微電子學技術發(fā)展的瓶頸和出路

1、微電子學技術發(fā)展的瓶頸和出路黃璇黃德歡在當今的信息社會中，電子學的應用顯得越來越重要。信息的獲取、放大、存儲、處理、傳輸、轉換和顯示都離不開電子學。電子學技術早已經(jīng)成為人類經(jīng)濟的命脈。電子學未來的發(fā)展，將以“更小、更快、更冷”為目標。“更小”是進一步提高芯片的集成度，“更快”是實現(xiàn)更高的信息運算和處理速度，而“更冷”則是進一步降低芯片的能耗。只有在這三方面都得到同步的發(fā)展，電子學技術才能取得新的重大突破。數(shù)年前，根據(jù)電子器件“更小、更快、更冷”的發(fā)展目標，美國國防高等技術研究署(DARPA提出了超電子學(ultraelectronics)研發(fā)計劃，要求未來的電子器件要比現(xiàn)有的微電子器件的存儲密

2、度高5100倍，速度快10100倍，而能耗則要小于現(xiàn)有器件能耗的2%最終希望達到“雙十二”，即1012位的存儲器容量和1012次/秒的運算器速度，且廉價而節(jié)能。這顯然對未來的微電子加工技術提出了更高的要求。本文在分析微電子加工技術和超大規(guī)模集成電路發(fā)展的基礎上，剖析它們面臨的發(fā)展瓶頸。隨著對集成電路芯片的要求越來越高，微電子器件將過渡到納米電子器件，后者將成為21世紀信息時代的核心。微電子學技術的巨大成就微電子學技術及超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展使得人類在計算機、電子通訊、航空航天等重大經(jīng)濟領域取得了突飛猛進的進展，它們已經(jīng)成為當代各行各業(yè)智能工作的基石。2000年10月10日，瑞典皇家科學院宣

3、布，2000年度諾貝爾物理獎授給俄羅斯圣彼得堡約費物理技術研究所的阿爾費羅夫(Z.Alferov)、美國加州大學圣巴巴拉分校的克勒默(H.Kroemer)和美國得克薩斯儀器公司的基爾比(J.Kilby)。阿爾費羅夫和克勒默因為發(fā)明了基于半導體層狀異質(zhì)結構的快速光電子和微電子元件，獲得了本屆諾貝爾物理獎。利用這種半導體層狀異質(zhì)結構技術制造的快速晶體管和激光二極管，分別在衛(wèi)星無線電通信和移動電話通信，以及條形碼閱讀儀和光盤播放機等技術上得到了廣泛應用?；鶢柋葎t因在發(fā)明和開發(fā)集成電路芯片中所作的杰出貢獻而同時獲得諾貝爾物理獎。集成電路的發(fā)明，使微電子元件成為現(xiàn)代技術的基礎。在諾貝爾獎的百年歷史上，把

4、物理獎頒給一種技術是極為少見的。20世紀的最后一頂物理學王冠之所以會戴在微電子學技術的頭上，是因為它對人類的影響實在是太大了，在當代社會中有著舉足輕重的地位。半個世紀以來，電子學技術領域發(fā)生了兩次重大技術革命，一是晶體管取代真空電子管，二是集成電路取代傳統(tǒng)的導線連接電路。這兩次技術革命對人類以計算機和信息技術為基礎的新技術的發(fā)展起到了巨大的推動作用。特別是超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，導致了現(xiàn)代計算機技術和通信技術翻天覆地的變化，催生出了一個巨大的計算機產(chǎn)業(yè)，并進而孕育出了一個嶄新的信息時代。如今,人們享受著“信息的陽光”，諸如，手里拿的手機、桌上擺的計算機、小巧方便的掌上電腦、無處不在的網(wǎng)絡，以及

5、各種各樣的電子設備與系統(tǒng)等等。而這些信息時代的高科技產(chǎn)物都離不開一種最核心的部件，那就是集成電路。集成電路從1950年代末開始發(fā)展，已有40余年的歷史。它的發(fā)展從小規(guī)模（SSI,1950年代末，集成度僅102個晶體管）、中規(guī)模（MSI,1960年代末，集成度為103個晶體管）、大規(guī)模（LSI,1970年代初，集成度約為104個晶體管）、超大規(guī)模（VLSI,1970年代末，集成度在105個晶體管）、直至現(xiàn)在的特大規(guī)模（ULSI,1980年代開始，集成度現(xiàn)已達到107108個晶體管）階段。集成電路的集成度越高表明制造工藝中的制程精度越高（即光刻加工的最小線寬越小），電路中的晶體管尺寸也就越小。近3

