物理学与微电子工业01

微电子技术开展与物理学中南大学邓联文个人简介姓名：邓联文，学位：博士，职称：副教授，籍贯：湖南学习和工作简历：1987年，进入华中工学院固体电子学系学习1991年本科毕业分配至上海核工业第八研究所从事电子材料科研工作1994年无锡亨达电子公司从事步进电机及驱动模块的开发与生产管理1999年华中理工大学电子科学与技术系读研，从事纳米电子学的课题2004年获华中科技大学微电子学与固体电子学工学博士学位；后进入博士后流动站从事吸波材料、抗电磁干扰和电磁兼容技术研究工作，并承担“电磁场与电磁波〞的教学工作2006年11月，中南大学物理科学与技术学院电子信息系工作，承担“微电子学概论〞的教学工作联系方式：〔〕，QQ：151462179E-mail:办公地点：中南大学物理楼311室物理学－微电子学－微电子技术的互动开展物理学的开放性与技术的必然联系

物理学和技术关系密切。当今的许多工程学科都是植根于经典物理学的某一分支，而20世纪的物理学进而诱发许多新兴的技术科学，如原子能技术、微电子技术、光电子技术等。因而并不出人意料之外，对当代信息、网络技术作出了重要奉献。物理学一直是一门生气勃勃的学科，这和它具有高度的开放性是密切相关的。它和技术并没有截然的分界线，它和其他的自然科学也没有截然的分界线。它的门户总是开放的，鼓励跨学科的交流与沟通。按电学特性将物质分为三类：导体，半导体，绝缘体；物理如果就其与电子材料技术的根底性关联来分：半导体器件物理半导体器件集成电路微电子工业半导体工业物理磁性物理电介质物理半导体物理20世纪是物理学推动高新技术飞速开展的世纪,对微电子技术也毫不例外.美国于1925年创立的贝尔实验室,如今已成为世界上规模最大、技术最先进的科学技术研究和开展的研究院之一.自1947年以贝尔实验室的肖克莱为首的固体物理研究组创造了晶体管以来,世界微电子科学技术得到突飞猛进的开展.领导贝尔实验室的7个总裁中,有4个是从美国的不同大学的物理系毕业的.这些事实已足以看到物理学对推动贝尔实验室的开展起了多么重要的作用.在科学的不断开展、人类的不断进步的过程中,虽然许多学科是交叉地开展的,但无一门是不用到物理学的.无数事实证明,学物理学的人要转向别的领域比较容易,而别的领域要转向物理学就比较困难微电子学与微电子技术当前以数字化和网络化为特征的、以计算机为根底的信息技术正以极强的渗透性和根底性,渗透和改造着各种产业和行业,改变着人类的生产和生活方式,改变着经济形态和社会、政治、文化等各个领域的面貌.这一切都源于微电子技术的诞生和开展.什么是微电子学呢?简言之,微电子学即微型电子学,它是脱胎于电子学和固体物理学的一门交叉性的技术学科,其主要任务是研究在固体(主要是半导体)材料上构成微小型化电子电路、子系统及系统的学科.微电子学专业的人才市场需求1上海半导体和集成电路研讨会发布消息：到2021年．中国微电子产业对集成电路设计人才的需求量将到达25万人，而目前还不到6万人。可见中国微电子产业的人才是多么奇缺。微电子作为信息产业的核心，是当今世界竞争最剧烈、开展最迅速的全球化产业，它的就业前景、薪资水平十分看好。微电子学专业的人才市场需求2上海交通大学微电子专业2004、2005、2006三届毕业生就业去向统计结果说明．微电子专业的优秀毕业生主要集中就业于Intel、IBM、ST、VIA、NI、Trident等国际知名公司。?电子工程专辑?2004年举办的“中国电子工程师薪酬调查〞调查结果显示：微电子行业薪资高居电子行业榜首，并领先于通信系统和设备行业，以及航空、航海和军工电子行业等。调查结果还显示．微电子行业薪资与学位成正比。微电子专业博士的平均底薪是8．87万元，硕士的平均底薪是8．18万元，本科的平均底薪是5．9万元，而收入最高的集成电路工程师年薪超过25万!我国年微电子开展展望我国IC骨干企业地区分布及销售情况我国年微电子开展展望上海IC产业开展战略目标到2021年总投资量600亿美元，建成20~40条生产线，200个设计公司及20家封装/测试厂带动上海700亿美元相关产业开展，成为第一大产业未来十年将是我国微电子产业的黄金时期我国微电子开展展望微电子学专业对课程学习的要求我国著名微电子专家、西安电子科技大学副校长郝跃教授曾说：微电子的根本是物理与数学的结合。微电子专业都开设了那些课程呢?从目前的情况来看，微电子专业主要开设的课程有：半导体物理及实验、半导体器件物理、集成电路设计原理、集成电路工艺原理、集成电路CAD、微电子学专业实验和集成电路工艺实习等。微电子学与微电子技术以微电子学为根底开展起来的微电子技术包括半导体材料及器件物理,集成电路及系统的设计原理和技术,芯片加工工艺、功能和特性的测试技术等重要的组成局部,其核心是集成电路技术.所谓的集成电路就是将晶体管等有源元件和电阻、电容等无源元件,按照一定电路“集成〞在一起,完成特定的电路或系统的功能,它不仅表现在体积减小上,而且反映在制造工艺技术上有着内在的必然联系,可以一次加工完成.微电子学与微电子技术微电子技术已经成为整个信息社会开展的基石,这是由集成电路的本质所决定的.信息社会的进步取决于人们对信息的掌握和利用程度,而集成电路恰恰是将信息的获取、传递、处理、存储、交换等功能集成在一个小小的芯片上,而这种芯片又可以低本钱、高可靠性、大批量地生产出来,且功耗低、体积小,从而可在前所未有的广度和深度上得到推广应用,成为现代工农业、国防和科学技术的技术根底.微电子技术开展近几十年来,微电子技术一直是按照摩尔定律的指数增长规律开展的.摩尔定律是Intel公司的创始人之一,时任美国仙童公司(Fairchild)研究部主任的GordonE.Moore于1964年在总结集成电路开展趋势的根底上,对未来集成电路的开展趋势而做的预测.根本内容是,在集成电路的单个芯片上集成的元件数,即集成电路的集成度,每18个月增加一倍,即集成度每三年翻两番,特征尺寸缩小2倍,而且集成电路芯片的需求量也以相同的速度增加,在集成电路性能提高的同时价格下降.物理学与微电子技术开展微电子技术开展经历了诞生和飞速开展的两个阶段.目前正在经历一个新的开展阶段,一方面它将面临着来自于技术、材料和根底理论等限制的挑战,另一方面,期待着新的飞跃,这一飞跃可能对材料、技术和根底物理理论等多方面带来革命性的变革.综观微电子的开展史,微电子学是在物理学开展和突破的根底上建立起来的,而微电子技术的每一步开展都是以物理学研究的成果为根底的;反过来,微电子技术的开展推动和促进了物理学的研究和开展,并为物理学的研究开辟了更为广阔的空间.微电子学诞生于物理学的突破之中

