微电子论文

微电子技术发展趋势及未来发展展望物理与电子学院电子与通信工程122212065 罗伟一、 微电子技术发展趋势 微电子技术是当代发展最快的技术之一，是电子信息产业的基础和心脏。微电子技术的发展，大大推动了航天航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术、网络技术及家用电器产业的迅猛发展。微电子技术的发展和应用，几乎使现代战争成为信息战、电子战。在我国，已经把电子信息产业列为国民经济的支柱性产业。如今，微电子技术已经成为衡量一个国家科学进步和综合国力的重要标志。 20世纪，与微电子技术相关的基础和制造业的知识是人类智慧的财富。以CMOS技术为基础的通用或低功耗硅微电子学是推动世界经济发展的主要动力之一，摩尔定律的命运依赖于硅基微电子学的发展。硅CMOS技术还能持续发展多久，这一直是公开讨论的话题。任何新技术要取代硅CMOS技术，必须有更好的性能、高的可靠性和低成本：必须像硅CMOS技术一样能增强生产力和支撑全球经济的增长。新技术应与现有集成电路及相关产品的技术兼容，这样便无需重新培养技术工人。作为“何为硅CMOS后继技术”问题的回应，出现了新结构器件(如单电子器件SET)、新材料(如碳纳米管、磁材料、生物材料)、分子电子学、量子计算技术等一系列新的研究方向。 目前已提出的有望替代硅CM0s的技术可以分为以下几类：(1)单电子晶体管 近年来，对单电子晶体管(SET)技术进行了广泛的研究。这种器件的工作仅依赖于少数几个粒子(在开关或存储区中甚至可以只有一个粒子)。这种器件目前的问题是：粒子数较少的器件的阈值比粒子数较多的器件的阈值高：增益比常规要求的偏低。因此，单电子晶体管短期内用于低功率一超大规模集成电路的可能性不大。(2)碳纳米管 在一根单独的碳半导体纳米管两端制作金属纳米电极，以衬底作为栅电极，就成了碳纳米三极管。一般来说，这种器件的增益较普通三极管低。由于工艺原因，短时期内不会大规模生产和应用。(3)分子电子学 受生物工程发展的驱动，将超小尺度材料(以有机分子为主)用于开关、存储器等器件的制造，开辟了分子计算研究的领域。如果以lnm分子直径进行估算，则Ips的开关速度只能容纳两个分子，这种结构易导致信号的错误。从散热的角度考虑，分子电子学的三极管(容纳十亿万亿的器件)一打开就会出现过热现象，因此，散热问题是分子电子学进一步发展的主要障碍。(4)量子计算技术 与经典计算技术不同，量子计算技术具有独特的能力。从解决实际问题和加密的角度考虑，量子计算技术最有希望成为未来的主流。目前已有的一些概念性器件的研究结果还不能实用。量子计算技术的纠偏方法和与之相关的反齐诺效应都需要进一步研究。量子计算技术在登上正式舞台之前仍有很长的路要走。(5)新材料金刚石半导体材料、磁材料、生物材料已成为低功率电子学的研究焦点。在磁场中，磁材料电极具有定向导通的特性，这就是非易失性存储器的原理。这种器件的工艺与硅CMOS工艺不兼容所用材料在温度高于300时不稳定。生物材料包括活细胞材料和DNA分子材料，该技术正被研究用于计算技术。由于DNA复杂、易失误的本征特性，及缺少对信息的自综合处理的能力，因此，该技术短期内很难实际应用。在高密度一低功耗电子技术中，硅器件的进一步发展受到热传导率的限制。在半导体器件材料研究方面最近主要集中在金刚石材料的研究，碳也是地球上含量最丰富的元素之一，如果能解决金刚石晶体和薄膜的大批量生产问题。它就是最有可能达到未来半导体器件要求的半导体材料。从对不同半导体材料特性的研究结果看，不论是从功率控制还是散热的角度，金刚石都将成为超高速电子器件的理想原材料。以金刚石为衬底的器件为低功耗的集成电路提供了解决方案。发展下一代低功耗电子学的首要之务是解决金刚石和硅之间的异质相容问题。 一系列新兴技术的出现，为超高速、高密度、低功耗电子器件的发展带来的新的契机。但由目前的状况看，这些新技术要成为推动新经济发展的动力，还有漫长的道路要走。也许真正的新动力还在等待人们去挖掘。二集成电路的发展趋势 集成电路已进人超深亚微米时代，体硅CMOS的批量生产已采用90nm工艺、300 mm晶圆；65m工艺也即将量产化；集成电路的发展仍以继续追求高频、高速、高集成度、多功能、低功耗为目标。1. 器件的特征尺寸继续缩小从纵向看，在新技术的推动下，集成电路自发明以来四十年间，集成电路芯片的集成度每三年提高4倍，而加工特征尺寸缩小2倍。