面向21世纪的微电子技术

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1、面向面向 2121 世纪的微电子技术世纪的微电子技术本文由 woaixi27 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。院士论坛面向 21 世纪的微电子技术( 北京大学微电子研究所 , 北京 100871)摘 : 本文对 21 世纪微电子技术的发展趋势作了一个展望 .本文认为 21 世纪 要 初的微电子技术仍将以硅基 CMOS 电路为主流工艺 , 但将突破目前所谓的物理 “限制“继续快速发展 ; 集成电路将逐步发展成为集成系统 ; 微电子技术将与其 , 他技术结合形成一系列新的增长点 ,例如微机电系统 ( M EMS) , DNA 芯片等将

2、得 到突飞猛进的发展 .具体地 ,超微细光刻技术 , 虚拟工厂技术 , 铜互连及低 互连 绝缘介质 , 栅绝缘介质 , I 技术等将在近几年内得到快速发展 .21 世纪将 高 SO 是我国微电子产业的黄金时代 . 关键词 : 微电子技术 集成系统 微光机电系统 DNA 芯片一, 引言信息是客观事物状态和运 动特征的一种普遍形式 ,是继材 料和能源之后的第三大资源 ,是 人类物质文明与精神文明赖以 发展的三大支柱之一 .目前 ,我 们正处在一场跨越时空的新的 信息网络革命中 ,特别是九十年 代出现的信息高速公路 ,它将比 历史上的任何一次技术革命对 社会经济 , 政治 , 文化等带来的冲击更为巨

3、大 ,它将改变人们 的生产方式 , 生活方式 , 工作方式以及治理国家的方式 .作 为高科技代表的微电子科学技术和工业对中国以及世界经 济都有着举足轻重的地位 . 微电子产业对国民经济的战略作用首先表现在当代食 物链关系上 ,现代经济发展的数据表明 , GN P 每增长 100 到 300 元 ,需要 10 元左右电子工业产值的支撑 ,而其中就包含 1 元的集成电路产品 .又据有关资料测算 ,集成电路对国民 经济的贡献率远高于其他门类的产品 ,如以单位质量钢筋对 GN P 的贡献为 1 计算 , 则小汽车为 5 , 彩电为 30 , 计算机为中国科学院院士 王阳元 博士 ,教授 张 兴 王阳元

4、 (WAN G Yangyuan , 1935) , 男 , 1958 年毕业于北京大学物理系 , 现为中国科学院院士 ,北京大学教授 ,微电子研究所所长 .主要从事 VL SI 新工艺 ,新器件和新结构电路的研究 , 已发表论文 150 余篇 , 专著 3 部 , 译著 2 部 , 获得国家及部委级奖励 14 项 . 张 (ZHAN G Xing ,1965) ,男 ,生于山东平邑 ,1986 年毕业于南京大学物理系 ,1993 年获得博士学位 ,现为北京大学教授 , 兴 微电子研究所副所长 .主要 从事 SO I 技术 , CMOS 工艺 , MOS 器件模型模拟 , 电路设计以及辐照加固

5、等方面的研究 ,已发表论文 70 余篇 ,出版著作 2 部4达 2000 .所以日本人认为谁控 制了超大规模集成电路技术谁 就控制了世界产业 ,英国人则认 为如果哪个国家不掌握半导体 技术 ,它就会立刻加入不发达国 家行列 1 . 微电子产业之所以发展如 此之快 ,除了技术本身对国民经 济的巨大贡献之外 ,还与它极强 的渗透性有关 .几乎所有的传 统产业只要与微电子技术结合 , 用微电子芯片进行智能改造 , 就会使传统产业重新焕发青 春 .例如火电厂的锅炉给水泵送风机 , 引风机占了电厂全部 耗能的 72143 % ,而全国各行业的风机 , 水泵的总耗电量占 了全国发电量的 36 % ,仅仅对

6、风机 , 水泵采用变频调速等电 子技术进行改造 ,每年即可节电 659 亿度 ,相当于三个葛洲 坝电站的发电量 ; 采用交流传动改造后 ,电力机车可节电 20 40 % ,内燃机车可节油 12 14 % ; 对白炽灯进行高效节能 改造 ,并假设推广应用 6000 万只 ( 约为全国白炽灯总产量的 1/ 18) ,所节省的电能相当于三座大亚湾核电站的发电量 . 若全国一半中等以上城市的自来水公司不同程度地在管网 世界科技研究与发展1000 ,而集成电路的贡献率则高院士论坛自动检测和生产调度中使用计算机控制 ,可以使自来水流失 率降低 50 % ,按 1993 年的统计 ,可以节约投资 35 亿元

7、 . 微电子技术不仅在节能 , 节材等方面能够使传统产业升 级换代 ,而且还可以使传统产品结构 , 性能等方面发生革命 性的质的变化 .例如当采用微机统一控制的一轴一电机装 置替代传统的蜗轮 , , 蜗杆 齿轮传动时 ,汽车将不再是单纯的 机械产品 ,汽车的电子化将导致汽车的革命 ; 另外数字化机 械加工设备 , 数字通讯技术以及今后的数字地球等等都是以 微电子技术作为基础的 . 正因为微电子技术具有如此广阔的应用领域和强大的 社会影响 ,人们对微电子今后的发展趋势越来越关注 .为此 本文将简要讨论和分析 21 世纪微电子技术的发展趋势 . ,然而所有这些预测一次次被实践突破 ,目前人们已制

