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1、1 引言综观人类社会发展的文明史，一切生产方式和生活方式的重大变革都是由于新的科学发现和新技术的产生而引发的，科学技术作为革命的力量，推动着人类社会向前发展。从50 多年前晶体管的发明到目前微电子技术成为整个信息社会的基础和核心的发展历史充分证明了“科学技术是第一生产力 ”。信息是客观事物状态和运动特征的一种普遍形式，与材料和能源一起是人类社会的重要资源，但对它的利用却仅仅是开始。当前面临的信息革命以数字化和网络化作为特征。数字化大大改善了人们对信息的利用，更好地满足了人们对信息的需求；而网络化则使人们更为方便地交换信息，使整个地球成为一个“地球村” 。以数字化和网络化为特征的信息技术同一般技
2、术不同，它具有极强的渗透性和基础性，它可以渗透和改造各种产业和行业，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。而它的基础之一就是微电子技术。可以毫不夸张地说，没有微电子技术的进步，就不可能有今天信息技术的蓬勃发展，微电子已经成为整个信息社会发展的基石。50 多年来微电子技术的发展历史，实际上就是不断创新的过程，这里指的创新包括原始创新、技术创新和应用创新等。晶体管的发明并不是一个孤立的精心设计的实验，而是一系列固体物理、半导体物理、材料科学等取得重大突破后的必然结果。1947 年发明点接触型晶体管、1948 年发明结型场效应晶体管以及以后的硅平面工艺、集成电路、C
3、MOS 技术、半导体随机存储器、CPU、非挥发存储器等微电子领域的重大发明也都是一系列创新成果的体现。同时，每一项重大发明又都开拓出一个新的领域，带来了新的巨大市场，对我们的生产、生活方式产生了重大的影响。也正是由于微电子技术领域的不断创新，才能使微电子能够以每三年集成度翻两番、特征尺寸缩小倍的速度持续发展几十年。自 1968 年开始，与硅技术有关的学术论文数量已经超过了与钢铁有关的学术论文，所以有人认为，1968 年以后人类进入了继石器、青铜器、铁器时代之后硅石时代（silicon age）1。因此可以说社会发展的本质是创新，没有创新，社会就只能被囚禁在“超稳态” 陷阱之中。虽然创新作为经济
4、发展的改革动力往往会给社会带来“创造性的破坏” ，但经过这种破坏后，又将开始一个新的处于更高层次的创新循环，社会就是以这样螺旋形上升的方式向前发展。在微电子技术发展的前 50 年，创新起到了决定性的作用，而今后微电子技术的发展仍将依赖于一系列创新性成果的出现。我们认为：目前微电子技术已经发展到了一个很关键的时期，21 世纪上半叶，也就是今后 50 年微电子技术的发展趋势和主要的创新领域主要有以下四个方面：以硅基 CMOS 电路为主流工艺；系统芯片（System On A Chip，SOC）为发展重点；量子电子器件和以分子（原子）自组装技术为基础的纳米电子学；与其他学科的结合诞生新的技术增长点，
5、如 MEMS，DNA Chip 等。2 21 世纪上半叶仍将以硅基 CMOS 电路为主流工艺微电子技术发展的目标是不断提高集成系统的性能及性能价格比，因此便要求提高芯片的集成度，这是不断缩小半导体器件特征尺寸的动力源泉。以 MOS 技术为例，沟道长度缩小可以提高集成电路的速度；同时缩小沟道长度和宽度还可减小器件尺寸，提高集成度，从而在芯片上集成更多数目的晶体管，将结构更加复杂、性能更加完善的电子系统集成在一个芯片上；此外，随着集成度的提高，系统的速度和可靠性也大大提高，价格大幅度下降。由于片内信号的延迟总小于芯片间的信号延迟，这样在器件尺寸缩小后，即使器件本身的性能没有提高，整个集成系统的性能
6、也可以得到很大的提高。自 1958 年集成电路发明以来，为了提高电子系统的性能，降低成本，微电子器件的特征尺寸不断缩小，加工精度不断提高，同时硅片的面积不断增大。集成电路芯片的发展基本上遵循了 Intel 公司创始人之一的 Gordon EMoore 1965 年预言的摩尔定律，即每隔三年集成度增加 4 倍，特征尺寸缩小倍。在这期间，虽然有很多人预测这种发展趋势将减缓，但是微电子产业三十多年来发展的状况证实了 Moore 的预言2。而且根据我们的预测，微电子技术的这种发展趋势还将在 21 世纪继续一段时期，这是其它任何产业都无法与之比拟的。现在，018 微米 CMOS 工艺技术已成为微电子产业
