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微電子技術(shù)發(fā)展面臨的限制及發(fā)展前景論文
微電子技術(shù)作為電子信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，對(duì)各生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛而深遠(yuǎn)的影響。在微電子技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，隨著微小型化進(jìn)一步發(fā)展，摩爾定律目前面臨極大挑戰(zhàn)。文章介紹了微電子技術(shù)的發(fā)展及面臨的限制與挑戰(zhàn)，同時(shí)還介紹了微電子技術(shù)發(fā)展前景。
一、微電子技術(shù)的含義及影響
當(dāng)今社會(huì)科技發(fā)展日新月異，其中影響最大、滲透性最強(qiáng)、最具代表性的乃是以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)。微電子技術(shù)作為電子信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和心臟，對(duì)航天航空技術(shù)、遙測(cè)傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及家用電器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生直接而深遠(yuǎn)的影響。微電子技術(shù)主要包括三大內(nèi)容：一是微電子材料制造。它包括各種半導(dǎo)體基材的制造，最主要的是硅晶片的生產(chǎn)制造;二是微電子制造技術(shù)。主要的是集成電路芯片的制造技術(shù)。它包含了薄膜工藝、圖形技術(shù)、摻雜工藝及熱處理技術(shù);三是微電子封裝及裝聯(lián)技術(shù)。主要包括IC芯片的封裝和表面組裝技術(shù)。如今，微電子技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。
二、微電子技術(shù)發(fā)展面臨的限制
微電子制造技術(shù)，主要的是集成電路芯片的制造技術(shù)。它是微電子技術(shù)的核心，其發(fā)展推動(dòng)著信息革命的進(jìn)程。隨著微電子制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，制備高純度的單晶硅片，即晶(圓)片的尺寸愈來(lái)愈大，從最初的2英寸，到現(xiàn)在硅晶片直徑已達(dá)12英寸(300mm)，有報(bào)道現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)14英寸(350mm)的圓晶，半導(dǎo)體材料生產(chǎn)取得了非凡的成就，為IC芯片的制造提供了基材。制造技術(shù)方面，單個(gè)芯片上可集成5億個(gè)元件，這使得今天的微電子技術(shù)已超越了大規(guī)模、超大規(guī)模、特大規(guī)模集成時(shí)代。但按照Intel 公司創(chuàng)始人之一的Gordon E. Moore 1965年預(yù)言的摩爾定律：芯片集成度以每18個(gè)月翻一番這一速度發(fā)展。從1958年第一塊半導(dǎo)體集成電路誕生到現(xiàn)在，硅芯片制造工業(yè)在微型化方面已面臨極限挑戰(zhàn)。這個(gè)極限可從理論極限和實(shí)際限制兩個(gè)層面上看，具體可歸納成基本物理規(guī)律、材料物理屬性的限制、器件電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真、制造工藝技術(shù)和設(shè)備的限制、電路與系統(tǒng)等五個(gè)方面。
(一)基本物理規(guī)律的限制
硅基CMOS是今天微電子技術(shù)的基礎(chǔ)。而IC性能的提高主要是通過(guò)對(duì)器件尺度以及電源電壓進(jìn)行合理的縮小(scaling down)實(shí)現(xiàn)的。但是這一縮小不是無(wú)限的，隨著器件溝道長(zhǎng)度、氧化層厚度，以及電源電壓的縮小，諸如短溝道效應(yīng)(SCE)、漏感應(yīng)勢(shì)壘降低效應(yīng)(DIBL)、穿通效應(yīng)(Punch-Through)以及熱載流子效應(yīng)(HCE)、量子隧道穿透等“次級(jí)”效應(yīng)將會(huì)越來(lái)越難以克服。由于DIBL、量子隧道穿透等效應(yīng)的增強(qiáng)將增大晶體管的漏電流，進(jìn)而增加器件的靜態(tài)功耗。