微电子技术的进展与挑战.doc

1、微电子技术的进展与挑战本文由 woaixi27 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。科技前沿与学术评论一项伟大的发明诞生在 1947 年 12 月 23 日 .这一天 Bell 实验室科学家 J . Bardeen 和 W. Brattanin 在实验中观测 到点接触型锗晶体管功率放大现象 ,标志着人类首次成功地 发明了一种新型的固体电子器件 .仅仅一个月后 ,1948 年 1 月 ,该研究组组长 W. Schokley 就提出了结型晶体管理论 PN 结理论 .1951 年锗结型晶体管研制成功 .从此拉开了 人类社会步入电子时代的序幕

2、 ,从而开创了微电子技术发展 进步的历程 .为表彰三位科学家的重大贡献 ,他们共同获得 1956 年诺贝尔物理学奖 .今天 ,事实雄辩地表明 ,微电子技 术的加速发展对人类的生产方式和生活模式产生了并将继 续产生深刻的影响 .微电子技术所引起的世界性的技术革 命比历史上任何一次技术革命对社会经济 , 政治 , 国防 , 文化 等领域产生的冲击都更为巨大 .据预计 ,2000 年信息技术 产品市场将达到 9000 亿美元 ,电子信息产业将成为世界第 一大产业 ,人类社会将进入信息化世纪 .微电子技术是信息 社会的核心技术 ,正以其巨大的动力推动人类社会的更大进 步.1 微电子技术的重大技术突破与

3、1. 1 重大技术突破50 年来 ,微电子技术迅速发展的历程中 ,实现了几次重大的技术突破 ,从而加速了微电子技术的高速发展 . 1. 1. 1 从真空到固体 20 世纪初 ( 1905 年) 世界上第一个真空电子管的发明 , 标志着人类社会进入了电子化时代 ,电子技术实现了第一次 重大技术突破 .这是控制电子在真空中的运动规律和特性 而产生的技术成果 .从此产生了无线电通信 ,雷达 ,导航 ,广3 国防预研和国家自然科学基金项目 .卷 4 期 211994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights

4、reserved.微电子技术的进展与挑战 3教授 ,博导 林鸿溢( 北京理工大学电子工程系 , 北京 100081)教 授 李映雪( 北京大学微电子研究所 , 北京 100871)摘 : 微电子技术自巴丁 , 要 布拉顿和肖克莱发明晶体管至今 ,经历了半个世纪的发展 ,已经取 得巨大进步 ,成为人类社会众多领域的关键技术 ,从而有力地推动 ,并将继续推动着人类社会 全面进入信息时代 . 关键词 : 微电子技术 集成电路 纳米电子学 微机电系统 单芯片系统集成度的提高播 ,电视和各种真空管电子仪器及系统 .经过第二次世界大 战后 ,人们发现真空管还存在许多问题 ,如仪器设备的体积 大 ,重量大

5、,耗电大 ,可靠性和寿命受限制等 .因此 , 研究新 型电子管的迫切需求被提出来了 .1947 年美国贝尔实验室 两位科学家 J . Bardeen 和 W. Brattain 在作锗表面实验过程 中发明了世界上第一个点接触型锗晶体管 .一个月后被誉 为电子时代先驱的科学家 W. Schokley 发表了晶体管的理论 基础 PN 理论 .此后 ,结型晶体管研制成功 ,晶体管进入实 用阶段 .晶体管的发明为微电子技术揭开了序幕 ,也是电子 技术的第二次重大技术突破 .为表彰三位科学家的重大贡 献 ,他们共同获得 1956 年诺贝尔物理学奖 . 1. 1. 2 从锗到硅 晶体管发展初期是利用锗单晶

6、材料进行研制的 .实验 发现 ,用锗单晶制作的晶体管漏电流大 ,工作电压低 ,表面性 能不稳定 ,随温度的升高 ,性能下降 ,可靠性和寿命不佳 .科 学的道路是没有尽头的 ,科学家通过大量的实验分析 , 发现 半导体硅比锗有更多的优点 .在锗晶体管中所表现出来的 缺点 ,利用硅单晶材料将会产生不同程度的改进 ,硅晶体管 的性能有大的提高 .特别是硅表面可以形成稳定性好 ,结构 致密 ,电学性能好的二氧化硅保护层 .这不仅使硅晶体管比 锗晶体管更加稳定 ,性能更加好 ,而且更重要的是在技术上 大大前进一步 ,即发明了晶体管平面工艺 ,为 50 年代末集成 电路的问世准备了可靠的基础 ,这正是微电

7、子技术的第二次 重大技术突破 ,也是电子技术的第三次重大技术突破 . 1. 1. 3 从小规模到大规模 微电子技术发展过程中最令人惊奇的是从 1958 年到 1987 年 20 年间集成电路的集成度从 10 个元件的数量级提 高到 10 万个元件 ,是微电子技术的第三次重大技术突破 ,也 是电子技术的第四次重大技术突破 .今天 ,集成度已进一步31http:/科技前沿与学术评论提高到 1000 万个元件 , 更是令人兴奋不已 ! 事实上 ,1988 年 ,美国国际商用机器公司 ( IBM ) 已研制成功存储容量达 64 兆位的动态随机存取存储器芯片 , 集成电路的条宽只有 0. 35 微米 .

