微电子技术的发展

什么是集成电路和微电子学

集成电路（Integrated Circuit，简称IC）：一半导体单晶片作为基片，采用平面工

艺，将晶体管、电阻、电容等元器件及其连线所构成的电路制作在基片上所构成

的一个微型化的电路或系统。

微电子技术

微电子是研究电子在半导体和集成电路中的物理现象、物理规律，病致力于这些物理现象、

物理规律的应用，包括器件物理、器件结构、材料制备、集成工艺、电路与系统设计、自动

测试以及封装、组装等一系列的理论和技术问题。微电子学研究的对象除了集成电路以外，

还包括集成电子器件、集成超导器件等。

集成电路的优点：体积小、重量轻;功耗小、成本低；速度快、可靠性高；

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：一是缩小芯片器件结构的尺寸，即缩小加工线条

的宽度；而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。

微电子技术的发展历史

1947年晶体管的发明；到1958年前后已研究成功一这种组件为基础的混合组件；

1958年美国的杰克 基尔比发明了第一个锗集成电路。1960年3月基尔比所在的德州仪器公

司宣布了第一个集成电路产品，即多谐振荡器的诞生，它可用作二进制计数器、移位寄存器。

它包括2个晶体管、4个二极管、6个电阻和4个电容，封装在0.25英寸*0.12英寸的管壳

内，厚度为0.03英寸。这一发明具有划时代的意义，它掀开了半导体科学与技术史上全新

的篇章。

1960年宣布发明了能实际应用的金属氧化物—半导体场效应晶体管

（metal-oxide-semiconductor field effect transistor ，MOSFET）。

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、费事和昂贵。

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。

微电子发展状态与趋势

微电子也就是集成电路，它是电子信息科学与技术的一门前沿学科。中国科

学院王阳元院士曾经这样评价：微电子是最能体现知识经济特征的典型产品之

一。在世界上，美国把微电子视为他们的战略性产业，日本则把它摆到了“电子

立国”的高度。可以毫不夸张地说，微电子技术是当今信息社会和时代的核心竞

争力。

在我国，电子信息产业已成为国民经济的支柱性产业，作为支撑信息产业的

微电子技术，近年来在我国出现、崛起并以突飞猛进的速度发展起来。微电子技

术已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。

1.微电子发展状态

1956年五校在北大联合创建半导体专业：北京大学、南京大学、复旦大学、

吉林大学、厦门大学。

1982年：成立电子计算机和大规模集成电路领导小组

80年代：初步形成三业（制造业、设计业、封装与测试业）分离状态

到2001年12月29日深圳获批为止，科技部依次批准了上海、西安、无锡、北京、成都、杭州、深圳共7个国家级IC设计产业化基地。我国国产IC约占世界半导体销售额的1％，国内市场满足率不到20％。要发展我国的 IC产业，IC设计是当务之急，而核心技术的实现依赖的是高水平 IC设计人才。

集成电路（IC）的生产制造可分为三个过程：IC 设计、IC 制造、IC 封装和成品测试。

据不完全统计，根据全国半导体行业协会集成电路设计分会在2002年10月的统计，国内从事集成电路设计的公司（或组织）约390家，2002年底己超过400家，目前己达600家。而在2000年底这一数字仅为100家左右。但是相对雨后春笋般诞生的设计公司，设计人才特别是高级人才的极度匮乏成为日益突出的大问题：一些新开办的设计单位，公司注册了、牌子也挂了，却到处找不到高水平的设计师，虚位以待的情况比比皆是。更糟糕的是由于设计师的紧缺，导致了各用人单位之间对这类人才的恶性争夺。

集成电路设计是资金密集型、技术密集型和智力密集型的高科技产业，其中资金和技术均可以通过一些方式全面引进，但IC设计人才必须以自己培养为主，这已经成为业内人士的共识。赛迪顾问认为，随着IC设计人才供需矛盾的日益突出，应采用各种手段大力鼓励不同途径的IC设计教育和培训，除高等院校的正规教育外，国家应尤其鼓励工业界和科研界联合运作教育和培训项目。借助政府、高校、EDA厂商、IC设计企业以及整机企业等各方面力量，合作、交流、培训等多种方式相结合，为我国IC设计业培养不同层次的IC人才，是集成电路的发展至关重要的智力资源保障。

最近几年，很多国外公司和台湾公司把生产线建到了上海。随着我国集成电路产业的加速发展，由国家支持成立了以北京、上海为龙头的7个国家级产业化基地，各地也出现了一大批集成电路企业，其中约600家是集成电路设计企业。据2001年12月上海半导体和IC研讨会发布的消息，到2008年，中国IC产业对IC设计工程师的需求量将达到25万人，而目前只有不到4000名。 IC设计