微电子学的诞生是以半导体晶体管的创造为标志的.晶体管是人类历史上最伟大的创造之一,是固体物理、半导体物理、材料科学等取得一系列重大突破后的必然结果19世纪末,现代物理学的一系列发现揭示了微观物理世界的根本规律,为海森伯和薛定谔建立现代物理学的根底———量子力学体系奠定了根底.20世纪30年代建立的以量子力学为根底的现代固体物理学的成熟和完善,为晶体管的创造奠定了理论根底.微电子学诞生于物理学的突破之中对于晶体管的创造,有两个根底研究工作需要特别提及.其一是量子力学的建立和有关电子与物质结构研究的迅速开展.1924年衍射实验证实了电子的波动性概念;1928年提出了电子的费米-狄拉克统计理论;1931年,威尔逊(A.H.Wilson)提出了固态半导体的量子力学理论,与固体X射线实验相结合,奠定了今天固体能带论的根底.其二是将霍尔效应应用到半导体材料研究之中.该方法的引入,使得人们可以深入研究半导体的导电性质,把半导体与金属区别开来,并发现了半导体中有两种载流子.微电子学诞生于物理学的突破之中在这两个根底理论与实验的指导下,肖特基(Schottky)和莫特(Mott)于1939年第一次提出了空间电荷区理论,B.Davidor提出了不同半导体之间也可以有整流效应,并提到了半导体中的一个关键概念———少数载流子的重要性,只是限于当时的科学水平,这样一个重要概念并未得到应有的开展和重视.微电子学诞生于物理学的突破之中半导体材料研究方面取得的进展,也是晶体管创造的一个必要根底.由于更短波长的无线电检波需要,很快发现真空管是无力胜任的,必须要有新型的检波器.为此,曾经被研究但由于性能不稳定而被放弃的硅晶体检波器重新引起人们的注意.基于改进晶体检波器的需要,希望得到更纯的硅,由此促进了半导体材料研究工作的进展.随着p型和n型半导体材料的获得,很快发现p-n结是很好的整流器,并具有光生伏特效应.微电子学诞生于物理学的突破之中从与真空管的类比中,人们很自然地想到能否在p-n结上加一个控制栅极,从而做成一个固体放大器.第二次世界大战以后,贝尔实验室集中了一批科学家,其中有物理学家、化学家、冶金学家,共同组成了半导体组,针对当时提出的一些令人费解的问题,开展系统的根底研究工作,力图搞清楚其中的一些根本规律.由于根底材料研究工作的进展,获得了完整性比较好、纯度比较高的锗、硅材料,排除了诸如硒、氧化亚铜等材料中的一些复杂因素,因而在客观上具备开展根本物理现象研究的条件.微电子学诞生于物理学的突破之中贝尔实验室半导体研究组在比较单纯的锗材料上进行了场效应的实验,但最初的实验结果却比理论预言至少小1500倍!为了探究其原因,Bardeen提出了实际硅外表的外表理论,成功地解释了场效应理论与实验间的矛盾.为了进一步研究Bardeen的外表态理论对场效应的影响,化学家Gibney提出在外电场电极和半导体之间加一个绝缘电介质,以增强电场,克服外表态的影响,这一来自化学家的重要建议,解除了物理学家久已存在的困惑,大大促进了贝尔实验室半导体小组在场效应放大器的研究工作,并于1947年12月16日诞生了具有放大和功率增益性能的点接触二极管.微电子学诞生于物理学的突破之中点接触晶体管的创造给肖克莱以极大的启示,“少子注入〞的概念被紧紧抓住了.但点接触晶体管并不稳定,在物理分析上也比较困难,因为它是一个三维问题.为了进一步搞清楚点接触晶体管的工作原理,并加以改进,肖克莱在对p-n结根本物理图像进行长期研究的根底上,提出用n型半导体与薄的p型材料面接触代替探针的点接触,这样就可以用一维模型来进行分析.1948年1月23日,肖克莱完成了晶体管的三个根本概念,宣布了面结型晶体管的创造,该结果于1949年以论文形式发表.微电子学诞生于物理学的突破之中此后的开展十分迅速.1950年和1952年分别制得了锗、硅单晶,1950年用生长结制成了锗n-p-n结型晶体管,1951年用合金法制成了锗p-n-p晶体管,1954年用气相扩散制成了大功率硅整流器和高效率的光电池,1956年就制成了扩散型基区台式晶体管.1956年,Bardeen、Brattain和Shockley一起获得了物理学的诺贝尔奖.自此,也宣告了微电子学的诞生.微电子学诞生于物理学的突破之中晶体管的创造是在社会需求的推动下,在物理学研究成果和技术进步的根底上,在开展系统的研究中取得的,其中物理学的研究成果对晶体管的创造起了决定性的作用.因此,有人形象地将微电子学称为以能带论为根底的固体物理学和无线电电子学结合而诞生的孩子.微电子技术与物理学进展的相互促进在晶体管诞生以后,微电子技术在一系列创新工作的推动下,进入了迅速开展的阶段.这些创新是在应用需求的驱动下,借助于当时物理、材料和技术成果而实现的.