8、目前已经做到 0. 25 微米的批量生产 , 并向 0. 1 微米和更小的尺寸进军 .空间尺度在 0. 1 100nm 定义为 纳米空间 18 ,在纳米空间电子的波动性质将以明显的优 势显示出来 .微电子技术将面临挑战 ,于是纳米电子技术应 运而生 .我们看到微电子学向纳米电子学发展的必然趋 势 9 . 1. 1. 4 从成群电子到单个电子 微电子技术面临挑战 ,但科学家在挑战面前并不歇脚 , 仍在不断地探索解决问题的新途径 .事物发展过程常常会 在一定条件下发生转化 ,有些制约条件 ,只要科学合理地加 以应用 ,就可能转化为一种新的技术途径 .正是 “山穷水尽 疑无路 ,柳暗花明又一村“ .

9、美国电话电报公司的贝尔实验 室于 1988 年研制成功隧道三极管 .这种新型电子器件的基 本原理是在两个半导体之间形成一层很薄的绝缘体其厚度 在 110 纳米之间 ,此时电子会有一定的几率穿越绝缘层 . 这就是量子隧道效应 .由于巧妙地利用了量子隧道效应 ,所 以器件的尺寸比目前的集成电路小 100 倍 ,而运算速度提高 100010000 倍 , 功率损耗只有传统晶体管的 1/ 1000 1/ 10000 .显然 ,体积小 ,速度快 ,功耗低的崭新器件 ,对超越集 成电路的物理限制具有重要的意义 ,是微电子技术的第四次 重大技术突破 ,也是电子技术的第五次重大技术突破 .随着 研究工作的深入

10、发展 ,近年已研制成功单电子晶体管 ,只要 控制单个电子就可以完成特定的功能 .1. 2 集成度的提高 路 ,那时条宽将只有 0. 1 m ,即 100nm .2 发展战略与市场竞争世界半导体市场由四大区域组成 ,即美国 , 日本 , 欧洲和 东南亚 ,东南亚是指除日本外的亚太地区 ,主要包括韩国 , 台 湾, 马来西 , 泰国 , 新加坡等国家和地区 .韩国 , 台湾半导体 起步晚 ,发展快 ,已成为世界半导体市场的第 3 位和第 4 位 . 70 年代 ,日本引进美国的晶体管技术和集成电路技术 . 1976 年 ,日本成立了超 L SI 技术攻关组 , 由富士通 , 日立制 作所 , 三菱

11、电机 , 日本电气和东芝等 5 家竞争对手组成共同 开发计算机系统 VL SI 技术 , 共同研究微细加工技术 , 晶体 技术 , 设计技术 , 工艺技术和测试评价技术 .1977 年研究出 世界上第一块超大规模集成电路 64 K 位随机存取存储器 , 后来又在 1 兆位 , 兆位和 16 兆位随机存取存储器的研究 4 方面超过美国 ,取得领先地位 .接着又研制成功了集成度超 过 1 亿个元件的世界第一块特大规模集成电路 ( UL SI) 64 K 兆位的随机存取存储器 .从 1986 年起日本在半导体总产值 和市场占有率方面都超过美国 ,居世界第一位 .美国政府调 整了发展战略 ,提出了 4

12、 个基础技术战略计划 : 超高速集 成电路 ( V HSIC) 计划 , 以开发 1. 25 0. 5 m 的制造技术为 主 ,投资 6. 8 亿美元 ; 微波毫米波单片集成电路 ( MIMIC) 计划 ,开发军用的砷化镓模拟集成电路 ,投资 5. 4 亿美元 ; 微电子科学技术 ( MMST) 计划 , 建立一条 0. 5 m , 月投片 800 大圆片 ,1000 个品种的集成电路生产线 , 投资 1. 125 亿 美元 ; 半导体制造技术联合体计划 Sematech 制造出 0. 8 m 的芯片 ,赶上了日本 .1990 年又完成了 0. 5 m 计划 ,重 新占领 50 %的市场 ,又

