現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展歷程

現(xiàn)代集成電路技術(shù)的發(fā)展歷程

1現(xiàn)代信息素—引言微電子學(xué)是研究固體材料（主要是半透明）組成的微電子電路、子系統(tǒng)和系統(tǒng)的科學(xué)分支。這是研究電子或離子材料在固體材料中的運動和應(yīng)用的領(lǐng)域，并利用該來學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理功能。而現(xiàn)代微電子技術(shù)為微電子學(xué)在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用,它是以電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、機械加工等一系列領(lǐng)域的高科技成果為基礎(chǔ)而發(fā)展起來的,反過來又為電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、機械加工等一系列領(lǐng)域服務(wù)的高新技術(shù)?，F(xiàn)代微電子技術(shù)的特征是使電子器件微小型化,其核心是集成電路(IC)和系統(tǒng)集成(SOC:Systemonchip)。2電子信息技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展至今為止印證了“摩爾定律”的描述,即單個芯片上的器件數(shù)每18個月增長1倍,DRAM儲存量每3年提高到原來的4倍,其發(fā)展歷程如下。英國科學(xué)家JohnFleming于1904年發(fā)明了二極管,其后即用于電子整流;美國的LeeDeForest于1906年發(fā)明了三極管并申請了專利;第一個晶體管于1947年在貝爾實驗室誕生,比較于電子管,晶體管有體積小、能耗低、壽命長和更可靠等優(yōu)點;而實用的晶體管于1954年開發(fā)成功,并首先應(yīng)用在電子開關(guān)系統(tǒng)中。在電路和集成方面,于1952年,英國科學(xué)家達(dá)默提出能否將晶體管等元件不通過連線直接集成在一起而構(gòu)成有特定功能的電路。1959年,德州儀器公司宣布研制成功集成電路。同年,美國著名的仙童子公司將一整套制造微型晶體管的“平面工藝”移到集成電路的制作中,很快集成電路由實驗室實驗階段轉(zhuǎn)到工業(yè)生產(chǎn)階段。1962年MOS場效應(yīng)管試制成功,1964年成功制出PMOS集成電路。比較于分立元件的電路,集成電路的體積重量大大減小,同時,功耗小、更可靠,更適合于大量生產(chǎn)。隨著集成電路集成度的不斷提高,起源于19世紀(jì)末的微電子技術(shù),在20世紀(jì)得到迅速發(fā)展。至今集成電路的集成度已提高了500萬倍,特征尺寸縮小了200倍,單個器件成本下降了100萬倍,單片集成度達(dá)到數(shù)億個晶體管?，F(xiàn)階段,我國的微電子集成電路芯片制造主流技術(shù)為0.18微米、最先進(jìn)水平為90納米;而特征尺寸的研究水平則如圖1所示,特征尺寸研究總體水平落后一、二年,并預(yù)計到2010年在技術(shù)上基本與世界同步。在微電子理論方面,二十世紀(jì)二十年代理論物理學(xué)家建立了量子物理,1928年普郎克應(yīng)用量子力學(xué)的提出,這些為飛速發(fā)展的微電子技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。微電子技術(shù)在現(xiàn)代社會的發(fā)展中具有重要的地位,集成電路和軟件是信息社會經(jīng)濟發(fā)展的基石和核心,而微電子技術(shù)作為高新技術(shù)的重要組成部分,是電子信息技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。同經(jīng)濟發(fā)展密不可分,深入到人們生活的每個角落。在國防安全方面也扮演著不可替代的重要角色,一定程度上代表著國家的科技、工業(yè)和教育的水平。如果說,現(xiàn)代經(jīng)濟起飛的發(fā)動機是計算機,那么其燃料就是凝結(jié)微電子技術(shù)而高度發(fā)展的集成電路。3器件、器件與系統(tǒng)微電子作為隨著集成電路,尤其是超大規(guī)模集成電路發(fā)展而發(fā)展起來的一門新的技術(shù),它主要包括材料制備、器件物理、系統(tǒng)電路設(shè)計、工藝技術(shù)、自動測試以及封裝、組裝等一系列專門技術(shù),概括地說包括材料,器件和系統(tǒng)幾方面。