6、0年來，全球最大的芯片制造商英特爾公司（Intel）計算機芯片的主要發(fā)展過程，代表了全球集成電路發(fā)展的歷程。自1971年英特爾公司發(fā)布第一枚計算機芯片以來，至今已經(jīng)更新?lián)Q代十幾次，芯片的電子特性和集成度在不斷地更新?lián)Q代當中得到大幅度的提高。例如，1971年，英特爾的4004芯片，時鐘速度才為108千赫，內(nèi)有晶體管2300個，制程精度（最小線寬）為10微米；到1999年，英特爾的PentiumIII芯片（奔騰III芯片），時鐘速度已經(jīng)接近1吉赫，在面積為217平方毫米的芯片內(nèi)有晶體管2800萬個，制程為0.18微米。2002年8月投產(chǎn)的PentiumIV計算機芯片，其時鐘速度已經(jīng)高達2.8吉赫，

7、制程也達到了0.13微米。盡管PentiumIV芯片的面積降低到116平方毫米，但芯片內(nèi)的晶體管數(shù)卻超過了5500萬個。30年來，計算機芯片的時鐘速度和集成度都提高了約25000倍；制程則從1971年的10微米縮小到今天的0.13微米，用于集成電路加工的制程精度提高了約76倍。計算機芯片時鐘速度的提高確實出乎人們的預料。雖然從最早計算機4004芯片時的108千赫發(fā)展到PentiumIV芯片的2吉赫總共用了30年時間，但從1吉赫到2吉赫卻只用了1年。而且，時鐘速度還在繼續(xù)飛速提高，人們普遍相信10年后將會達到30100吉赫。1965年，英特爾創(chuàng)始人摩爾（G.Moore）曾對計算機芯片未來的發(fā)展趨

8、勢作了一個重要預測，他認為“每隔18個月新芯片的晶體管數(shù)量要比先前的增加一倍，同時性能也會提升一倍”。事實已經(jīng)證明，摩爾定律（Moore'slaw）在過去的30多年里準確地代表著芯片技術的發(fā)展趨勢。但是，隨著集成電路的集成度越來越高，晶體管的尺寸和集成電路的最小線寬也越來越小，摩爾定律受到了極大的挑戰(zhàn)。因為按照摩爾定律的發(fā)展趨勢，近年內(nèi)微電子加工技術的制程精度將達到0.1微米以下，現(xiàn)代微電子學光刻加工技術也已經(jīng)接近它的物理極限，現(xiàn)行的半導體制造工藝的發(fā)展空間將十分有限。微電子學技術發(fā)展的限制盡管微電子學技術給人類帶來了前所未有的巨大進步，但它進一步發(fā)展的空間卻已經(jīng)受到了極大的限制。這些

9、限制已經(jīng)成為微電子學技術繼續(xù)發(fā)展的重大瓶頸。能否突破這些瓶頸是微電子學技術發(fā)展所面臨的極大挑戰(zhàn)。光刻技術限制集成電路的加工設備中，光刻是核心。30年來，集成電路之所以能飛速發(fā)展，光刻技術的支持起到了極為關鍵的作用，因為它直接決定了單個晶體管器件的物理尺寸。每一代新的集成電路的出現(xiàn)，總是以光刻所獲得的最小線寬為主要標志。光刻技術的不斷發(fā)展從三個方面為集成電路的進步提供了技術保證：（1）大面積均勻曝光，在同一塊硅片上加工出大量的器件和芯片，保證了批量化的生產(chǎn)水平，硅片的尺寸也從最初的2英寸直徑，逐漸發(fā)展到4英寸、6英寸、8英寸直至現(xiàn)在的12英寸直徑；（2）光刻的最小線寬不斷縮?。ìF(xiàn)已達到0.13微