13、居世界第一位 .竞争激烈 .晶体管是控制成群电子的集体运动状态的器件 ,它的发 明和发展导致 1958 年半导体集成电路的产生 .集成电路与 由分立元器件组成的电路相比较 ,有体积小 ,重量轻 ,功耗下 降 ,速度提高 ,高可靠和低成本等优点 ,即性能/ 价格比大幅 度提高 ,因而引起学术界和工业界的极大兴趣和关注 .从 此 ,逐步形成新兴工业技术 ,成为整个电子工业技术的重要 组成部分 . 微电子技术作为现代高技术的重要支柱 ,经历了若干发 展阶 段 1011 .50 年 代 末 发 展 起 来 的 小 规 模 集 成 电 路 ( SSI) ,集成度在 100 个元器件 ; 60 年代发展了

14、中规模集成 电路 ( MSI) ,集成度在 1000 个元器件 ;70 年代又发展了大规 模集成电路 (L SI) ,集成度大于 1000 个元器件 ; 紧接着 70 年 代末进一步发展了超大规模集成电路 ( VL SI) ,集成度在 10 5 个元器件 ;80 年代更进一步发展了特大规模集成电路 ( UL 2 SI) ,集成度又比 VL SI 提高了一个数量级 , 达到 10 6 个元器 件以上 .随着集成电路集成度的提高 ,版图设计的条宽不断 减小 .1985 年 ,1 兆位特大集成电路的集成度达到 200 万个 元器件 ,要求条宽为 1 m ;1992 年 ,16 兆位的芯片 ,集成度达

15、 到 3200 万个元器件 , 条宽减到 0. 5 m , 即 500nm ; 1995 年 , 64 兆位的集成电路 ,其条宽已达 0. 3 m ,即 300nm ;1998 年 , 256 兆位线宽为 0. 25 m , 即 250nm , 下世纪初线宽将更细 , 集成度会更大提高 ,在计算机记忆芯片上将集成数十亿个晶 体管 .预计本世纪无疑将出现 1 G 兆位的特大规模集成电3 若干蓬勃发展的研究方向3. 1 纳米电子学固体内显然是一个多体运动体系 , 单就电子来说也在1022/ cm3 的数量级 .通常只注意到电子作为粒子的集体运动之宏观效应 ,而忽略了电子的波动性质 .但在纳米空间电

16、 子的波动性是不可忽略的 .在经过特殊设计的纳米器件 ( nanoscale device) 中 ,电子将以波动性质来表征其特性 ,这种 器件也称量子功能器件 ( quantum function device) ,在纳米空 间电子所表现出来的特征和功能将是纳米电子学研究的范 畴. 米器件在结构上有一个显著的特点就是低维结 纳 构 12 ,即 2 维 , 维和 0 维 . 1 3. 1. 1 维量子阱 2 半导体量子阱 ( quantum wells) 是 2 维结构器件 .利用 分子束外延 ( MB E) 技术已经制备出半导体超晶格量子阱 . 半导体超晶格是由周期交替生长的两种半导体超薄膜

17、构成的 .每种材料的厚度通常为晶格常数的 2 20 倍 .取 垂直于超晶格界面的方向为 Z 方向 ,则电子在平行于两种材 料界面的平面内 ,即 XY 平面内的运动不受影响 , 可以取任 意动量 ,而具有自由粒子的性质 ,形成 2 维电子气 .电子在 XY 平面内运动所具有的动能为 世界科技研究与发展 http:/321994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.科技前沿与学术评论Exy =这里 h = h/ 2, h 是普朗克常数 , Kx , Ky 是波矢分量 , m 3 是

18、电子的有效质量 .在 X Y 平面内电子的动能仍然是准连 续的 .在垂直于界面的方向上 , 电子在势阱中量子化能级上 能量为 2 h ( ) 2 ( n + 1) 2 n = 0 , 1 , 2 , ( 2) Ez = 2m3 d 式中 d 是势阱宽度 .事实上电子的运动受到超晶格所附加 的周期势的影响 , 使原来的能带又分裂成许多子能带 ( 图 1) .图 1 超晶格结构导带分裂成子能带3. 1. 2 维量子线 1 量子 线 ( quantum lines ) 的 线 宽 尺 度 为 纳 米 量 级 ( 100nm) .1 维量子线在温度降低到某一临界温度时 ,导体材料会变成半导体或绝缘体

19、; 反之 ,某些半导体或绝缘体量子 线 ,当温度升高达到某临界温度时 , 变成导体甚至超导体 . 称这种转变为 Peierls 相变 ,曾制备成功 TaS3 1 维超导体和 1 维有机超导体 . 3. 1. 3 维量子点 0 量子点 ( quantum dots) 是由少数分子或原子堆积而成 的 ,超微粒的尺度在纳米量级 ( 50nm) .半导体和金属的 原子团 (cluster) 是典型的 0 维量子点 . 设想往某一量子点注入电子 ,利用隧道效应 , 电子可在 各量子点之间穿越 ,形成逻辑电路 ,预计可以制成 10 G 量级 的存储器 . 3. 1. 4 量子点的实现 纳米导电域 利用电子