3.1分析方法及微結(jié)構(gòu)特性材料是微電子發(fā)展的基礎(chǔ),它決定了器件和系統(tǒng)開發(fā)的前途和極限,故先進(jìn)材料的研制一直是研究開發(fā)的重點。微電子領(lǐng)域新的材料除了開發(fā)低K介質(zhì)材料、高K介質(zhì)材料外,新的化合物和半導(dǎo)體材料的開發(fā)更是其重心之所在。半個多世紀(jì)以來,硅以獨特的物理性質(zhì)和自然界中豐富的含量而在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中一直占主導(dǎo)地位,成為第一代半導(dǎo)體,為信息科學(xué)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。由于上述特點和多年來形成的硅基工藝的強大產(chǎn)業(yè)能力,相關(guān)人士預(yù)計至少在21世紀(jì)上半葉微電子技術(shù)仍然以硅技術(shù)為主流。GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體,它是直接帶隙材料,具有電子飽和漂移速度高(比硅快6-8倍)、功耗低、耐高溫,抗輻照的優(yōu)點,雖然GaAs材料的機械強度比硅小,但也足夠滿足MEMS方面的應(yīng)用開發(fā),故它在超高速、微波、毫米領(lǐng)域也得到較快的發(fā)展。1970年,美國IBM公司的江崎和朱兆祥首次在GaAs半導(dǎo)體上做出了超晶格結(jié)構(gòu)。此后,半導(dǎo)體超晶格的研制工作得到了迅速的發(fā)展,為半導(dǎo)體器件的研制開辟了一條嶄新的道路,。GaN為第三代半導(dǎo)體的代表,室溫時GaN材料電子有效質(zhì)量是GaAs的三倍多,電子遷移率比GaAs小得多,但是GaN的禁帶寬度比GaAs寬,電子飽和速度和尖峰速度均比GaAs大,同時GaN的擊穿電場比GaAs的大一個數(shù)量級,還有熱導(dǎo)率高等特點,故在高頻和高溫器件的研制方面倍受到青睞。這些特性也決定GaN材料適合在微波功率器件中作溝道材料,廣泛應(yīng)用于光電子和微電子器件領(lǐng)域。在其制備方面,由于GaN大尺寸體單晶生長極為困難,現(xiàn)在所有成熟的器件都是以藍(lán)寶石或SiC異質(zhì)襯底為基礎(chǔ)的,因為Si成熟的技術(shù)和便宜的價格,Si襯底GaN基材料及器件的研制將進(jìn)一步促進(jìn)GaN基器件與傳統(tǒng)器件工藝的集成,因而具有很高的研究價值。其它幾種新的化合物半導(dǎo)體材料主要有硅鍺(SiGe)、碳化硅(SiC)、氮化鋁(AIN)和銦磷化物(InP)等,現(xiàn)分述如下。新的硅鍺(SiGe)技術(shù),是硅技術(shù)上發(fā)展起來的,制備工藝與硅工藝兼容;同時,兼有鍺器件的高速性能,是一種很有前景的微電子材料,在SiGe合金中,電子遷移率幾乎是純硅的2倍。在源/漏極區(qū)采用選擇性SiGe可以顯著提高(可達(dá)2%)MOSFET器件的驅(qū)動電流,硅鍺技術(shù)的頻率范圍為2MHz.,SiGe異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)器件在高頻、高溫、大功率方而具有很好的應(yīng)用前景己引起廣泛重視,成為研究熱點。碳化硅(SiC)具有寬禁帶(3.25eV,比較于Si的1.12eV,GaAs的1.42eV)、高擊穿電壓、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特點。這些特點分別決定了其器件能在相當(dāng)高的溫度下工作、高壓和大功率性能、集成度高、器件的高頻高速工作性能。目前,500℃下正常工作和擊穿電壓高達(dá)880V的碳化硅場效應(yīng)晶體管已經(jīng)研制成功。此外,SiC相比于其它寬禁帶半導(dǎo)體材料的還有一大優(yōu)勢就是它可以通過熱氧化的方法生成SiO2。氮化鋁(AIN)具有寬禁帶、高擊穿電壓、抗輻射性能好等特點;絕緣體上硅(SOI)具有無閂鎖、高速、低耗、抗輻射的優(yōu)點;超高速銦磷化物(InP)或異質(zhì)節(jié)雙極型晶體管是一種很有竟?fàn)幮缘募夹g(shù),能夠?qū)⑸漕l(RF)和數(shù)字功能集成在一個芯片中,其運行速度比硅鍺芯片更快,且功耗更低。但目前磷化銦集成度只能達(dá)到幾千個晶體管,運算時鐘頻率比分立晶體管截止頻率下降了近一個數(shù)量級。這些新的材料開發(fā)和應(yīng)用是決定微電子發(fā)展的最終物質(zhì)基礎(chǔ),備受國內(nèi)外政府和科研人士的高度重視。