这就是由Intel公司创始人之一的GordonEMoore博士1965年总结的规律，被称为摩尔定律。基于市场竞争，不断提高产品的性能价格比是IC技术发展的动力，缩小特征尺寸，从而提高集成度，是提高产品性能价格比最有效的手段之一。据国际半导体技术发展路线图(ITRS，2002年修订)，预计到2016年，将生产出特征尺寸为22nm的CMOS电路，实际栅长为9nm的MPU和RAM。集成电路正在接近其物理极限，同时，受工艺加工极限和经济承受力的制约，到底什么尺度是其极限呢?目前仍无定论，其微细化的方向仍有很大发展空间，集成电路技术仍然遵从摩尔定律快速发展。 随着IC设计与工艺技术水平的不断提高，IC规模越来越大，复杂程度越来越高。目前，已经可以在一个芯片上集成108109个晶体管，而且随着集成电路制造技术的发展，21世纪的集成电路技术将从目前的3G(G一109)时代逐步发展到3T(T一1012)时代，即存储容量由G位发展到T位、集成电路的速度由GHz发展到THz，数据传输速率由Gbps发展到Tbps(bitspersecond)。 IC技术是近50年来发展最快的技术，设计规则从1959年以来缩小了140倍，而平均晶体管价格降低了107倍。如果小汽车也按此速度降价，那么现在小汽车的价格只有1美分。2.集成电路与其它学科结合诞生新的技术和产业增长点 从横向看，集成电路与其它学科和技术相结合，形成新的方向，新的学科或专业，不断改变着传统专业分工的格局。这种技术结合融合的趋势，对集成电路来说，就是越来越复杂的片上系统(SOC，SystemonChip)。 SOC的概念在不断发展。ITRS2002年修订版表明：2000年以前已经实现了逻辑电路、SRAM、FLASH、E-DRAM、CMOSRF的SOC；2001年，实现了FPGA与FeRAM(铁电存储器)的SOC；接着实现了MEMS、化学传感器和集成光电器件的SoC；预计到2006年，将实现集成生物电子器件的SOC。 SOC的发展在国内外引起高度重视，正在开展建立针对各种应用的SOC技术平台的研究，努力推进SOC的发展和应用。如面向通讯的综合信息处理SOC平台，第三代移动通讯SOC平台；高速的信息安全SOC平台，高清晰度电视SOC平台及家庭网络SOC平台等。这一广阔的发展方向有着十分重要的意义和应用前景。 MEMS的发展非常迅速。1988年，美国一批著名科学家提出“小机器、大机遇”，并呼吁美国应当在这一重大领域发展中走在世界的前列；1993年，美国ADI公司将加速度计与IC集成在一起，成功地将MEMS加速度计商品化，并大批量应用于汽车防撞气囊，标志着MEMS技术走向商品化。MEMS的发展将对人类生产和生活方式产生革命性的影响，已引起了广泛的关注。3.新材料、新结构、新器件不断涌现集成电路以SiCMoS为主流高速发展的同时，新材料、新结构、新器件不断涌现。如绝缘体上硅(SOI)，GeSi异质结和应变Si器件及FeRAM等。由于SOI具有无闩锁、高速、低耗、抗辐射的优良性能，不但在军事上，而且在民用方面也很有前景，已成为研发高性能电路(如CPU)的重要技术，并被认为会成为01肚mCMOS的主要技术。GeSi异质结器件由于其高速特性，已成为在射频领域及在Si和GaAs之间性价比最合适的应用。Fe一RAM因其快速、低功耗、非挥发、长寿命、耐辐射等优势而发展迅速。宽禁带的SiC、GaN和AlN等，由于其宽禁带、高击穿电压、抗辐射性能好等特点，其异质结器件在高频、高温、大功率方面具有很好的应用前景，已引起广泛重视，成为研究热点，尽管形成产业尚待时日，但仍是值得注意的发展方向。三微电子技术在未来轻兵器上的应用 当今世界，高新技术的浪潮推动着世纪战车，正飞速驶入一个全新的时代。各类传统观念上的兵器在高新技术的洗礼下，都产生了革命性的变化。在诸多高技术中，雄踞榜首的是微电子技术。 微电子技术是使电子元器件和由它组成的电子设备微型化的技术，其核心是集成电路技术。先进的微电子技术在军事领域中的广泛应用于打破了千百年形成的武器装备唯大、唯多和大规模破坏等传统观念，使武器系统小而轻，功耗可靠性高，作战效能和威力增强。如军用通信指挥系统，高空卫星侦察监视，海底导弹发射及海、陆、空各军兵种的配合与联络，靠的都是微电子技术。微电子技术在轻武器中的应用方兴未艾，有许多应用在研制中，如数字地图计划：为提供士兵所需要的一切信息，可把天气数据、情报、情报、敌友军的位置、空中成像等一切信息融合到一起，以数字方式存