當(dāng)靜態(tài)功耗在總功耗中達(dá)到一定比例，并且器件的輸出電導(dǎo)大于其跨導(dǎo)時(shí)，晶體管的縮小就達(dá)到了極限。換言之，微電子學(xué)的理論基礎(chǔ)是電磁學(xué)、量子力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)。在集成電路中，是通過(guò)控制載流子在媒體中的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸、存儲(chǔ)及處理，載流子在固體中的運(yùn)動(dòng)要遵循一系列的基本物理規(guī)律，而隨著芯片的微小型化，熱效應(yīng)、電效應(yīng)等造成的不良影響，目前的技術(shù)還無(wú)法克服這些違反規(guī)律的現(xiàn)象，這就制約了微電子技術(shù)的發(fā)展。
(二)材料方面的限制
目前微電子技術(shù)所采用的材料主要是硅材料(包括單晶硅和多晶硅)，決定材料性質(zhì)的參數(shù)主要有：介電常數(shù)ε、載流子的遷移率μ、載流子的飽和速度vs、擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度Ec、熱導(dǎo)系數(shù)K等。這些性質(zhì)共同決定了微電子技術(shù)在IC高度集成時(shí)受到極大的限制，制約了微型化的進(jìn)一步發(fā)展。
(三)工藝技術(shù)方面的限制
微電子工藝技術(shù)主要包括微細(xì)線條的加工、高質(zhì)量薄膜淀積和離子注入的控制，其中光刻技術(shù)是核心技術(shù)。其工藝方面的挑戰(zhàn)主要是光刻設(shè)備。1978年時(shí)，人們認(rèn)為光學(xué)光刻的極限是1微米。到現(xiàn)在雖已推進(jìn)到0.05微米，但光刻技術(shù)受到來(lái)自于設(shè)備的分辨率(R)和焦深(DOF)的限制，每往前邁進(jìn)一步都十分困難。雖然摩爾博士在2000年說(shuō)：“摩爾定律10年不會(huì)變”, 但現(xiàn)在進(jìn)一步的微小型化仍受到限制。摩爾定律正面臨挑戰(zhàn)。
(四)半導(dǎo)體器件“極限”的挑戰(zhàn)
半導(dǎo)體器件面臨的限制主要體現(xiàn)為以下四方面：1.超薄柵氧化層的限制;2.溝道雜質(zhì)的漲落;3.硅片中強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)的限制;4.半導(dǎo)體器件的模擬與模型問(wèn)題。微電子技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真需要對(duì)工藝模擬、器件模擬和電路模擬等幾個(gè)部分進(jìn)行綜合考慮，這需要清晰的物理概念及模型，需要數(shù)學(xué)計(jì)算和軟件工程方面的支持，但這些方面仍面臨挑戰(zhàn)。
(五)電路與系統(tǒng)方面的限制
1.互連引線問(wèn)題。 隨著器件尺寸的縮小和集成密度的增加，互連引線的橫截面越來(lái)越小使得電阻值增高，互連引線的延遲時(shí)間增大。尺寸的縮小使晶體管的工作頻率得到了提高，但互連引線的延遲并沒(méi)有因尺寸的縮小而得到改善，反而成為更加突出的問(wèn)題。因此，如何在IC電路設(shè)計(jì)中考慮引線的優(yōu)化、解決亞微米金屬鋁連線的電遷移問(wèn)題，就成了制約微電子技術(shù)發(fā)展的因素。
2.可靠性問(wèn)題。微細(xì)加工的特征，尺寸的縮小尤其是柵氧化層的變薄，導(dǎo)致器件的可靠性和亞微米器件的壽命問(wèn)題突顯。但可靠性問(wèn)題包含了大量物理和熱力學(xué)機(jī)理及制造工藝方面的技術(shù)需要克服，這也成為制約微電子技術(shù)發(fā)展的因素。
3.散熱問(wèn)題。散熱主要受到封裝技術(shù)的限制。在集成度不斷提高，集成功能越趨復(fù)雜的情況下，在電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須仔細(xì)考慮電路的總功耗與芯片散熱能力之間的關(guān)系。總功率的限制成為限制芯片集成度的一個(gè)主要因素。
三、微電子技術(shù)的發(fā)展前景
鑒于上述微電子技術(shù)發(fā)展中遇到的限制，我們必須尋找新的途徑，謀求解決的辦法。現(xiàn)在人們已經(jīng)在遵循基本物理規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)與其他學(xué)科相結(jié)合，取得了可喜的成績(jī)。目前人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出如下的一些產(chǎn)品，這些產(chǎn)品有望幫助微電子技術(shù)的發(fā)展突破極限，進(jìn)一步繼續(xù)維持摩爾定律。