7、的主流技术， 0035 微米乃至0020 微米的器件已在实验室中制备成功，研究工作已进入亚 01 微米技术阶段，相应的栅氧化层厚度只有 20 1 0nm。预计到 2010 年，特征尺寸为 005007 微米的64GDRAM 产品将投入批量生产。21 世纪，起码是 21 世纪上半叶, 微电子生产技术仍将以尺寸不断缩小的硅基 CMOS工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大进展；但还不具备替代硅基工艺的条件。根据科学技术的发展规律，一种新技术从诞生到成为主流技术一般需要 20 到 30 年的时间，硅集成电路技术自 1947 年发明晶体管 1958 年发明集成电路,到 6
8、0 年代末发展成为大产业也经历了 20 多年的时间。另外，全世界数以万亿美元计的设备和技术投入，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力；同时，长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、十分透彻的地步，成为自然界 100 多种元素之最，这是非常宝贵的知识积累。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在 50年内仍起重要作用，人们不会轻易放弃。目前很多人认为当微电子技术的特征尺寸在 2015 年达到 00300015 微米的“极限”之后，将是硅技术时代的结束，这实际上是一种误解。且不说微电子技术除了以特征尺寸为代表的加工工艺技术之外，还有设计技术、系统结构等方面需要进一步的大力发展
9、，这些技术的发展必将使微电子产业继续高速增长。即使是加工工艺技术，很多著名的微电子学家也预测，微电子产业将于 2030 年左右步入像汽车工业、航空工业这样的比较成熟的朝阳工业领域。即使微电子产业步入汽车、航空等成熟工业领域，它仍将保持快速发展趋势，就像汽车、航空工业已经发展了 50 多年仍极具发展潜力一样。随着器件的特征尺寸越来越小，不可避免地会到器件结构、关键工艺、集成技术以及材料等方面的一系列问题，究其原因，主要是：对其中的物理规律等科学问题的认识还停留在集成电路诞生和发展初期所形成的经典或半经典理论基础上，这些理论适合于描述微米量级的微电子器件，但对空间尺度为纳米量级、空间尺度为飞秒量级
10、的系统芯片中的新器件则难以适用；在材料体系上，SiO2 栅介质材料、多晶硅硅化物栅电极等传统材料由于受到材料特性的制约，已无法满足亚 50 纳米器件及电路的需求；同时传统器件结构也已无法满足亚 50 纳米器件的要求，必须发展新型的器件结构和微细加工、互连、集成等关键工艺技术。具体的需要创新和重点发展的领域包括：基于介观和量子物理基础的半导体器件的输运理论、器件模型、模拟和仿真软件，新型器件结构，高 k 栅介质材料和新型栅结构，电子束步进光刻、13nmEUV 光刻、超细线条刻蚀，SOI 、GeSiSi 等与硅基工艺兼容的新型电路，低 K 介质和 Cu 互连以及量子器件和纳米电子器件的制备和集成技
11、术等。3 量子电子器件（QED）和以分子原子自组装技术为基础的纳米电子学将带来崭新的领域在上节我们谈到的以尺寸不断缩小的硅基 CMOS 工艺技术，可称之为“scaling down”，与此同时我们必须注意“bottom up”。 “bottom up”最重要的领域有二个方面：(1)量子电子器件（QED Quantum Electron Device）这里包括单电子器件和单电子存储器等。它的基本原理是基于库仑阻塞机理控制一个或几个电子运动，由于系统能量的改变和库仑作用，一个电子进入到一个势阱，则将阻止其它电子的进入。在单电子存储器中量子阱替代了通常存储器中的浮栅。它的主要优点是集成度高；由于只有