10、米），使芯片的集成度不斷提高，生產(chǎn)成本也隨之下降；（3）集成電路中的晶體管尺寸不斷縮小后，隨著晶體管的時鐘速度的不斷加快，集成電路的性能也得以持續(xù)不斷地提高?？s小晶體管的尺寸和線寬的基本方法在于改進光刻技術，也就是使用更短波長的曝光光源，經(jīng)掩模曝光，把刻蝕在硅片上的晶體管做得更小、連接晶體管的導線做得更細來實現(xiàn)。在光刻加工技術中，最小線寬的加工取決于所選用的光波的波長（光刻的光斑直徑等于半波長）。目前，光刻中使用的光源是深紫外光，所以現(xiàn)行的光刻技術也被稱為深紫外光光刻技術。在微電子加工中已經(jīng)得到成功應用的深紫外光源有：波長為248納米的KrF準分子激光光源和193納米的ArF準分子激光光源。但

11、是，即使是使用較短波長的ArF準分子激光光源，其光刻精度仍然無法達到小于0.1微米。也就是說，當集成電路最小線寬的要求小于0.1微米時，現(xiàn)行的光刻技術將無能為力而面臨著失敗。為了實現(xiàn)更高的光刻精度，人們?nèi)栽诓粩嗵剿鞲滩ㄩL的F2激光光源（波長為157納米）光刻技術，它的使用有望使光刻的最小線寬達到90納米以下。但是，這種更短波長的紫外光很容易被空氣吸收，要想獲得最終應用還需要探索新的光學及掩模襯底材料?？傊?，157納米光源的光刻技術開發(fā)給當今微電子加工技術帶來了新的希望，但還有很多技術難關需要取得突破，也是一個不爭的事實。最近，英特爾公司和臺積電公司宣布，它們將在2003年推出0.09微米的光

12、刻生產(chǎn)線，這說明，在光刻精度上人類再次取得了重大突破。材料和制造工藝的限制隨著集成電路集成度的提高，芯片中晶體管的尺寸會越來越小，這就對制作集成電路的半導體單晶硅材料的純度要求也越來越高。哪怕是極其微小的缺陷或雜質(zhì)，都有可能使集成電路中的某個或數(shù)個晶體管遭到破壞，最終導致整個集成電路的失敗。同時，集成電路集成度的提高還會引發(fā)另一個十分棘手的問題。隨著集成塊上晶體管器件之間絕緣厚度的減小，當小到5個原子的厚度時（特別容易出現(xiàn)在絕緣層的缺陷處），量子隧道效應將會出現(xiàn)，即傳輸電荷的電子將會穿過絕緣層，使晶體管器件之間的絕緣失效。在制造工藝方面，隨著光刻精度的提高，也需要相應提高硅片（基板）和光刻掩模

13、板的表面平整度，對于數(shù)十納米的最小線寬制程，表面平整度幾乎是原子尺度。除此之外，光刻精度的提高對基板和掩模板之間的平行度要求也越來越高。這些十分苛刻的制造工藝條件，無疑也將成為提高光刻精度的另一個重要瓶頸。能耗和散熱的限制微電子學技術除了在光刻加工技術上和半導體材質(zhì)上存在著急待突破的技術限制之外，它還受到了器件能耗過大和芯片散熱困難的嚴重困擾。隨著集成電路芯片中晶體管數(shù)量大幅度增多，芯片工作時產(chǎn)生的熱量也同樣在大幅度增加，芯片的散熱問題已經(jīng)成為當今超大規(guī)模集成電路進一步發(fā)展的嚴重障礙，降低器件的能耗和解決芯片的散熱也已成為微電子學技術進一步發(fā)展的一個主要技術瓶頸。當今的微電子器件（如場效應晶體

14、管），由于本身的工作能耗太大，已經(jīng)很難適應更大規(guī)模集成的需要。換句話說，即使通過芯片的新設計（如多層芯片設計技術）和光刻加工技術的改進（如極紫外光光刻技術）在一定程度上可以提高芯片的集成度，但由于目前微電子器件的工作電流和能耗都太大，大量的發(fā)熱使集成電路很難保證其正常的工作狀態(tài)。同時，芯片的過熱還會造成其使用壽命縮短、可靠性降低等嚴重問題。對此，英特爾公司微處理器研究實驗室負責人齊勒（J.Ziller）指出“芯片的能耗是提高集成度的一堵難以逾越的障礙”。微處理器速度可望在10年后達到30100吉赫，運算次數(shù)則達到10000億次/秒，高速運行的微處理器芯片的發(fā)熱量將和它們的速度一樣也大得驚人，幾