集成电路的创造是其中具有里程碑意义的创新之一.关于集成电路的概念最早是由英国皇家信号和雷达机构(RoyalSignal&RadarEstalishment)的G.W.A.Dummer于1952年5月在电子元器件会议上提出的,但当时没有能实现,直到1958年,才由美国德州仪器公司(TI)的J.S.Kilby创造。微电子技术与物理学进展的相互促进在晶体管创造之前,当时的电子学工作者是通过将制成的电子管和电阻、电容等元件焊装在一起,构成具有一定功能的电路系统的,如第一台电子计算机ENIAC就是这样一个电路系统.美国TI公司的J.S.Kilby开始将电阻、电容等无源元件和有源元件制做在同一块半导体材料上的实验.通过进一步分析后,他认为有可能将这些元件同时“在位〞制备在一起,并用互连形成电路.由此,Kilby完成了集成电路的创新思维过程.他很快就画出了关于触发器(flip-flop)的构思,并用别离硅元件和生长结晶体管等搭成一个全半导体化的实验装置,证实了方案的可行性,并终于在1958年9月12日在实验室实现了第一个集成电路震荡器的演示实验,标志着集成电路的诞生.基于当时的TI生产条件,该实验是在锗晶体管根底上完成的.微电子技术与物理学进展的相互促进集成电路的创造是一个技术创新,在这一技术创新中,Kilby所做的深入的物理分析,特别是对PN结电容和薄膜电阻的物理分析以及所提出的集成电路概念,起了关键的作用.由于集成电路的创造,微电子技术迅速开展起来,并对物理学的开展产生越来越大的影响.为此,Kilby于2000年获得了诺贝尔物理学奖.微电子技术与物理学进展的相互促进平面技术的创造是推动集成电路产业化的关键技术根底.现代平面技术包括氧化、扩散、薄膜生长和光刻刻蚀等技术.在这些技术中,论其重要性当首推二氧化硅绝缘层的发现和研究.C.S.Fuller和他的同事以及M.Tanenbaum等在气相-固态杂质扩散形成p-n结技术方面做了系统的根底工作,他们的成果很快被应用于光电池、功率整流器和高频晶体管等方面.同时在研究杂质扩散的过程中发现,高温扩散往往在硅外表热生长一层薄的二氧化硅,它对某些杂质例如硼和磷有阻止向硅中扩散的屏蔽作用.这种作用对扩散来说是不希望的事.但是科学家们在这种“偶然〞现象中得到了启示:能否利用二氧化硅的掩蔽作用来制造各种复杂功能的电路呢?微电子技术与物理学进展的相互促进1956年,C.J.Frosch和Derick系统论述了二氧化硅对材料外表的钝化和扩散屏蔽作用.Fairchild公司的JeanHoerni和贝尔实验室以Atalla为首的许多科学家对二氧化硅特性进行了深入而系统的研究工作，发现它不仅具有掩蔽作用,而且是一个高频损耗小、击穿电场强度高的良好绝缘体.由于这一物理学上的卓越发现,使Fairchild公司在1959年生产出了平面型晶体管,设计并研制成功了金属互连、p-n结隔离的集成电路.直到今天,二氧化硅仍然是集成电路中所采用的主要的绝缘层材料,而对二氧化硅物理特性的研究一直是物理学也是微电子学中重要的研究课题.微电子技术与物理学进展的相互促进在平面工艺中,光刻技术是另一关键技术.光刻是一种精密的外表加工技术,它最初出现在印刷照相术上.1957年,美国DOF实验室首先将它引入到半导体工艺技术中来.Fairchild公司的Noyce那么将光刻技术和二氧化硅氧化掩蔽巧妙地结合起来,实现了精细晶体管和集成电路图形结构.由于这种结构外表平整,使各元件间的连接不必再采用手工焊接,而是用真空蒸发金属来代替,然后用光刻技术刻出所需要的电路,从而完成元件间的互连.Noyce因此而与Kilby同时分别享有了集成电路创造专利,同时进入了美国国家创造家名人殿堂.微电子技术与物理学进展的相互促进集成电路产品能够高效、廉价地生产,并不断地改善性能,降低本钱,是平面工艺,特别是光刻技术不断开展完善的结果.而光刻技术的进步那么与物理学研究的进展攸切相关。目前集成电路技术中主流的光刻技术加工的线条宽度已在超深亚微米量级.微电子技术与物理学进展的相互促进金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOS－FET)器件的创造,在微电子技术史上是另一个具有里程碑意义的事件,它是目前超大规模集成电路的根本电路形式.肖克莱在研究垂直外表的电场对半导体内部载流子浓度和各种性质所产生的影响时,发现了垂直外表电场可以引起外表电导变化的场效应现象,并在1948年提出了场效应晶体管的理论.然而由于当时社会工艺水平的限制而无法实现,其主要限制是无法制备满足器件需要的薄的高强度栅绝缘层.