3.2新工藝和薄膜生長技術(shù)的應(yīng)用集成電路內(nèi)晶體管的尺寸和線寬不斷減小,其基本方法是改進(jìn)光刻技術(shù),不遺余力地縮短光刻波長和增大透鏡的數(shù)值孔徑,先后有深紫外線光刻技術(shù)(DUV),如荷蘭ASML公司在試驗采用193nm深紫外(DUV)光源加上沉浸透鏡技術(shù),應(yīng)用極限可以達(dá)到32nm,有望突破目前遇到的光刻障礙,而超紫外線光刻技術(shù)(13nmEUV光源技術(shù))期待能使線寬小于20nm,這些技術(shù)可延伸到滿足2012年50nm器件的光刻要求,但其價格極高,需強大的資金的支持。沉浸光刻技術(shù)(Immersionlithography),即在原光刻設(shè)施的透鏡與晶圓之間注滿水,從而大大提高了透鏡的分辨率和得到更高的數(shù)值孔徑。它對157nmHeF、極紫外光(EUV)和其它下一代光刻將是一個重大的挑戰(zhàn)。用于微電子開發(fā)的新工藝除了現(xiàn)在工業(yè)界看好的EUV外,正在開發(fā)研究的新工藝較多,如波長更短的X射線、電子束、離子束投影、微型電子束陣列;還有方興未艾的納米技術(shù)等。如利用納米技術(shù)設(shè)計和建造納米級的導(dǎo)線、晶體管和其他電子線路、單電子裝置等等,當(dāng)然這些都最終會受到物理法則的限制,。此外,用于微電子制造的現(xiàn)代薄膜生長技術(shù)也得到快速的發(fā)展。其主要有液相外延(LPE),金屬有機化學(xué)汽相淀積(MOCVD)和分子束外延(MBE)等。微電子先進(jìn)工藝的發(fā)展極大地提高芯片的集成度,從而得到了不斷提高系統(tǒng)性價比的目標(biāo)?，F(xiàn)今使用的硅圓晶片在集成電路設(shè)計中制作的最小線寬為0.13μm,一些IC生產(chǎn)公司在研制0.1μm到0.07μm的微處理器。如2001年美國國防先進(jìn)計劃局一個微電子項目演示了臨界尺寸在20nm以下并具有優(yōu)良晶體管特性的器件。此外,為了更高的集成度,在傳統(tǒng)二維微電子學(xué)的硅平面芯片上向第三維Z軸的擴展實現(xiàn)三維立體IC正在快速發(fā)展,并向多維集成發(fā)展。工藝的進(jìn)步使微電子特征尺寸縮小,縮小的晶體管尺寸還帶來了處理速度和頻率相應(yīng)的快速增加,故比集成度更為引入注目的是它的皮秒級(10-12秒)開關(guān)速度,以及相應(yīng)的THz(1012Hz)的帶寬能力。在制備工藝上,日本科學(xué)家率先在實驗室里研制成功了單電子晶體管(SET),該晶體管中使用的硅和二氧化鈦材料的結(jié)構(gòu)尺寸都達(dá)到了lOnm左右的尺度;美國貝爾實驗室利用有機分子硫醇的自組裝技術(shù)制備出直徑為1-2nm的單層的場效應(yīng)晶體管。SOC是指一種高度整合的組件,屬于系統(tǒng)層次的整合芯片,它能完成從信息獲取、處理、存儲、傳輸?shù)綀?zhí)行的系統(tǒng)功能,它已經(jīng)成為目前集成電路的主流。故SOC是制備工藝的最后著眼點。4碳納米管和cnt集成電路內(nèi)晶體管的尺寸和線寬不斷減小,然而這種縮小趨勢不可能長久持續(xù),這是因為物理和技術(shù)的限制。如當(dāng)晶體管的尺寸小到一定程度時不得不考慮電子的量子效應(yīng)、磁場效應(yīng)和熱效應(yīng),從這一點來看,100nm的線寬已經(jīng)接近物理極限了。在制造晶體管的材料上,現(xiàn)有的技術(shù)也遇到問題。拿現(xiàn)今主流材料硅材料來說,它一直是作為晶體管的柵介質(zhì)和電容介質(zhì),但隨著尺寸的減小和集成度的增加,則硅材料的厚度小到一定程度時,它又面臨著被電擊穿的矛盾局面。正因為以硅CMOS開關(guān)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)微電子發(fā)展正在接近一個嚴(yán)重關(guān)隘,對納米尺度下新的量子現(xiàn)象和效應(yīng)的研究成為國際上近年來的研究熱點,新型納電子器件得以迅速發(fā)展。碳納米管(Canbonnamotube:CNT)是其中的一員,它(CNT)是人工合成的天然納米線,由于是一維輸運,所以它的電子遷移率比體硅高很多,特別是可能實現(xiàn)彈道輸運。另外由于CNT具有非常高的擊穿電場(最高可達(dá)108V/cm),所以CNT中的電子漂移速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過硅反型層中的電子,故被業(yè)界一直認(rèn)為最有可能成為硅材料的未來最終繼承者。因為它既可承擔(dān)導(dǎo)線的功能,又可承擔(dān)半導(dǎo)體(即晶體管開關(guān))的功能,但其技術(shù)走向市場還有待成熟。如IBM公司于2002年宣布開發(fā)出性能優(yōu)異的碳納米晶體管,但同時宣稱從硅