15、乎與核反應產(chǎn)生的熱量、或太陽表面的熱量不相上下。所以，能夠滿足“更冷”要求的低能耗芯片技術的開發(fā)是芯片得以進一步發(fā)展的當務之急。不過，限制微處理器的能耗并不是一件容易的事情。為使微處理器能耗降低，必須在材料性能和晶體管結構上進行大量的改進，例如：（1）美國舊M公司首倡的以銅代鋁技術，即芯片中采用銅線代替原先的鋁線連接技術，由于銅比鋁導電性更好，可以提高器件間的傳輸速率，降低連線的電阻，在提高芯片性能的同時，也能夠在一定程度上降低芯片的發(fā)熱量；（2）在芯片設計上進行一些重大的革新，包括開發(fā)雙內(nèi)核微處理器，開發(fā)向微處理器的部分區(qū)域輸送少量電流的小型能量來源，以及尋找能夠代替或使硅的性能得到進一步增

16、強的新型化合物。微電子學技術期待再突破芯片加工工藝最近，美國普林斯頓大學開發(fā)出一種名為“激光輔助直接刻蝕法（Laser-AssistedDirectImprint,LADI）”的半導體加工工藝技術。該加工技術不同于傳統(tǒng)的光刻工藝，先將模子直接按壓在硅片上，然后施加五千萬分之一秒的激光脈沖，使硅熔化后再按照模子的圖案凝固。這種工藝可使一塊硅芯片上的晶體管密度增大100倍，器件的尺寸縮小數(shù)倍，生產(chǎn)流程也同時得到簡化。采用傳統(tǒng)技術，生產(chǎn)一塊芯片需要10至20分鐘，而利用該工藝僅需要四百萬分之一秒。借助該技術，可望生產(chǎn)出尺寸更小、速度更快、價格更低的計算機芯片。提高芯片集成度英特爾公司在最新發(fā)展的0.

17、09微米制造工藝中，首次采用了7層銅互連技術?；诠杵蠁挝浑娐访芏群椭圃斐杀镜目紤]，目前的0.13微米制造工藝全部采用了6層銅互連技術。英特爾公司的0.09微米制造工藝采用7層銅互連技術后，其最直接的好處是每塊微處理器芯片上可以集成數(shù)億個晶體管，大幅度提高芯片的集成度，同時還可降低生產(chǎn)成本。0.09微米制造工藝的成功讓人們又一次看到了芯片工業(yè)的持續(xù)發(fā)展性。器件特性提高和能耗降低芯片中晶體管的最重要特性是它們的開關特性。開關特性的好壞取決于它們能否在“開”的狀態(tài)下讓電流盡可能大地流過，而在“關”的狀態(tài)下則完全切斷電流。事實上，目前晶體管的開關特性還無法達到這個理論上的開關特性。為了盡量提高晶體

18、管的工作效率，降低晶體管的能耗，人們正在研究提高晶體管開關特性的新技術，如有助于大幅提高晶體管電流切斷的SOI(絕緣體上覆硅)技術和有助于晶體管在“開”的狀態(tài)下大幅提高電流速度的“硅拉伸”技術。由舊M公司首先發(fā)展的芯片SOI是利用離子注入的手段，在芯片的硅基板里面形成絕緣埋層，再把晶體管做在這個絕緣層上面。SOI技術以其獨特的材料結構和全介質(zhì)隔離技術為新型高性能器件開發(fā)提供了廣闊的空間，已逐漸成為開發(fā)高速度、低功耗、高集成度以及高可靠性的超大規(guī)模和超高速集成電路的重要技術。目前，SOI技術已經(jīng)應用于英特爾公司和美國AM必司生產(chǎn)的最新計算機芯片中。由英特爾公司發(fā)展的并將在英特爾公司最近公布的0.09微米制造工藝中應用的“硅拉伸”(StrainedSilicon)技術可以有助于晶體管在“開”的狀態(tài)下大幅提高電流速度。這項技術的原理并不復雜，它通過拉伸硅片，將硅原子間的距離增大，使電流流過時的阻力降低，由此可以在晶體管“開”的狀態(tài)下允許更多電子經(jīng)過。采用“