20、的量子效应制作的器件也称量子器件 .要实 现量子效应 ,在工艺上要实施制作厚度和宽度都只有几十纳 米的微小导电区域 ,这样 ,当电子被关闭在此纳米导电域中 时 ,才有可能产生量子效应 .这是制作量子器件的关键所 在. 制作方法处于发展中 ,目前已被采用的技术有分子束外 延 ( MB E) , 原子层外延 ( AL E) , 等离子体增强化学气相淀积 ( PECVD) 13 ,和有机金属化学气相淀积 ( MOCVD) 等现代 技术 .这几种方法都可形成纳米薄膜 , 例如 AL E 是在衬底 上以单原子层速度一层一层外延 . 日本 N EC 制订了量子波计划 , 中国 , 美国 , 欧洲都已成 功

21、地制作量子点阵列 .在 GaAs 衬底上淀积 InP 形成纳米岛 状结晶的量子点阵列 .当用激光照射量子点使之激励时 ,从 卷 4 期 21h ( K2x + K2 ) y 2m32( 1)量子点释放出蓝光 ,表明量子点确实具有关闭电子的功能 . 在分子束外延生长条件下 ,当 InP 在 GaAs 基片上淀积 出一层半或更多的 InP 单分子层后 ,无缺陷团簇或量子点就 会随之生成 .例如当淀积 3 个分子层后 ,就会在润湿层上部 观察到团簇 .每平方厘米约有 3 1010 个量子点 , 它们在基 片表面上的 “原子台阶“ 上优先凝聚成核 ,量子点的直径约为 15nm ,高约为 3nm 的截头

22、金字塔形 .量子点的尺寸相互仅 偏差 10 % ,这对量子点激光器来说是非常重要的 .InP 量子 点生成后 ,还要淀积一层 In GaP 以钝化量子点 . 3. 1. 5 单电子晶体管 传统的晶体管是控制成群电子的运动状态形成开关 , 振 荡和放大等功能的 .与此不同 ,单电子晶体管只是控制单个 电子的运动状态 ,器件中只有单个电子移动完成特定功能 , 称为极限器件 .美国 IBM 公司和日本日立制作所已研制成 功单电子晶体管 . 在硅基片表面制作源 , 漏和跨接于源与漏之间的栅极 , 电极宽为 130nm .在这些电极上面设置与之交错的梳状电 极 ,每个梳状电极有 7 个齿 , 每个齿宽为

23、 160nm , 两齿间距 140nm . 如果没有梳状电极 ,则当给源和漏加上电压时 , 在电极 下面的 Si 晶体表面将形成电子移动通道 .现在设置梳状电 极 ,并在其上加负电压 ,而在它下面的栅电极加正电压 ,则两 电极重叠部分的通道将被切断 ,电子的移动通道将只限于梳 状电极无齿部分下面的 Si 表面 , 形成分散形态 .这就人为 地形成微细导电域 ,其尺度为几千平方纳米 ,即量子点阵列 ( 图 2) .图 2 规则量子点列阵1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved

24、.当提高栅极上的正电压时 ,就会出现电子逾越因加在梳 状电极上的负电压而产生的势垒 ,即出现隧道效应 .于是量 子点中某个电子就被传导到相邻的量子点 .所以 ,只要适当 调整所加电压 ,便可随心所欲地自由移动单个电子 . 传统的晶体管 ,是通过移动数以千计的电子来实现特定 功能的 ,如开关动作 .随着集成度的提高 ,功耗成为严重问 题 .若开发单电子晶体管 ,则只要控制一个电子的行为即可 完成开 关 动 作 , 因 而 功 耗 可 降 低 到 原 来 的 1/ 1000 1/ 10000 ,从根本上解决日益严重的功耗问题 .而响应速度预 计可以提高 103 104 倍 . 根据实验结果 ,可以

25、设想利用 nc2Si : 薄膜实现量子器 H 件的制作 .已经制备成功纳米硅薄膜 , 并提出分形生长模 型 1416 ( 图 3 ,4 ,5) ,分析实验结果表明 ,nc2Si : 的晶体组 H 元与 界 面 组 元 各 占 约 50 % , 晶 粒 尺 度 6nm , 界 面 宽 度 约33http:/科技前沿与学术评论1nm ,具有独特的结构 1719 .每一个纳米晶粒就是一个理 3. 2 单芯片系统想的量子点 ,而晶粒间薄的界面允许电子以隧道方式通过 , 只要实施某种控制机制即可实现量子器件功能 .所以 nc2Si : 薄膜可能在光电信息领域参与信息的传输 , H 存储 , 运算等 过程