(一)生物芯片技術(shù)
微電子技術(shù)與生物技術(shù)緊密結(jié)合，產(chǎn)生生物芯片。早在上世紀(jì)90年代初，美國(guó)就開(kāi)始著力于脫氧核糖核酸(DNA)基因芯片的研究和生產(chǎn)。所謂“生物芯片”，是指類似于計(jì)算機(jī)芯片的裝置，它在幾秒鐘的時(shí)間里，可以進(jìn)行數(shù)以千次計(jì)的生物反應(yīng)，如基因解碼等。目前正在研究利用有機(jī)高分子導(dǎo)電材料作生物芯片技術(shù)，可以制造生物計(jì)算機(jī)，其容量將達(dá)到現(xiàn)在電子計(jì)算機(jī)的10億倍。DNA是微電子技術(shù)與生命科學(xué)結(jié)合的創(chuàng)新領(lǐng)域，基因鑒定是其重要的應(yīng)用，在農(nóng)業(yè)、綜合工業(yè)的研究和生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用前景。
(二)塑料半導(dǎo)體技術(shù)
化學(xué)領(lǐng)域中有機(jī)化學(xué)的發(fā)展與半導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，近年來(lái)發(fā)展了一個(gè)塑料半導(dǎo)體技術(shù)分支。與硅元素半導(dǎo)體制作晶體管截然不同，這是用塑料制作晶體管，稱為塑料晶體管，又稱為有機(jī)薄膜晶體管(OTFT)，這是晶體管制作的一種新途徑。OTFT則可運(yùn)用精密的噴墨或橡皮圖章式的印刷技術(shù)，在短短幾分鐘內(nèi)制作完成。塑料半導(dǎo)體可用于各式各樣的新產(chǎn)品。如拋棄式的射頻標(biāo)簽、應(yīng)用于電子書(shū)的數(shù)字紙張的電子驅(qū)動(dòng)裝置，以及手機(jī)、膝上計(jì)算機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理(PDA)面板等。
(三)碳納米管
隨著IC的線寬越來(lái)越小，納米科技的時(shí)代終于宣告來(lái)臨。為克服越來(lái)越困難的半導(dǎo)體Si工藝技術(shù)，科學(xué)家們開(kāi)始從材料方面下手，試圖尋找到能代替Si的材料，以解決線寬縮小所帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題。1993年美國(guó)IBM公司發(fā)現(xiàn)單層碳納米管(Single Walled Carbon Nanotubes--SWNT)后，即積極探索將碳納米管應(yīng)用于電子學(xué)上，2001年成功地利用碳納米管制成晶體管，這又是半導(dǎo)體技術(shù)的一大突破。碳納米管可應(yīng)用于微電子組件、平面顯示器、無(wú)線通信、燃料電池及鋰離子電池等。最近IBM公司利用碳納米管做出電壓反向器，即非門(NOT Gate)。這是世界上第一個(gè)分子內(nèi)邏輯電路。大家知道，計(jì)算機(jī)核心處理器基本上是由非門、與門(AND Gate)及或門(OR Gate)三種邏輯組件構(gòu)成的復(fù)雜電路。在這種新納米管電路中，輸出信號(hào)比輸入的更強(qiáng)，表明有增益。如果碳納米管的放大作用能達(dá)到現(xiàn)今Si晶體管那樣大時(shí)，它將擁有與Si一樣的功能。由此推論，當(dāng)Si無(wú)法再變得更小時(shí)，比Si還小的碳納米管可繼續(xù)維持摩爾定律，從而推動(dòng)微電子技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展。除此之外，還有一些新材料以及用新材料制作的新器件，限于篇幅未能作介紹，懇請(qǐng)讀者見(jiàn)諒。
任何科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都會(huì)不可避免地遇到障礙和阻力，在微電子技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中也存在許多的挑戰(zhàn)和“限制”。這些限制并不是不可逾越的鴻溝，通過(guò)對(duì)CMOS器件物理研究的不斷深入、工藝技術(shù)的革新以及新材料的開(kāi)發(fā)，將微電子技術(shù)與其他學(xué)科相結(jié)合，將有可能“突破現(xiàn)在提出的極限”，實(shí)現(xiàn)持續(xù)性的飛速發(fā)展。
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