直到1959年Atalla提出用硅片上热生长二氧化硅层作为栅绝缘层,1960年,贝尔实验室的Kahng和Atalla用Ligeza高压水气生长二氧化硅层获得成功,才制备出了第一支MOS场效应晶体管,但性能还是不稳定.微电子技术与物理学进展的相互促进为了解决MOS电路性能不稳定问题,众多的科学家诸如A.S.Grove,C.T.Sah,E.H.Snow,B.E.Deal等通力合作,经过近十年的努力,终于在1967年根本搞清了Si-SiO2系统的四个电荷的性质,这是界面物理研究取得的重要成果,并成为界面物理研究的根底.在工艺上,找到了控制Na离子玷污的方法,并结合净化措施和采用高纯级的根底材料,使MOS集成电路得到稳定生产.由于MOS器件具有工艺简单、功耗低、易于集成、可满足器件尺寸按比例缩小的需要等特性,因此,目前在半导体工业中,95%以上的集成电路产品都是采用CMOS结构的.微电子技术与物理学进展的相互促进微处理器的创造也是一个具有里程碑意义的事件.第一台微处理机是1971年由Intel公司制造的.微处理器的创造可以说是一个应用创新的例子,它在观念和应用技术方面的创新,开辟了计算机应用和普及的新纪元.随着微处理器的创造和随之带来的本钱降低、体积缩小,使得计算机的应用领域得到迅速拓展,并最终成为当前信息技术的根底.Intel公司也因为微处理器的创造,从一个名不见经传的小公司开展成为世界著名的工业巨头.微处理器的创造带动了以CMOS为根底的超大规模集成电路技术的开展,带动了智能化电子产品的开展,成为信息技术的根底元件.同样,也给物理学及其实验技术的研究带来了崭新的面貌.微电子技术与物理学进展的相互促进超大规模集成电路技术的开展在多方面带动了有关物理研究的进展.基于计算机辅助设计(CAD)的需要,开展了对器件、电路、工艺进行模型模拟的研究,为此,大大深化了器件中物理效应和原理的研究;基于预测和改善器件和电路寿命的需要,开辟了专门研究器件和电路的可靠性问题的研究领域－可靠性物理研究;人们在研究一些物理效应的根底上,创造了新的半导体器件,这些新器件的创造又带动了集成电路技术和微电子产业的开展.微电子技术与物理学进展的相互促进如人们利用电容存储电荷效应实现信息存储的原理,创造了半导体随机存储器(DRAM),带来了信息存储方面的革命;S.Z.Sze将量子隧穿效应应用到半导体存储器领域,创造了浮栅存储器,目前浮栅存储器已成为Flash和EEPROM存储器技术和产业的根底,直接带来了IC卡如此广泛的应用,促进了社会信息化程度的提高微电子技术与物理学进展的相互促进随着一些新材料、新物理效应的发现,一些新的微电子技术研究领域正在诞生,如铁电存储器(FeRAM)和磁阻随机存储器(MRAM)技术.FeRAM是利用铁电材料所具有的铁电效应进行信息的存储.铁电效应是一种早已被发现的物理效应,但由于材料性能和与集成电路工艺的不兼容性,促使人们去研究新的材料.到20世纪80年代,一些新型的高性能铁电材料如PZT和SBT被发现,使FeRAM既具有半导体随机存储器(RAM)随机存储数据的功能,又具有半导体只读存储器(ROM)保存数据不丧失(非挥发性)的功能,同时还具有抗干扰、抗辐射的功能,因此,铁电存储器被认为是继DRAM和ROM之后新一代的半导体存储器.MRAM技术那么是随着人们在一些新的材料体系中发现巨磁电阻效应这一新的物理现象后,才提出的一种新型半导体存储器.由于巨磁电阻效应与电子的自旋特性有关,因此,巨磁电阻效应及其应用可能性的发现,带动了自旋电子学的研究.微电子技术与物理学进展的相互促进在微电子技术开展的第二阶段,微电子技术是按照摩尔定律的规律,并以特征尺寸缩小、集成度增加的一维方式开展的.在一维开展模式下,技术的创新和应用创新起了关键的作用.其中光刻技术的开展对特征尺寸的按比例缩小起了关键作用.为了满足器件特征尺寸缩小的需求,光刻技术不断改进,这些改进包括:(1)曝光光源的改进,曝光波长不断缩小;(2)图形印制方式的改进,从接触式、接近式、投影式,开展到目前的分步(stepper)-扫描(scan)-投影式(projection)的方式;(3)分辨率增强技术(RET)的应用,开展了偏轴照明(OAI)、邻近效应校正(OPC)、移相掩膜(PSM)、光刻胶修剪(resisttrimming)、抗反射和外表感光功能的多层光刻胶等技术。微电子技术与物理学进展的相互促进这些改进技术的提出是以光学研究成果为根底的,如偏轴照明、邻近效应校正、移相掩膜等技术的提出,是基于光的干预、衍射效应提出来的.为了满足70nm以下特征尺寸的加工需要,光刻技术需要革命性的变化,当前的光学光刻技术需要被新一代的光刻技术如EUV光刻、电子束投影光刻、X射线光刻、离子束光刻、纳米印制光刻等技术所替代,而这种需求,反过来将大大促进相应领域的物理学研究工作.