8、仍能在室温下正常工作的 MOS2 作出特征尺寸为 0104 m , FET .硅微电子技术发展的 “极限“ 究竟在哪里 ? 究竟由哪 些因素决定 ? 能否突破这些物理限制 ? 乃是当前微电子技 术发展中的重大研究课题 . 最初对于硅微电子技术限制问题的研究主要集中在半 导体器件尺寸缩小的限制上 ,但当微电子技术进入亚 011 m 后 ,对限制的探讨不再仅仅局限于器件 ,应对集成系统作整 体考虑 ,研究整个集成系统进一步发展的限制问题 .而且对 于限制问题的探讨并不仅仅是对微电子技术前景的预测 ,更 重要的则是通过对限制问题的研究帮助我们寻求解决微电 子技术发展中所遇到挑战的途径 ,实现突破 ,

9、推动微电子技 术的进一步发展 . 目前国际上对限制问题的研究力度很大但却并不成熟 , 很多国家的大学 , 研究机构以及各大半导体公司等都在寻找 突破该限制的途径 ,世界各国的研究水平尚处于同一水平域 上 .该问题的突破对于科学家来说是一种挑战 , 一种刺激 , 对于一个国家 ,一个民族来说则是一种难得的发展机遇 .中 国 ,作为一个发展中的社会主义大国 ,在展望下世纪初科学 技术的发展时 ,应该对微电子技术中面临的重大挑战和历史 机遇给予足够的重视 .面对微电子学发展的挑战和机遇 ,我 们必须予以重视 ,并利用现在正在实行的国家重大基础科学 研究计划 ( 973) 和已经实行多年的国家高科技跟

10、踪研究计划 ( 863) 以及攀登计划等国家级科学研究计划 ,进行必要的投 入 ,从研究微电子技术的 “限制“ 问题入手 ,寻找突破现有 “限 制“ 的理论和技术 .一旦抓住了微电子领域这一重大机遇 , 则有可能实现我国微电子技术的飞跃 ,缩短和赶上国际先进 水平 ,实现后来居上 ; 否则一旦错过机遇则无疑会拉大差距 , 在国际竞争中处于不利的地位 . 21 世纪 ,起码是 21 世纪上半叶 , 微电子技术仍将以硅 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 ,但还远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

11、20 到 30 年的时间 , 硅集成电路技术自 1947 年 发明晶体管到 60 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 年内仍起骨干作用 ,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 2010 年达 “极限“ 到 01070105 m 的 之后 ,即认为是硅技术时代的

12、结 束 ,这实际上是一种很大的误解 .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 ,这些技术的发展必将使 微电子产业继续高速增长 .很多著名的微电子学家预测 ,微 电子产业将于 2030 年左右步入象汽车工业 , 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象汽车 , 航空等成熟工业领域 ,它仍将保持快速发展趋势 ,就象汽车 ,二 , 世纪初仍将以硅基 CMOS 电路为 21 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

13、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 度还减小了器件尺寸 ,提高了集成度 ,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 ; 同时 ,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却得到了很 大的提高 . 自五十年前发明晶体管以来 , 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

14、硅片的面积不断增大 .自 1958 年集成电路发 明以来 ,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 E. Moore 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 2 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继续下去 ,这是其它 任何产业都无法与之比拟的 .也就是说 ,在 21 世纪前半叶 , 微电子产业仍将以尺寸不断缩小的硅基 CMOS 工艺技术为 主流 . 现在 ,以 0125 微

15、米 CMOS 工艺技术为主流的微电子技 术已进入大生产 , 利用该技术可制作 256Mb 的 DRAM 和 450MHz 的微处理器芯片 , 每片上集成的晶体管数在 10 8 109 量级 .011 m 乃至 0104 m 的器件已在实验室中制备成 3 功 ,研究工作已进入亚 011 m 技术阶段 ,相应的栅氧化层 厚度 只 有 210 1. 0nm .预 计 到 2010 年 , 特 征 尺 寸 为 0107 m 的 64 G DRAM 产品将投入批量生产 . 卷 4 期 21然而随着器件特征尺寸的不断缩小 ,将逐渐逼近其物理 “极限“研究微电子技术发展中的限制问题已变得愈发迫切 , 4 5

16、 和重要 .早在七十年代初 , 人们曾经预测 MOS 器件特 0 征尺 寸 的 “限 制“ 0125 m , 后 来 又 预 测 0118 m , 11 m 为5院士论坛航空工业已经发展了近 100 年仍极具发展潜力一样 ,以硅为 基础的微电子产业在 21 世纪仍会保持高速发展的趋势 . 至于具体的微电子技术 ,21 世纪将会取得突破性或重 大发展的技术主要包括亚 011 m 细线条加工技术 , 虚拟工 厂技术 , 铜互连技术 , 新型的低介电常数互连介质和高介电 常数的栅介质以及新型功能材料等技术 ,下面将具体讨论这 几种 21 世纪将得到突飞猛进发展的技术 .( 1) 超微细线条光刻技术 ( 2) 虚拟工厂技术随着集成电路技术的飞速发展 ,作为衡量半导体工业水 平标准的特征尺寸已经从微米量级变为亚微米 , 亚半微米甚 至亚 011 m 量级 .1997 年 , 基于 0125 m 的技术已经在商 0 用逻辑芯片中投入使用 , 预计 0118 m