26、中起重要作用 .图 3 PECVD 系统 图 4 薄膜的 HREM 像 图 5 DRLA 模型单芯片系统 ( system on chip ) 一经产生就显示旺盛的生 命力 ,最令人激动的如在微型卫星和纳米卫星上的应用 , 可 以说一片单芯片系统就是一颗卫星 .今后在军事和民用领 域都将发挥巨大的潜力 .这里介绍一个实例 .Microtune 公 司开发出了据称是世界第一块单芯片电视调谐器 ,能同时接 收来自电缆和地面广播中的模拟和数字信号 .大多数电视 设计师心目中 ,电视调谐盒是由线圈 , 滤波器和许多别的分 立元件组装在一个盒子里的前端部件 .而现在 ,它已变成一 片小小的集成电路 .I

27、BM 用 0. 8 微米的 BiCMOS 生产工艺 生产 Microtune 公司的接收/ 调谐器芯片 , 已有样品 , 计划今 年转入大规模投产 . 新芯片把一些振荡器和混频器集成在一起 ,让强信号在 公共的基底上无干扰地运行 .为了使电路之间的耦合产生 的虚假信号降到最小 ,Microtune 公司研制了由特殊的双转 换调谐器构成的体系结构 ,它同时具有单转换和双转换调谐 器的优点 . 单转换调谐器用于强调灵敏度的电器 ,如无线电视的调 谐 .双转换调谐器虽然更贵 ,但信号保持性能好 , 频道选择 性强 ,畸变低 ,用于有线电视调谐器 . Microtune 公司的特殊双转换调谐设计不需要

28、跟踪滤波 器 ,因而去掉了通常的单转换调谐器必需的分立部件和复杂 的手动调节 .而且 ,新芯片还保证新的体系结构能处理混在 一起的强信号和弱信号 ,这是调谐无线广播电视所需要的 . 新单芯片系统非常重要 ,因为随着全频道数字电视时代 的到来 ,接收和调谐数字及模拟电视信号的质量将比以往更 关键 .因为它是单芯片系统 ,无需机械调整 , 校正或人工干 预 .而传统电视机由分立高频元件组成的调谐器上 ,这些全 是必须的 .这样 ,设备的可靠性大大提高 ,而费用下降 . 单芯片电视调谐器的大小也是一个明显的优点 .单芯 片系统在将来还会使系统设计者的一些想法成为可能 ,如接 收地面 D TV 数据广

29、播的手持式数字数据接收机等成为现 实.3. 3 微机电系统微机电系统 ( Micro ElectroMechanical System , MEMS) 是 一种外形尺寸在毫米量级 ,组成元器件尺寸在纳米 , 微米量 级的可运作微型机电装置 . MEMS 研究始于 60 年代 ,80 年代后期有重大进展 .90 年代 ,美国 , 欧洲 , 日本加大了投资力度 .1991 年日本通产 省制定了 MEMS 技术的 10 年计划 ,年投资 2 亿美元 .1992 年美国国防部制定一项将 MEMS 技术从实验室过渡到军事 应用的 3 年计划 ,经费 2400 万美元 . MEMS 技术是在微电子技术的基

30、础上发展起来的 , 利 用集成电路微细加工技术已在硅片上制作直径 40 m 的微 齿轮 ,长度 100 m 的微手术剪刀 , 采用微米级 3 维加工技 术 ,制作长度 30 m 的悬臂梁加速度传感器 , 制造成功各种 微型发动机和泵 .德国工程师制成黄蜂大小的能升空的直 升飞机 .微机电系统技术与微电子技术的结合 ,提供了将信 号探测 , 处理 , 控制和执行各子系统集成于一体的 MEMS , 将在通信 , 航天 , 核能 , 生物 , 医学 , 交通等领域发挥独特的作 世界科技研究与发展341994-2009 China Academic Journal Electronic Publish

31、ing House. All rights reserved.http:/科技前沿与学术评论用 ,在军事领域更有重大的应用价值 .事实上 ,这项高技术 首先得到军方的支持 . 随着 MEMS 技术的发展和对未来可能产生的巨大影 响 ,世界所有发达国家都确认 ,MEMS 技术是一项关系国家 重大利益的高技术而给予关注 .3. 4 微电子战争再增加一倍的任务是极其困难的 . 微处理器今后几年仍然会发展 .IBM 和摩托罗拉公司 推出 500MHz 的 Power PC 芯 片 , 目 前 正 开 发 主 频 达1100MHz 的芯片 .同时 Sun Microsystems 公司正在设计用于高档工