铜互连技术的创造在微电子技术中具有举足轻重的地位.在传统集成电路中主要采用铝导线互连工艺.物理分析说明,采用铜替代铝作为互连后,无论是电路的性能还是可靠性都可得到显著的改善。微电子技术与物理学进展的相互促进但由于一些关键的技术和物理问题一直得不到解决,人们对铜互连只能停留在“望梅止渴〞的阶段.其主要问题有两方面:其一是铜互连图形加工问题,在传统的铝互连工艺中,是通过光刻和刻蚀工艺来加工互连图形的,但在微电子工艺中,找不到能够刻蚀铜的工艺,因此无法加工铜的互连图形;其二是铜的污染和扩散问题,由于铜是深能级杂质,进入到硅和二氧化硅中造成的污染,将引起器件性能的严重退化,而器件一旦被铜沾污后又很容易扩散进入到硅和二氧化硅中,造成整个电路的失效.铜互连技术的突破来自于对这两个问题的解决.微电子技术与物理学进展的相互促进铜互连图形加工问题的解决是称之为大马士革加工工艺的创造,在该工艺中,首先根据互连引线图形加工成沟槽,接着将铜淀积在沟槽中,然后用化学机械磨抛方法(CMP)将沟槽图形外的铜去掉,即可得到所需要的互连图形,由此避开了铜的刻蚀问题.当然,大马士革工艺的创造是以CMP技术的创造为根底的.对铜污染问题的解决方法是,采用可防止铜扩散的垫垒层材料将铜与硅和二氧化硅隔离开来,从而解决了铜污染的问题.其中能防止铜扩散的势垒层材料的发现是关键.微电子技术与物理学进展的相互促进微电子技术对物理学研究工作的推动作用,不仅表达在使物理学的研究手段发生革命性的变化方面,还在于微电子技术的开展对物理学提出新的研究课题和研究领域,为物理学的研究拓展了更为广阔的空间,构筑了新的平台.例如,微电子技术的开展使得计算机的性能和普及得到很大提高,使得物理学可以涉及一些非常重要、但由于计算量巨大过去无法涉足的领域,如半导体的能带计算、蒙特卡罗方法模拟电子系统性能特征等,由此产生了新的物理学科分支———计算物理学;又如,由于微电子技术的特征尺寸已进入纳米尺度,纳米电子器件的研究呼唤介观物理学;同时由于微电子技术根本上是在各种薄膜材料(介电、导电、半导体等薄膜材料)上加工转换各种电路与系统的拓扑设计图形,因而促使薄膜物理学的诞生和开展等等.微电子技术开展的物理限制及其对物理学的挑战随着器件特征尺寸的不断缩小,特别是在进入到纳米尺度的范围内,微电子技术的这种一维开展模式将面临着一系列物理限制的挑战,这些挑战有来自于根本物理规律的物理极限,也有来自于材料、技术、器件、系统和传统理论方面的物理限制.为了面对这些挑战,微电子技术将由一维开展模式向多维开展模式方向转变,微电子技术的开展将进入一个新的开展阶段,表达出一些新的开展特征.根本物理规律的限制计算机处理信息的过程,主要是一个进行布尔逻辑运算的过程,其中涉及到布尔逻辑间的转换.RolfLandauer证明,信息本身就是一个物理系统,因此,计算机或集成电路,无论采用何种器件结构和工作原理,其处理信息的过程都是一个物理过程,需要满足根本物理规律的限制.这些限制包括在电磁学、量子力学测不准关系、热力学等方面的限制,它们对信号的传输速度、器件开关转换的器件功率、器件开关引起的能量变化、集成系统能量耗散和热量产生等形成限制.这些根本的物理限制是不可逾越的,可以说是微电子技术的物理极限.材料方面的限制主要是传统的微电子材料如硅衬底材料、二氧化硅绝缘材料、多晶硅及其硅化物和金属导电材料等无法满足微电子技术进一步开展的需要.为了解决这方面的限制问题,需要引入一些新的材料到微电子技术中来.目前所研究的新材料包括:SOI,Ge－Si,Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族等新的衬底材料;高K栅介质材料;新型金属导电材料;低K互连介质材料;Cu互连材料;高K电容材料、铁电电容材料、巨磁电阻电容材料、低维材料如纳米碳管和纳米硅线等.技术方面的限制传统的微电子工艺技术,如光学光刻工艺、离子注入工艺等将接近其物理极限,无法满足器件进一步缩小的制备需要.解决该限制的途径是寻找新的工艺方法和途径.这些工艺途径包括新一代的替代光刻工艺,如EUV光刻、电子束SCAPEL光刻、纳米印制光刻技术或自组装的纳米加工技术等.器件方面的限制按照摩尔定律预测,到2021年,由于器件特征尺寸的研究水平缩小,MOS器件开关过程仅需要少数几个电子参与,MOS器件的经典理论将不适用;而到2021年,器件的开关过程仅需一个电子的参与,由此,必须要采用新的器件结构(如量子开关器件)和新的器件工作原理.系统方面的限制系统方面的限制包括互连延迟的限制、系统的散热问题的限制等.随着器件尺寸的缩小和集成密度的增加,互连引线的横截面越来越小,使得电阻值增高,互连引线占的面积增加,互连引线的时延迟问题成为制约集成电路或集成系统性能的进一步提高的主要因素.