6.3.3生物芯片的應(yīng)用前景生物芯片能為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展提供強(qiáng)有力的手段，促進(jìn)醫(yī)學(xué)從“系統(tǒng)、血管、組織和細(xì)胞層次”（第二階段醫(yī)學(xué)）向“DNA、RNA、蛋白質(zhì)及其相互作用層次”（第三階段醫(yī)學(xué)）過渡。DNA芯片技術(shù)可用于水稻抗病基因的分離與鑒定。近年來，生物芯片的應(yīng)用前景呈現(xiàn)以下幾個特點：（1）高密度芯片的批量制備技術(shù)是重要的發(fā)展趨勢。（2）高密度基因芯片的設(shè)計將會成為基因芯片發(fā)展的一個重要課題。（3）生物功能物質(zhì)微陣列芯片的研制具有重要研究意義。納電子學(xué)是指在納米尺度（量子點或庫倫島）中，探測、識別與控制單個量子或量子波的運(yùn)動規(guī)律；研究單個原子、分子人工組裝和自組裝技術(shù)；研究在量子點內(nèi)，單個量子或量子波所表現(xiàn)出來的特征和功能的學(xué)科。納電子器件是納電子學(xué)重要的組成部分。6.4納電子技術(shù)納電子器件——單電子晶體管用一個或者少量電子就能記錄信號的晶體管。由兩個極薄的絕緣層夾一個小島（庫倫島，尺寸小于10nm）組成。當(dāng)加在柵上的電壓變化引起庫倫島中電荷變化量不到一個電子的電荷，則將沒有電流通過。直到電壓增大到能引起一個電子電荷的變化時。源漏之間有電流通過。6.4.1納電子器件圖6.4.1單電子晶體管（a）剖面圖；（b）結(jié)構(gòu)圖納電子器件——碳納米管場效應(yīng)晶體管最早利用碳納米管制成的場效應(yīng)晶體管在1998年首次提出:硅襯底做背柵（襯底上通過熱氧化生長1層厚300nm的SiO2層），然后制備Pt作電極，再利用自組裝技術(shù)將半導(dǎo)體型的單根單壁碳納米管搭接Pt電極上，從而構(gòu)建單壁碳納米管場效應(yīng)晶體管。圖6.4.2CNT-FET典型結(jié)構(gòu)示意圖優(yōu)勢碳納米管FET溝道為一維結(jié)構(gòu)，載流子遷移率大大提高。碳納米管FET參與碳納米管導(dǎo)電的是表面。碳納米管FET通過選擇源漏材料，可完全消除源漏結(jié)勢壘納電子器件——有機(jī)分子場效應(yīng)晶體管該技術(shù)利用了分子之間可自由組合的化學(xué)特性，晶體管電極之間的距離僅為1納米到2個納米，是目前世界最小的晶體管。同時具有制造簡單，造價低廉的優(yōu)點。納電子器件——超導(dǎo)開關(guān)器件利用超導(dǎo)技術(shù)采用一條具有高超導(dǎo)臨界溫度的控制線穿過另一條線，在交結(jié)點通過施加控制電流來控制受控線在超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間轉(zhuǎn)換，即相當(dāng)于用控制線控制電阻在零和有限（?。╇娮柚g的轉(zhuǎn)換。應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)制成的開關(guān)元件，其開關(guān)速度可達(dá)10?11秒左右的數(shù)量級，比半導(dǎo)體集成電路快100倍，但功耗卻要低100倍左右。納電子器件——Memristor憶阻器全稱記憶電阻（Memristor），是表示磁通與電荷關(guān)系的電路器件。特點電阻取決于多少電荷經(jīng)過了器件。若電荷以一個方向流過，電阻會增加；如果讓電荷以反向流動，電阻就會減小。具有記憶能力，斷電后電阻值保持不變。納電子器件——石墨烯它是已知材料中最薄的一種，且牢固堅硬；優(yōu)良的導(dǎo)電特性：它在室溫下傳遞電子的速度比已知導(dǎo)體都快。2006年3月，佐治亞理工學(xué)院（GeorgiaInstituteofTechnology）的研究員宣布，成功地制造了石墨烯平面場效應(yīng)晶體管并觀測到了量子干涉效應(yīng)。并基于此研究出根據(jù)石墨烯為基礎(chǔ)的電路。6.4.2納電子材料納米材料一誕生，即以其異乎尋常的特性引起了材料界的廣泛關(guān)注。這是因為納米材料具有與傳統(tǒng)材料明顯不同的一些特征。用途效應(yīng)顏料防護(hù)材料精細(xì)陶瓷材料磁性材料傳感材料磁性納米顆粒6.5納米相關(guān)技術(shù)納米（nm）實際上是一種計量單位，從宏觀的角度上看1米等于100萬微米，而1微米等于1000納米；從微觀上看，納米是描述原子、分子等尺寸及其距離，1納米僅等于十億分之一米，人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬個納米。納米小得可愛，卻威力無比，它可以對材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，并發(fā)生變化，使材料呈現(xiàn)出極強(qiáng)的活躍性。納米究竟是什么東西？也許你覺得納米技術(shù)離你很遠(yuǎn)，但它已經(jīng)悄悄地確確實實地來到了你生活中，納米技術(shù)在生活中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。用途催化劑材料的燒結(jié)醫(yī)學(xué)與生物工程能源與環(huán)保微器件光電材料與光學(xué)材料增強(qiáng)材料納米濾膜發(fā)展趨勢繼互聯(lián)網(wǎng)、基因之后，納米現(xiàn)象成為世人關(guān)注的又一個“焦點”。人類社會是在不斷征服自然和不斷攀登