32、作站的芯片 ,其上集成有 30004000 万个晶体管 , 将在 2000 年推出 . 硅片上集成的晶体管数量增加了很多倍 ,晶体管之间的 连接导线越来越细 ,目前最先进的芯片的导线只有 0125 微 米宽 ,在未来的两三年内将进一步缩小到 0. 18 和 0. 13 微 米. 现在光刻的光源已从可见光改变为波长更短的紫外线 , 并开始 采 用 远 紫 外 线 .波 长 248nm 的 紫 外 线 可 刻 出 0. 25 m 的线宽 ,更短的波长 193nm 可以在晶片上写入宽度为 是人类转向单电子量子器件和量子计算机前 ,能够达到的最 接近零宽度电路的极限 .今后 ,军队将是信息化军队 ,武

33、器将是信息化武器 .以 微电子技术为核心技术的国防信息系统 ( C3 I 系统 ) 将成为 信息化军队的神经中枢 .C3 I 系统集通信 , 指挥 , 控制和信 息为一体 ,将在未来战争中起巨大作用 .信息化武器 , 例如 精确制导武器 ,包括制导炸弹 , 制导炮弹 , 制导子母弹 , 巡航 导弹 , 末制导导弹 , 反辐射导弹等 .它们实质上是一种能够 获得和利用被攻击目标所提供的位置信息修正自己的弹道 以准确命中目标的弹药 .这种武器具有一定的智能 ,可以在 敌方火力外发射 ,自主地识别目标 ,精确地命中目标 . 微电子技术的发展 ,促进现代武器装备向精确化 , 自动 化, 系统集成化 ,

34、 人工智能化 , 信息化发展 ,加上红外技术 , 激 光技术 , 毫米波技术的广泛应用 ,大大地促进了国防的现代 化 .微电子技术在洲际武器 , 航空航天领域 , 空间战 , 电子战 等方面起着关键的作用 .海湾战争和最近北约空袭南斯拉 夫实际上是微电子技术战争 .多国部队实施的电子侦察 , 电 子干扰与反干扰的各种电子措施 ,使伊军的引导雷达和防空 雷达等许多重要的电子技术装备失灵 ,从而掌握整个战争的 制空权 , 制海权和主动权 .所以说微电子技术在未来战争中 将起到最重要的作用 ,推动着军事领域向现代电子战过渡 .3. 5 向极限挑战 0. 18 m 的线宽 ,波长更短的远紫外线可以制作

35、 0. 13 m 的 线宽 .0. 1 m 以下的线宽需要采用 X 射线和电子束为光 源 .IBM 正在研究采用 X 射线为光刻光源 , 制作 0. 1 m 以 下的线宽 ,贝尔实验室采用电子束为光源 ,在实验室条件下 制作 0. 05 m 的电路 ,并正在着手研制 0. 01 m 的电路 .这4 关键技术展望4. 1 纳米级线宽 预计到 2001 年 ,光刻线条将缩小到 0. 18 m , 这就需要微处理器是信息时代的发动机 ,是今天的计算机和未来 的数字电视 , 立体声系统 , 家用电器和各种新型的电子装置 发展的驱动力 .微处理器技术每更新一代只要一两年的时 间 .在 90 年代 ,微处

36、理器的发展速度比预计的还要快 . 微处理器作为微电子技术的一个杰出的微型化产品 ,在 硅晶片中封装了几百万个几千万个微小的晶体管 ,即用于计 算计算机指令 0 “ “1 “ “ 与 的电子开关 .据估计全球每天有 2 亿亿个晶体管在使用 ,即全世界平均每人 4000 万个 ; 每年制 造的晶体管约 1017 个与地球上的蚂蚁一样多 . 1971 年 Inter 公司的第一个微处理器 4004 进入市场以 来 ,芯片制造在计算和电子技术方面取得了巨大的进步 , 支 持了摩尔定律 , 即芯片上集成晶体管的数量和其性能每 18 - 24 个月翻一番 .Inter 公司的奠基人之一摩尔在 1965 年

37、 注意到了存储器芯片容量的这个发展规律 ,然而这个规律对 微处理器来说也同样正确 .晶体管集成的数量从 4004 的 2300 个猛增到奔腾 芯片的 750 万个 , 而其性能也呈指数 增长 ,从每秒执行 1 万条指令增加到每秒可执行 2500 万条 指令 . 在芯片设计中虽然使用了精细的显微技术 ,但是可能很 快就会发现不可能制造这些不可思议的芯片 ,至少不能够很 经济地生产 .而且晶体管变得如此之小 ,其间的导线变得如 此之细 ,使芯片设计者在进入新的一千年时遇到违反物理学 定律的障碍 .导线已设计得等于头发丝的 1/ 400 ,而且还能 设计得更细 ,但要实现使电子通过宽度近于零的导线的

