现代集成电路技术的发展历程

现代集成电路技术的发展历程

1现代信息素—引言微电子学是研究固体材料（主要是半透明）组成的微电子电路、子系统和系统的科学分支。这是研究电子或离子材料在固体材料中的运动和应用的领域，并利用该来学习数据处理功能。而现代微电子技术为微电子学在现代技术中的应用,它是以电子学、物理学、化学、机械加工等一系列领域的高科技成果为基础而发展起来的,反过来又为电子学、物理学、化学、机械加工等一系列领域服务的高新技术。现代微电子技术的特征是使电子器件微小型化,其核心是集成电路(IC)和系统集成(SOC:Systemonchip)。2电子信息技术的发展现状现代微电子技术的发展至今为止印证了“摩尔定律”的描述,即单个芯片上的器件数每18个月增长1倍,DRAM储存量每3年提高到原来的4倍,其发展历程如下。英国科学家JohnFleming于1904年发明了二极管,其后即用于电子整流;美国的LeeDeForest于1906年发明了三极管并申请了专利;第一个晶体管于1947年在贝尔实验室诞生,比较于电子管,晶体管有体积小、能耗低、寿命长和更可靠等优点;而实用的晶体管于1954年开发成功,并首先应用在电子开关系统中。在电路和集成方面,于1952年,英国科学家达默提出能否将晶体管等元件不通过连线直接集成在一起而构成有特定功能的电路。1959年,德州仪器公司宣布研制成功集成电路。同年,美国著名的仙童子公司将一整套制造微型晶体管的“平面工艺”移到集成电路的制作中,很快集成电路由实验室实验阶段转到工业生产阶段。1962年MOS场效应管试制成功,1964年成功制出PMOS集成电路。比较于分立元件的电路,集成电路的体积重量大大减小,同时,功耗小、更可靠,更适合于大量生产。随着集成电路集成度的不断提高,起源于19世纪末的微电子技术,在20世纪得到迅速发展。至今集成电路的集成度已提高了500万倍,特征尺寸缩小了200倍,单个器件成本下降了100万倍,单片集成度达到数亿个晶体管。现阶段,我国的微电子集成电路芯片制造主流技术为0.18微米、最先进水平为90纳米;而特征尺寸的研究水平则如图1所示,特征尺寸研究总体水平落后一、二年,并预计到2010年在技术上基本与世界同步。在微电子理论方面,二十世纪二十年代理论物理学家建立了量子物理,1928年普郎克应用量子力学的提出,这些为飞速发展的微电子技术的发展提供了理论基础。微电子技术在现代社会的发展中具有重要的地位,集成电路和软件是信息社会经济发展的基石和核心,而微电子技术作为高新技术的重要组成部分,是电子信息技术的核心和基础。同经济发展密不可分,深入到人们生活的每个角落。在国防安全方面也扮演着不可替代的重要角色,一定程度上代表着国家的科技、工业和教育的水平。如果说,现代经济起飞的发动机是计算机,那么其燃料就是凝结微电子技术而高度发展的集成电路。3器件、器件与系统微电子作为随着集成电路,尤其是超大规模集成电路发展而发展起来的一门新的技术,它主要包括材料制备、器件物理、系统电路设计、工艺技术、自动测试以及封装、组装等一系列专门技术,概括地说包括材料,器件和系统几方面。3.1分析方法及微结构特性材料是微电子发展的基础,它决定了器件和系统开发的前途和极限,故先进材料的研制一直是研究开发的重点。微电子领域新的材料除了开发低K介质材料、高K介质材料外,新的化合物和半导体材料的开发更是其重心之所在。半个多世纪以来,硅以独特的物理性质和自然界中丰富的含量而在大规模集成电路生产中一直占主导地位,成为第一代半导体,为信息科学的发展作出了巨大贡献。由于上述特点和多年来形成的硅基工艺的强大产业能力,相关人士预计至少在21世纪上半叶微电子技术仍然以硅技术为主流。GaAs为代表的第二代半导体,它是直接带隙材料,具有电子饱和漂移速度高(比硅快6-8倍)、功耗低、耐高温,抗辐照的优点,虽然GaAs材料的机械强度比硅小,但也足够满足MEMS方面的应用开发,故它在超高速、微波、毫米领域也得到较快的发展。1970年,美国IBM公司的江崎和朱兆祥首次在GaAs半导体上做出了超晶格结构。此后,半导体超晶格的研制工作得到了迅速的发展,为半导体器件的研制开辟了一条崭新的道路,。GaN为第三代半导体的代表,室温时GaN材料电子有效质量是GaAs的三倍多,电子迁移率比GaAs小得多,但是GaN的禁带宽度比GaAs宽,电子饱和速度和尖峰速度均比GaAs大,同时GaN的击穿电场比GaAs的大一个数量级,还有热导率高等特点,故在高频和高温器件的研制方面倍受到青睐。这些特性也决定GaN材料适合在微波功率器件中作沟道材料,广泛应用于光电子和微电子器件领域。在其制备方面,由于GaN大尺寸体单晶生长极为困难,现在所有成熟的器件都是以蓝宝石或SiC异质衬底为基础的,因为Si成熟的技术和便宜的价格,Si衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统器件工艺的集成,因而具有很高的研究价值。其它几种新的化合物半导体材料主要有硅锗(SiGe)、碳化硅(SiC)、氮化铝(AIN)和铟磷化物(InP)等,现分述如下。新的硅锗(SiGe)技术,是硅技术上发展起来的,制备工艺与硅工艺兼容;同时,兼有锗器件的高速性能,是一种很有前景的微电子材料,在SiGe合金中,电子迁移率几乎是纯硅的2倍。