低K介质和铜互连技术的应用,可使问题得到一定的缓解,但问题的真正解决,还需要采用新的互连模式,如采用光互连模式,但在集成电路中实现光互连,尚有许多根底的物理和技术问题需要解决.同时,随着集成度的提高,集成在芯片上的晶体管数越来越多,电路系统的散热问题变得日益严重.系统的总功率限制很有可能成为限制芯片集成度的另一个主要因素.传统物理理论的限制这个限制来自两方面:其一是传统微电子学理论的限制.尽管微电子学的理论根底是半导体能带论,但大局部的理论根底还是基于经典物理理论的,如经典的载流子输运模型即漂移-扩散模型.随着器件特征尺寸缩小,量子效应变得显著,这些传统的微电子学理论需要利用量子力学理论对其进行改造.虽然在微观的原子尺度上,量子力学方法已建立起了一套完备的分析计算方法,但由于涉及极大的运算量和存储量,实际很难应用到多电子系统的固态电子学,因此,亟需开展一种全新的方法,这需要微电子学家和物理学家通力合作.其二是,现有物理理论的限制.随着器件尺寸的进一步缩小到纳米尺度,系统中只有少数电子,而电子与电子之间的相互作用很强,这时,传统的平衡统计理论,如玻尔兹曼或费米-狄拉克统计和半导体能带论将面临挑战,需要开展全新的理论,这不管是在微电子学还是在物理学本身都是前沿性研究课题.传统物理理论的限制面对这些物理限制,微电子技术的开展呈现出多维开展的模式.首先是通过克服在材料、技术、物理根底方面遇到的限制,继续按照特征尺寸按比例缩小的途径继续开展,即所谓的“自上而下〞的途径;其二是开展新的纳米技术,如纳米结构的自组装技术等,采用“自下而上〞的途径开展;其三是将全新的纳米低维材料如纳米碳管和纳米硅线等与微电子技术相结合,开发新型的纳米电路;其四是研究新的器件结构如量子器件,开展新的运算逻辑如量子逻辑运算;其五是将微电子技术与其他技术结合,形成新的学科和技术领域,如与机械学光学结合的微机电系统(MEMS),与生物学结合的DNA芯片,与各种信息处理系统结合的系统芯片(SystemonAChip,SOC)技术等.传统物理理论的限制以系统芯片技术为例,它能够将具有对光、声、电、磁、力等各类信息进行信息采集、处理、存储、传输以至随动等功能的电路模块全部集成在一个芯片中.这样的系统芯片可以低本钱、高效率地大批量生产,而且可靠性好、耗能少,因此可以广泛而又方便地应用于国民经济、国防建设、乃至家庭生活的各个方面,大大地提高人们处理信息和应用信息的能力,大大地提高社会信息化的程度.在微电子技术开展的第三个开展阶段,微电子技术开展表现出了新的特征,不仅从一维开展模式向多维开展模式转变,而且对物理学根底理论提出了挑战,同时也对物理学研究提出新的、更高的要求.传统物理理论的限制在微电子技术诞生和开展过程中具有一些里程碑式的创造,如晶体管、集成电路、集成电路平面工艺、MOS器件、微处理器、光刻技术、铜互连工艺的创造等,其中物理学研究和突破起了关键的根底作用在社会需求、物理学研究和技术进步的推动下,微电子技术一直并将继续以特征尺寸缩小、集成度提高的模式,按摩尔定律预测的指数增长率开展微电子与物理学的互动开展微电子技术的开展,不仅为物理学的研究提供了崭新的技术根底,而且为物理学研究展现了更为广阔的空间.但随着器件特征尺寸逐渐缩小并逼近其物理极限,微电子技术的开展将受到来自于材料、工艺和物理根底等方面的挑战,并呈现出多维开展的趋势,这些挑战涉及了微电子学与物理学的共同理论根底需要二者互相锲合,期待新的突破.微电子学的特点微电子学：电子学的一门分支学科微电子学以实现电路和系统的集成为目的，故实用性极强。微电子学中的空间尺度通常是以微米(m,1m＝10－6m)和纳米(nm,1nm=10-9m)为单位的。微电子学是信息领域的重要根底学科微电子的特点微电子学是一门综合性很强的边缘学科涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试与加工、图论、化学等多个学科微电子学是一门开展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学开展的方向微电子学的渗透性极强，它可以是与其他学科结合而诞生出一系列新的交叉学科，例如微机电系统(MEMS)、生物芯片等2000年：以集成电路为根底的电子信息产业成为世界第一大产业硅是地球上除氧以外含量最丰富的元素，但它现在已经成为知识创新的载体，价值千金。这是典型的“点石成金〞采取正确的战略，就可以在集成电路领域就有可能后来居上至少在今后50年，微电子技术仍会高速开展物理学对微电子学开展的奉献物理半导体物理与器件微电子与集成电路半导体器件物理研究什么？