38、速度 卷 4 期 21寻找一种可以替代可见光光刻的方法 .X 射线光刻是可以替代的方法 .然而 ,X 射线源的成本较高 .所以正在探索其他波长的光源 .紫外线被提出 ,波长 248nm 的紫外线 ,能够 实现 0. 25 m 的光刻线条 ,而波长 193nm 的远紫外线 ,则可 实现 0. 13 m 的线宽 ( 见表 1) .也有提出利用相移掩膜和光 刻胶相结合的技术 ,实现 0. 18 m 线条的光刻 .表 1 微电子技术进步预测1998 0. 25 2001 0. 18 1G 3 2004 0. 13 4G 1年 份1995 0. 352007 0. 10 16 G 0. 52010 0.

39、 07每 3 年 的变化 下降率30 %微型化特征尺 寸 ( m) 存储量 (Bit) 每 Bit 费用 ( 美分)64M 256M 17 764 G 4 倍 0. 2下降率50 %1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.欧洲共同体各国为缩小微电子技术与美国 , 日本的差 距 ,各 国 政 府 投 资 占 50 % , 工 业 界 占 50 % , 开 发 0. 5 m , 0135 m ,0. 25 m 和 0. 18 m 的生产技术 .英国和德国已掌 艺技术 .而美国

40、贝尔实验室在 1997 年就开发成功利用电子 束加工集成电路的技术 ,线宽达到 80nm ,大大增加了相同尺 寸内容纳的电路数量 .4. 2 大面积硅单晶片 握 200mm 硅片 ,0. 25 m 的技术 , 法国也达到 0. 35 m 的工硅晶片大尺寸化是 2000 年以后半导体发展的方向之35http:/科技前沿与学术评论一 .随着设计线宽微细化 , 元器件高密度化 , 高集成化 , 芯片 尺寸大面积化 ,单个器件成本低价格化 ,必然过渡到硅晶片 大面积化 .常用的硅晶片是 75mm ,125mm 和 150mm ,1996 年至 1999 年 使 用 的 硅 晶 片 过 渡 到 200m

41、m .据 StrategicMarketing Associates 报导 ,1998 年 200mm 硅片生产线将上仅为铝的 60 % ; 而 Cu 在 275 的条件下测得的电应力引起 的离子漂移速度分别为 Au 和 Al 的 1/ 14 和 1/ 65 ,Cu 发生电 迁移的电流密度的上限为 5 106A/ cm2 ,而 Al 的上限为 2 105A/ cm2 ;Cu 的应力特性也远好于 Al .据估计单就电路的延迟说 , 用铜比用铝缩小 4 倍 , 影响很大 .显然 ,Cu 是一种 比较理想的互连材料 . 然而 Cu 作为互连材料也存在缺点 : 由于 Cu 是间隙杂 质 ,即使在很低的

42、温度下也可以迅速地在硅和 SiO 2 中扩散 ;Cu 在硅中是深能级杂质 ,Cu 扩散进入 Si 或 SiO2 中会影响升 25 % .2000 年以后 ,200mm 硅晶片将进入大批量生产阶 段 .1994 年美国半导体工业协会 ( SIA) 提出美国半导体技 术 15 年 规 划 .2001 年 将 批 量 生 产 1 GRAM , 设 计 尺 寸 0118 m ,2004 年将批量生产 4 GRAM ,设计尺寸 0. 13 m , 硅 极的支持者 ,希望尽快在德州的 Austin 建成 300mm 硅晶片 生产厂 ,这个厂将首先使用 0. 25 m 技术制作微处理器和高 档集成电路 ,第

43、二期工程 ,将迈入 0. 18 m 工艺 . 300mm 硅晶片的技术要求为 : 直径 300 0. 2 m ; 厚度 供批量生产 300mm 硅晶片 .4. 3 I 技术 SO晶片尺寸为 300mm .Motorola 公司对 300mm 晶片标准是积器件的少数载流子寿命和结的漏电流 ,使器件的性能变坏 , 甚至失效 ; 当 Cu 淀积到硅片上后经 200 退火 30 分钟会形 成高阻的铜硅化物 ;Cu 与 SiO2 的粘附性较差 .这就阻碍了Cu 作为互连线应用 . 775 m ( 在圆片中心 1 点 ) ; 翘度最大 10 m ( 共取 9 点 , 25 在 r/ 2 处取 4 点 ,r