是新兴学科，现在高校里，和IC最相近的专业是微电子。

在短短的半年多时间里，上海中芯国际、上海宏力微电子、北京首钢、北京信创、天津摩托罗拉等一批中高水平的集成电路生产线相继开工建设或即将建设，形成了我国有史以来最大的一次建设集成电路生产线的高潮。

上海还定出了宏伟的发展目标：建成以张江高科技园区为核心，以金桥出口加工区和外高桥保税区为延伸的微电子产业基地，计划"十五"期间吸引集成电路产业投资150亿美元，建成并投产10～15条8～12英寸集成电路生产线及配套封装、测试线和设计公司。

北京立即跟进，出台了优惠政策，为集成电路企业提供“七通一平”的土地，并优选出八大处高科技园、北京林河工业开发区、北京经济开发区作为北方微电子生产建设基地。规划到2005年以前，建设5～8条8英寸0.25微米以上水平的生产线，2005～2010年再建设10条更高水平的生产线。

我国集成电路设计企业现已形成了近百家的产业规模，其中具备一定设计规模的单位有20多家，留学海外，学有所成，回国创业的海外学子已成为CAD行业的一支重要力量。除独资设计公司外，国有集成电路设计公司2000年的总销售额超过了10亿元，其中北京华大、北京大唐微电子、杭州士兰公司和无锡矽科4家设计公司的销售额超过了1亿元。目前，国内每年设计的集成电路品种超过300种，大部分设计公司的技术水平在0.8~1.5微米之间，最高设计水平可达0.13微米。,

中国主要的高科技城市一直盯着集成电路(IC)设计产业。如果说在2000年和2001年他们争夺的是台湾芯片加工服务厂(foundry)的8英寸芯片生产线西移项目的话(当然，这种竞争至今仍在继续)。那么从2001年下半年至今，他们争夺的则是国家科技部的青睐--科技部手里捏着一顶名叫“国家级集成电路设计产业化基地”的桂冠，谁获发一顶受益无穷。

目前，我国集成电路产业已具备了一定的发展基础，初步形成了由8个芯片生产骨干企业，十几家封装厂、几十家设计公司、若干个关键材料及专用设备仪器制造厂组成的产业群体，并初步形成了电路设计、芯片制造和电路封装三业并举的局面。

中国半导体产业发展从产业热土的长江三角洲，到市场繁华的珠江三角洲，

从长于研发的北方，到人才集聚的西部，有人把这种产业布局，比喻是一只正在起飞的娇燕。其中长江三角洲是燕头，京津环渤海湾地区和珠江三角洲是双翅，而西部是燕尾。中国的IC产业正是以这种燕子阵形的区域格局向前推进。

现在我国微电子发展的主要特点是：

（1）在技术创新上已取得新的突破；

（2）产业结构不断优化；

（3）企业规模不断扩大，技术水平迅速提高。

2.发展趋势

自从IC诞生以来，IC芯片的发展基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon E. Moore 1965年预言的摩尔定律。该定律说：芯片上可容纳的晶体管数目每18个月便可增加一倍，即芯片集成度18个月翻一番，这视为引导半导体技术前进的经验法则。换句话说，工艺技术的进展对IC集成度的提高起到乘积的效果，使得每个芯片可以集成的晶体管数急剧增加，其CAGR—累计平均增长率达到每年58%，即三年四番（1.583=4）。

第一，将以硅基ＣＭＯＳ电路为主流工艺。微电子技术发展的目标是不断地提高集团系统的性能及性价比，因此要求提高芯片的集成度，这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动源泉。以ＭＯＳ技术为例，沟道长度缩小可以提高集成电路的速度，同时缩小沟道长度和宽度还可以减少四件尺寸，提高集成度，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，将结构更加复杂、性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上。另外，随着集成度的提高，系统的速度和可靠性也大大提高，价格大幅度下降。由于片内信息的延迟远小于芯片间的信号延迟，这样在缩小后，即使器件本身的性能没有提高，整个集成系统的性能也会得到很大提高。也就是说，２１世纪前半叶，微电子产业仍将以尺寸不断缩小的硅基ＣＭＯＳ工艺技术为主流。