研究半导体器件中电子或空穴的运动规律，如何通过“能带裁剪工程“(构造特定形状的势垒结构)来控制载流子(电子、空穴)的运动，使其载流子的运动行为满足特定的要求，以及在不同器件结构下，研究其不同方面的电性能和光性能。器件的根底结构人类研究半导体器件已经超过125年，迄今大约有60种主要的器件以及100种和主要器件相关的变异器件。但所有这些器件均可由几种根本器件结构所组成。金属-半导体用来做整流接触，欧姆接触；利用整流接触当作栅极〔grid)、利用欧姆接触作漏极(drain)和源极(source)。p-n结是半导体器件的关键根底结构，其理论是半导体器件物理的根底。可以形成p-n-p双极型晶体管，形成p-n-p-n结构的可控硅器件。异质结(HBT)是快速器件和光电器件的关键构成要素。用MOS结构当作栅极，再用两个p-n结分别当作漏极和源极，就可以制作出MOSFET。晶体管的创造1946年1月，Bell实验室正式成立半导体研究小组,W.Schokley，J.Bardeen、W.H.Brattain。Bardeen提出了外表态理论，Schokley给出了实现放大器的根本设想，Brattain设计了实验。1947年12月23日，第一次观测到了具有放大作用的晶体管。集成电路的创造1952年5月，英国科学家G.W.A.Dummer第一次提出了集成电路的设想。1958年以〔德州仪器公司〕TI的科学家基尔比(ClairKilby)为首的研究小组研制出了世界上第一块集成电路，并于1959年公布了该结果。Intel公司德诺宜斯〔RobertNoyce〕同时间创造了IC的单晶制造概念。RobertNoyce(Intel)ClairKilby(TI)其他的重要里程碑布朗(Braun)在1874年发现金属和金属硫化物(如铜铁矿，copperpyrite)接触的阻值和外加电压的大小及方向有关。在1907年，朗德(Round)发现了电致发光效应(即发光二极管，1ight-emittingdiode，LED)，观察到当在碳化硅晶体两端外加10V的电压时，晶体会发出淡黄色的光。1952年伊伯斯(Ebers)为复杂的开关器件—可控硅器件(thyristor)提出了一个根本的模型。以硅p—n结制成的太阳能电池(solarcell)那么在1954年被阕平(Chapin)等人创造。太阳能电池是目前获得太阳能最主要的技术之一，它可以将太阳光直接转换成电能。1957年，克罗马(Kroemer)提出了用异质结双极型晶体管(heterjunctionbipolartransistor，HBT)来改善晶体管的特性，这种器件有可能成为更快的半导体器件。其他的重要里程碑〔续〕1958年江崎(Esaki)那么观察到重掺杂(heavilydoped)的p-n结具有负电阻的特性，此发现促成了隧道二极管(tunneldiode，或穿透二极管)的问世．隧道二极管以及所谓的隧穿现象(tunnelingphenomenon，或穿透现象)对薄膜间的欧姆接触或载流子穿透理论有很大奉献。1960年由姜(Kahng)及亚特拉(Atalla)创造的MOSFET，是先进集成电路最重要的器件。1962年霍尔(HalI)等人第一次用半导体做出了激光(1aser)。1963年克罗马(Kroemer)、阿法罗(Alferov)和卡查雷挪(Kazarinov)发表了异质结构激光(heterostructurelaser)，奠定了现代激光二极管的根底，使激光可以在室温下连续工作。其他的重要里程碑〔续〕1963年冈(Gunn)提出的转移电子二极管(transferred-electrondiode，TED)，又称为冈二极管(Gunndiode)，被广泛应用到侦测系统、远程控制和微波测试仪器。姜士敦(Johnston)等人创造的碰撞电离雪崩渡越时间二极管〔IMPATTdiode〕,是目前可以在毫米波频率下产生最高连续波〔continuouswave,CW〕功率器件。1966年由密德〔Mead〕创造金半场效应晶体管〔MESFET〕，并成为单片微波集成电路monolitlicmicrowaveintegratecircuit,MMIC〕的关键器件。三种重要的微波器件相继被创造制造出来：其他的重要里程碑〔续〕1967年姜(Kahng)和施敏创造了一种非挥发性半导体存储器(nonvolatilesemiconductormemory，NVSM)，可以在电源关掉以后，仍然保持其储存的信息。成为应用于便携式电子系统如、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器。1970年波意尔(Boyle)和史密斯(Smith)创造电荷耦合器件(charge-coupleddevice，CCD)它被大量地用于手提式摄像机(videcamera)和光检测系统上。1974年张立纲等创造了共振式隧道二极管(resonanttunnelingdiode，RTD)，它是大局部量子效应(quantum-effect)器件的根底．量子效应器件因为可以在特定电路功能下，大量地减少器件数量，所以具有超高密集度、超高速及更强的功能．1980年，Minura等人创造了调制掺杂场效应晶体管(modulation-dopedfield-effecttransistor，MODFET)，如果选择适当的异质结材料，这将会是更快速的场效应晶体管。具有里程碑意义的技术〔续〕1971年霍夫(Hoff)等人制造出来第一个微处理器(microprocessor)，将一个简单电脑的中央处理单元(CPU)放在一个芯片上，这就是如图的四位微处理器(Intel4004)，其芯片大小是3mm×4mm，并且包含了2300个MOSFET.它是由p型沟道多晶硅栅极工艺做成，设计标准是8um。这是半导体工业上一个重大的突破。半导体器件物理研究的层次电子设计的抽象层次结构图器件是半导体器件物理的研究对象！集成电路：IntegratedCircuit，缩写IC通过一系列特定的加工工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连，“集成〞在一块半导体单晶片〔如硅或砷化镓〕上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能封装好的集成电路封装形式集成电路集成电路的内部电路VddABOut