44、/ 6 处取 4 点 , 中心处 1 点 ) 等 .2000 年提由于它特有的结构可以实现集成电路中元器件的绝缘隔离 ,消除体硅 CMOS 电路中的寄生闩锁效应 , 同时使集成电路 应小 , 特别适合于低压低功耗电路等优势 , 因此 SO I 被认为 将成为 0. 1 m 左右集成电路的一种主流技术 .最近 IBM 采 提高 35 % ; 在不改变设计和工艺水平的情况下 ,与普通体硅具有寄生电容小 , 集成密度高 , 速度高 , 工艺简单 , 短沟道效用 SO I 材料后 ,使采用同样工艺的普通 CMOS 电路的速度材料 相 比 , 利 用 SO I 材 料 制 作 的 CPU 芯 片 的 速

45、 度 由400MHz 提高到 500MHz .SO I 材料的种类很多 , 主要有通过注氧隔离的 SIMOX 材料 , 键合再减薄的 B ESO I 材料和将键合与注入相结合的 Smart Cut SO I 材料 .Smart Cut 则是 今后非常有发展前景的 SO I 材料 , 很可能成为今后 SO I 材 料的主流 .4. 4 高介电常数介质利用高介电常数材料作为电容的绝缘介质层的最大优点是在保持电容值和面积尺寸不变的前提下 ,介质层厚度可以增大许多倍 .实验表明 ,氧化物铁电材料是可利用的高介 电常数材料 .以 ( Sr ,Ba) TiO3 为例 ,其介电常数高达 400 ,约 器件其

46、绝缘介质层厚度可增加 100 倍 ,这对改善由于绝缘介 质层厚度变薄而引起的技术困难和器件性能退化有很大的 好处 .作为新的介质仍有待于进一步改善其特性 .4. 5 铜互连线技术是 SiO2 介电常数的 100 倍 , 制备电容值和面积相同的电容随着电路规模的增大 ,互连线所占的面积迅速增加 .在UL SI 中金属互连线所占的面积高达 80 %以上 ,因此金属互连成为今后集成电路发展的关键 .集成电路的延迟问题来自装置的延迟和互连线的延迟 .以前互连线做得很大时 ,连 线的延迟很小 .现在不同了 , 连线做到 0125 m 以后 , 互连 线的延迟比装置本身的延迟更大了 ,因此非改进不可了 .

47、目 2 前广泛采用铝连线 .与铝相比 ,Cu 的电阻率为 116 cm ,36SO I ( Silicon2On2Insulator ) 是 一 种 有 发 展 前 途 的 材 料 .1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.为此 ,必须寻找一种能够阻止 Cu 向 Si 或 SiO2 中扩散的 阻挡层 .已尝试了 W , , , 2Si , 2N , , 2W , 2Si2 Ti Ta Ta W TiN Ti TiN 等 ,利用较多的有 TiN , WNx , , 等 .I

48、BM 和 Motorola Ti W公司已经分别独立地实现 6 层铜互连工艺 ,预计年内将投入 批量生产 .4. 6 表面钝化技术传统的 钝 化 层 是 采 用 SiO2 , 一 层 几 百 埃 到 几 千 埃 的SiO2 就可以实现器件表面的钝化作用 .但对 MOS 集成电路 ,因为 SiO2 不能有效地阻挡 Na + 离子的沾污 ,而不能满足 要求 .研究发现在 SiO2 表面覆盖一层磷硅玻璃 ( PSG) 可以 很好阻挡 Na + 离子的沾污 .可是 PSG 中磷与水汽反应生成 磷酸 ,腐蚀金属化引线 ,造成器件失效 .Si3 N4 的结构远比 SiO2 致密 , 可以很好阻挡 Na +

49、 离子 ,水汽等的渗入 ,但它存在应力大的缺点 ,不适合于深亚微米 集成电路的钝化 .近来发现掺氧氮化硅 ( SiON ) , 具有 SiO2 和 Si3 N4 两者的优点 ,已在深亚微米集成电路中得到应用 .4. 7 前景诱人微电子技术发展迅速的动力来自两方面 ,其一是深厚的固体理论提供了可以开拓的基础 ,其二是社会的需求提供了 广阔的市场 .微电子技术微型化的特征尺度每 3 年缩小 30 % , 芯片的存储量每 3 年提高 4 倍 , 集成度每 3 年提高 2 倍 , 预计 2010 年 UL SI 将有更巨大的技术开拓 .那时一块集成电路 可以容纳 1 亿个以上晶体管 ,甚至达到几十亿个晶体管的极 限 ,是目前集成度的上百倍 . 21 世纪初 ,具有高速 , 低功耗 , 高温 , 发光等优点的半导 体 SiC 将得到应用 .神经网络式超大规模集成电路