第二，集成系统是本世纪初微电子技术发展的重点。迄今为止，微电子芯片一直是以成电路（ＩＣ）为基础进行的，然后再利用这些ＩＣ芯片通过印刷电路板等技术实现完整的统。而信息系统的发展趋势是高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化，这就要求系统能够快速地处理各种复杂的智能问题。而在传统的信息系统中，尽管ＩＣ芯片的速度可以很高、功耗可以很小，但由于印

刷电路板中ＩＣ芯片之间的延时、印刷电路板的可靠性以及重量等因素的限制，使整个系统集成在一个或几个芯片上，从而构成系统芯片（ＳＹＳＴＥＭＯＮ ＣＨＩＰ）的集成系统（ＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ ＳＹＳＴＥＭ）概念。同时，飞速发展的集成电路技术已经可以在一个芯片上集成高达１０的八次方－１０的九次方个晶体管，２１世纪的微电子技术将从目前的３Ｇ逐步发展到３Ｔ（即存储容量由Ｇ位发展到Ｔ位、集成电路器件的速度有ＧＨＺ发展到ＴＨＺ、数据传输速度由ＧＢＰＳ发展到ＴＢＰＳ），从而为集成系统的快速发展奠定基础。微电子技术从ＩＣ向ＩＳ转变不仅是一种概念上的突破，同时也是信息技术发展的必然结果，它必将导致又一次以微电子技术为基础的信息技术革命。目前，ＩＳ技术已经绽露头角，２１世纪将是其真正快速发展的时期。在２１世纪，将在较长时间内依托０.１８um--０.１５um的工艺技术进行一场集成系统的革命。 第三，微电子与其他学科的结合诞生新的技术增长点。微电子技术的强大生命力在于它可以低成本、大批量地生产出具有高可靠性和高精度的微电子机构模块。这种技术一旦与它学科相结合，便会诞生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点，与微电子技术结合成功突出例子便是ＭＯＥＭＳ（微光机电系统）技术和ＤＮＡ生物芯片等。前者是微电子技术与机械、光学等领域结合而诞生的，后者则是与生物技术结合的产物。（微电子技术对现代人类生活的影响极大，自从1947年第一个晶体管问世以来，微电子技术发展速猛。Intel公司的创始人之一Moore在上个世纪1965年研究指出，晶成电路上集成的晶体管数量每18个月将增加一倍，性能将提高一倍，而价格却不相应的增加，这就是所谓的摩尔定律（Moore，s Law）。根据美国半导体工业协会预测，至少到2016年，集成电路（IC）线宽依然按“摩尔定律”缩小下去，2016年可以达到25nm的技术水平。根据发表的大量资料可知，在2016年以后的十几年，芯片的特征尺寸将继续缩小。微电子技术新的发展及应用方向是系统芯片（SOC），它的发展时间可能会更长。所谓的系统芯片是随着微电子工艺向纳米级迁移和设计复杂度增加。

微电子技术的迅猛发展必将带来又一次技术和人才的革命性变革。微电子产品将如同细胞组成人体一样，成为现代工农业、国防装备和家庭耐用消费品的细胞，改变着社会的生产方式和人们的生活方式。微电子技术不仅成为现代产业和科学技术的基础，而且正在创造着代表信息时代的硅文化。人类继石器、青铜

器、铁器时代之后正进入硅石时代。

集成电路的研制过程

集成电路虽然品种繁多，功能各异，但研制过程都可分为下述四个主要阶段；

（1）系统和线路设计阶段。

（2）版图设计阶段。

（3）工艺加工阶段。

（4）成品测试和分析阶段。

微电子技术在军事领域中的应用

微电子技术的发展及应用，不仅提升了军事装备和作战平台的性能，而且导致了新式武器以及新兵种的产生。微电子技术的出现改变了传统战争的模式，即从面对面的战斗演变成当今及未来的超视距作战；

战争发展的需求和军事系统的发展，促使军事电子产品向着小型化、轻量化和智能化的方向发展，并对微电子技术提出了高性能、高集成度、高可靠等越来越高的技术要求；

军用集成电路将在进一步缩小线宽、增大集成度的基础上，寻求在改进集成技术、采用新型材料、研制新概念器件上的突破。

由于军事通信、雷达、导航、电子战、火力控制等系统对微电子器件的性能、尺寸和可靠性有很高的要求，特别是高速度、低噪声、低功耗、小体积、耐高温、抗辐射、等该技术需求，导致材料、器件结构、电路设计、封装等微电子综合技术的迅速发展。

微电子技术的发展特点

1.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Inter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%；

2.辐射面广：

集成电路的快速发展，极大地影响了社会的方方面面，因此微电子技术产业被列为支柱产业。