12、一个或几个电子活动所以功耗极低；由于相对小的电容和电阻以及短的隧道穿透时间，所以速度很快；且可用于多值逻辑和超高频振荡。但它的问题是制造比较困难，特别是制造大量的一致性器件很困难；对环境高度敏感，可靠性难以保证；在室温工作时要求电容极小（F） ，要求量子点大小在几个纳米。这些都为集成成电路带来了很大困难。因此，目前可以认为它们的理论是清楚的，工艺有待于探索和突破。(2)以原子分子自组装技术为基础的纳米电子学。这里包括量子点阵列（QCA Quantumdot Cellular Automata)和以碳纳米管为基础的原子分子器件等。量子点阵列由量子点组成，至少由四个量子点,它们之间以静电力作用。根
13、据电子占据量子点的状态形成“0”和“1”状态。它在本质上是一种非晶体管和无线的方式达到阵列的高密度、低功耗和实现互连。其基本优势是开关速度快，功耗低，集成密度高。但难以制造，且对值置变化和大小改变都极为灵敏，005nm 的变化可以造成单元工作失效。以碳纳米管为基础的原子分子器件是近年来快速发展的一个有前景的领域。碳原子之间的键合力很强，可支持高密度电流，而热导性能类似于金刚石，能在高集成度时大大减小热耗散，性质类金属和半导体，特别是它有三种可能的杂交态，而 Ge、Si 只有一个。这些都使碳纳米管（CNT）成为当前科研热点，从 1991 年发现以来，现在已有大量成果涌现，北京大学纳米中心彭练矛教
14、授也已制备出 033 纳米的 CNT 并提出“T 形结”作为晶体管的可能性。但是问题是如何去生长有序的符合设计性能的 CNT 器件，更难以集成。目前“bottom up”的量子器件和以自组装技术为基础的纳米器件在制造工艺上往往与“Scaling down”的加工方法相结合以制造器件。这对于解决高集成度 CMOS 电路的功耗制约将会带来突破性的进展。QCA 和 CNT 器件不论在理论上还是加工技术上都有大量工作要做，有待突破，离开实际应用还需较长时日！但这终究是一个诱人探索的领域，我们期待它们将创出一个新的天地。4 系统芯片（System On A Chip）是 21 世纪微电子技术发展的重点在
15、集成电路（IC）发展初期，电路设计都从器件的物理版图设计入手，后来出现了集成电路单元库（CellLib） ，使得集成电路设计从器件级进入逻辑级，这样的设计思路使大批电路和逻辑设计师可以直接参与集成电路设计，极大地推动了 IC 产业的发展。但集成电路仅仅是一种半成品，它只有装入整机系统才能发挥它的作用。IC 芯片是通过印刷电路板（PCB）等技术实现整机系统的。尽管 IC 的速度可以很高、功耗可以很小，但由于 PCB板中 IC 芯片之间的连线延时、PCB 板可靠性以及重量等因素的限制，整机系统的性能受到了很大的限制。随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发展，系统对电路的要求越
16、来越高，传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于 IC 设计与工艺技术水平提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高，已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个芯片上集成 108109 个晶体管，而且随着微电子制造技术的发展，21 世纪的微电子技术将从目前的 3G 时代逐步发展到 3T 时代（即存储容量由 G 位发展到 T 位、集成电路器件的速度由 GHz 发展到灯THz、数据传输速率由 Gbps 发展到 Tbps，注：1G=109、 1T=1012、bps：每秒传输数据位数） 。正是在需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个微电子芯片上的系统芯片（System On A Chip ，简称 SOC）概念。系统芯片（SOC）与集成电路（IC）的设计思想是不同的，它是微电子设计领域的一场革命，它和集成电路的关系与当时集成电路与分立元器件的关系类似，它对微电子技术的推动作用不亚于自 50 年代末快速发展起来的集成电路技术。SOC 是从整个系统的角度出发