在源/漏极区采用选择性SiGe可以显著提高(可达2%)MOSFET器件的驱动电流,硅锗技术的频率范围为2MHz.,SiGe异质结异质结器件在高频、高温、大功率方而具有很好的应用前景己引起广泛重视,成为研究热点。碳化硅(SiC)具有宽禁带(3.25eV,比较于Si的1.12eV,GaAs的1.42eV)、高击穿电压、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点。这些特点分别决定了其器件能在相当高的温度下工作、高压和大功率性能、集成度高、器件的高频高速工作性能。目前,500℃下正常工作和击穿电压高达880V的碳化硅场效应晶体管已经研制成功。此外,SiC相比于其它宽禁带半导体材料的还有一大优势就是它可以通过热氧化的方法生成SiO2。氮化铝(AIN)具有宽禁带、高击穿电压、抗辐射性能好等特点;绝缘体上硅(SOI)具有无闩锁、高速、低耗、抗辐射的优点;超高速铟磷化物(InP)或异质节双极型晶体管是一种很有竟争性的技术,能够将射频(RF)和数字功能集成在一个芯片中,其运行速度比硅锗芯片更快,且功耗更低。但目前磷化铟集成度只能达到几千个晶体管,运算时钟频率比分立晶体管截止频率下降了近一个数量级。这些新的材料开发和应用是决定微电子发展的最终物质基础,备受国内外政府和科研人士的高度重视。3.2新工艺和薄膜生长技术的应用集成电路内晶体管的尺寸和线宽不断减小,其基本方法是改进光刻技术,不遗余力地缩短光刻波长和增大透镜的数值孔径,先后有深紫外线光刻技术(DUV),如荷兰ASML公司在试验采用193nm深紫外(DUV)光源加上沉浸透镜技术,应用极限可以达到32nm,有望突破目前遇到的光刻障碍,而超紫外线光刻技术(13nmEUV光源技术)期待能使线宽小于20nm,这些技术可延伸到满足2012年50nm器件的光刻要求,但其价格极高,需强大的资金的支持。沉浸光刻技术(Immersionlithography),即在原光刻设施的透镜与晶圆之间注满水,从而大大提高了透镜的分辨率和得到更高的数值孔径。它对157nmHeF、极紫外光(EUV)和其它下一代光刻将是一个重大的挑战。用于微电子开发的新工艺除了现在工业界看好的EUV外,正在开发研究的新工艺较多,如波长更短的X射线、电子束、离子束投影、微型电子束阵列;还有方兴未艾的纳米技术等。如利用纳米技术设计和建造纳米级的导线、晶体管和其他电子线路、单电子装置等等,当然这些都最终会受到物理法则的限制,。此外,用于微电子制造的现代薄膜生长技术也得到快速的发展。其主要有液相外延(LPE),金属有机化学汽相淀积(MOCVD)和分子束外延(MBE)等。微电子先进工艺的发展极大地提高芯片的集成度,从而得到了不断提高系统性价比的目标。现今使用的硅圆晶片在集成电路设计中制作的最小线宽为0.13μm,一些IC生产公司在研制0.1μm到0.07μm的微处理器。如2001年美国国防先进计划局一个微电子项目演示了临界尺寸在20nm以下并具有优良晶体管特性的器件。此外,为了更高的集成度,在传统二维微电子学的硅平面芯片上向第三维Z轴的扩展实现三维立体IC正在快速发展,并向多维集成发展。工艺的进步使微电子特征尺寸缩小,缩小的晶体管尺寸还带来了处理速度和频率相应的快速增加,故比集成度更为引入注目的是它的皮秒级(10-12秒)开关速度,以及相应的THz(1012Hz)的带宽能力。在制备工艺上,日本科学家率先在实验室里研制成功了单电子晶体管(SET),该晶体管中使用的硅和二氧化钛材料的结构尺寸都达到了lOnm左右的尺度;美国贝尔实验室利用有机分子硫醇的自组装技术制备出直径为1-2nm的单层的场效应晶体管。SOC是指一种高度整合的组件,属于系统层次的整合芯片,它能完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能,它已经成为目前集成电路的主流。故SOC是制备工艺的最后着眼点。4碳纳米管和cnt集成电路内晶体管的尺寸和线宽不断减小,然而这种缩小趋势不可能长久持续,这是因为物理和技术的限制。如当晶体管的尺寸小到一定程度时不得不考虑电子的量子效应、磁场效应和热效应,从这一点来看,100nm的线宽已经接近物理极限了。在制造晶体管的材料上,现有的技术也遇到问题。拿现今主流材料硅材料来说,它一直是作为晶体管的栅介质和电容介质,但随着尺寸的减小和集成度的增加,则硅材料的厚度小到一定程度时,它又面临着被电击穿的矛盾局面。正因为以硅CMOS开关为基础的传统微电子发展正在接近一个严重关隘,对纳米尺度下新的量子现象和效应的研究成为国际上近年来的研究热点,新型纳电子器件得以迅速发展。碳纳米管(Canbonnamotube:CNT)是其中的一员,它(CNT)是人工合成的天然纳米线,由于是一维输运,所以它的电子迁移率比体硅高很多,特别是可能实现弹道输运。另外由于CNT具有非常高的击穿电场(最高可达108V/cm),所以CNT中的电子漂移速度可以远远超过硅反型层中的电子,故被业界一直认为最有可能成为硅材料的未来最终继承者。因为它既可承担导线的功能,又可承担半导体(即晶体管开关)的功能,但其技术走向市场还有待成熟。如IBM公司于2002年宣布开发出性能优异的碳纳米晶体管,但同时宣称从硅