硅单晶片与加工好的硅片集成电路设计与制造的主要流程框架设计芯片检测单晶、外延材料掩膜版芯片制造过程封装测试系统需求集成电路的设计过程：

设计创意+仿真验证集成电路芯片设计过程框架From吉利久教授是功能要求行为设计（VHDL）行为仿真综合、优化——网表时序仿真布局布线——版图后仿真否是否否是Singoff—设计业—半导体芯片制造的关键步骤硅片制造工艺流程，光刻为核心产业格局与产业结构集成电路的生命力在于它可以大批量、低本钱和高可靠地生产出来。集成电路芯片价格：101~102美元生产线的投资：109美元〔8〞、0.25微米〕要想赢利：年产量~108集成电路芯片是整机高附加值的倍增器，但不是最终产品，如果不能在整机和系统中应用，那它就没有价值和高附加值决定集成电路产业的建设必须首先考虑整机和系统应用的开展，即市场的需求集成电路芯片生产厂大致上可分为三类通用电路生产厂，典型——生产存储器和CPU集成器件制造商(IDM—IntegratedDeviceManufactoryCo.),产品主要用于自己的整机和系统标准工艺加工厂或称代客加工厂，即FoundryFoundry名词来源于加工厂的铸造车间，无自己产品优良的加工技术(包括设计和制造)及优质的效劳为客户提供加工效劳客户群初期多为没有生产线的设计公司，但是随着技术的开展，现在许多IDM公司也将相当多的业务交给Foundry加工集成电路设计滞后现象0.010.11101980198519901995200020052021微米芯片复杂度栅长58%/年20%/人年设计产率差距增大10G1G100M10M1M100K10K1K集成电路设计能力增长不能跟上芯片复杂度的增长速率Foundry功能要求行为级多工艺模块p、DSP、E2PROM&Flash、A/D、D/AWafer级封装后成品级逻辑级幅员级MASK研究开发支持Foundry建设Foundry的建设必须采用系统工程的方法根本特征：随技术进步，建厂费用呈指数增加，这时必然出现两种趋向：各相关公司联合建厂IBM、Infineon与UMC的联合将更多业务交给Foundry，降低本钱Motorola已经表示到2001年，有50%以上的产能需从外部提供日本Kawasaki公司取消他们方案建设的0.18m的工厂，代之以与Foundry的合作2000年Foundry业务地区分布（SemicoResearchCorp.,2-2000,counrtesyofAmkorWaferFabricationServices）Foundry类加工芯片数量占世界集成电路芯片总产量的比例（资料来源：Dataquest）因此美国著名的预测与咨询公司Dataguest：

未来属于Foundry著名代工企业台积电〔TSMC〕：如ATI和nVIDIA公司设计的图形处理芯片，或者VIA，SIS，ALI设计的主板南北桥芯片组根本都是由TSMC和UMC这两家公司负责生产。TSMC是由台湾“半导体教父〞张忠谋先生创立。台联电〔UMC〕：1980年，岛内第一家集成电路公司。在曹兴诚的带着下，如今联电已成为仅次于台积电的台湾第二大半导体企业，同时也是世界上第二大专业芯片代工厂。中芯国际〔SMIC〕：中芯国际成立于2000年，公司总部位于中国上海，拥有三座芯片代工厂，包括一座后段铜制程代工厂。技术能力包括逻辑电路、混合信号/射频电路、高压电路、系统级芯片、嵌入式及其他存储器,硅基液晶和影像感测器等。上海宏力(GSMC)：宏力于2000年11月18日奠基，一期工程总投资为16.3亿美元，目前已建成两座12吋规格的厂房，其中一厂A线(8吋线)已投入生产，2004年下半年月生产能力达27,000片八吋硅片，技术水平将达0.13微米。和舰科技〔HJTC〕:和舰于2001年11月斥资15亿美元建立，坐落于风景优美、驰名中外的“人间天堂〞---苏州工业园区，占地1.3平方公里，是一家具有雄厚外资，制造尖端集成电路的一流晶圆专工企业。64MSDRAM〔华虹NEC生产〕芯片面积5.89×9.7=57mm2，456pcs/w，1个IC中含有1.34亿只晶体管集成电路的内部单元沟道长度为0.15微米的晶体管

栅长为90纳米的栅图形照片

50m100m头发丝粗细

30m1m1m(晶体管的大小)30~50m(皮肤细胞的大小)90年代生产的集成电路中晶体管大小与人类头发丝粗细、皮肤细胞大小的比较半导体工业的核心是什么？从上图中可以得知：电子工业和半导体工业已经超过传统的钢铁工业、汽车工业，成为21世纪的高附加值、高科技的产业。电子工业的高速开展依赖于半导体工业的快速提高，而在半导体工业中其核心是集成电路〔电集成、光集成、光电集成〕，集成电路在性能、集成度、速度等方面的快速开展是以半导体物理、半导体器件、半导体制造工艺的开展为根底的。核心是：集成电路【IntegratedCircuit：IC】通过一系列特定的平面制造工艺，将晶体管、二极管等有源器件和电阻、电容等无源器件，按照一定的电路互连关系，“集成〞在一块半导体单晶片上，并封装在一个保护外壳内，能执行特定的功能复杂电子系统。

半导体器件物理为其提供了根底知识，是半导体工业的开展平台。集成电路分类集成电路的分类器件结构类型集成电路规模使用的基片材料电路形式应用领域按结构形式的分类单片集成电路：它是指电路中所有的元器件都制作在同一块半导体基片上的集成电路在半导体集成电路中最常用的半导体材料是硅，除此之外还有GaAs等混合集成电路：厚膜集成电路薄膜集成电路集成电路的分类－按器件结构类型分类双极集成电路：主要由双极晶体管构成

NPN型双极集成电路

PNP型双极集成电路优点是速度高、驱动能力强，缺点是功耗较大、集成度较低。金属-氧化物-半导体(MOS)集成电路：主要由MOS晶体管构成

NMOSPMOSCMOS(互补MOS)

功耗低、集成度高，随着特征尺寸的缩小，速度也可以很高。双极-MOS(BiMOS)集成电路：同时包括双极和MOS晶体管的集成电路为BiMOS集成电路，综合了双极和MOS器件两者的优点，但制作工艺复杂。按集成电路规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目。小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI〕按电路功能分类数字集成电路(DigitalIC)：它是指处理数字信号的集成电路，即采用二进制方式进行数字计算和逻辑函数运算的一类集成电路。模拟集成电路(AnalogIC)：它是指处理模拟信号(连续变化的信号)的集成电