微电子技术发展面临的限制及发展前景

　　微电子技术作为电子信息产业的核心技术，对各生产领域产生广泛而深远的影响。在微电子技术的发展过程中，随着微小型化进一步发展，摩尔定律目前面临极大挑战。文章介绍了微电子技术的发展及面临的限制与挑战，同时还介绍了微电子技术发展前景。

　　一、微电子技术的含义及影响

　　当今社会科技发展日新月异，其中影响最大、渗透性最强、最具代表性的乃是以微电子技术为基础的电子信息技术。微电子技术作为电子信息产业的基础和心脏，对航天航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术、网络技术及家用电器产业的发展产生直接而深远的影响。微电子技术主要包括三大内容：一是微电子材料制造。它包括各种半导体基材的制造，最主要的是硅晶片的生产制造;二是微电子制造技术。主要的是集成电路芯片的制造技术。它包含了薄膜工艺、图形技术、掺杂工艺及热处理技术;三是微电子封装及装联技术。主要包括IC芯片的封装和表面组装技术。如今，微电子技术已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志。

　　二、微电子技术发展面临的限制

　　微电子制造技术，主要的是集成电路芯片的制造技术。它是微电子技术的核心，其发展推动着信息革命的进程。随着微电子制造技术的不断进步和创新，制备高纯度的单晶硅片，即晶(圆)片的尺寸愈来愈大，从最初的2英寸，到现在硅晶片直径已达12英寸(300mm)，有报道现在已经能生产14英寸(350mm)的圆晶，半导体材料生产取得了非凡的成就，为IC芯片的制造提供了基材。制造技术方面，单个芯片上可集成5亿个元件，这使得今天的微电子技术已超越了大规模、超大规模、特大规模集成时代。但按照Intel 公司创始人之一的Gordon E. Moore 1965年预言的摩尔定律：芯片集成度以每18个月翻一番这一速度发展。从1958年第一块半导体集成电路诞生到现在，硅芯片制造工业在微型化方面已面临极限挑战。这个极限可从理论极限和实际限制两个层面上看，具体可归纳成基本物理规律、材料物理属性的限制、器件电路计算机辅助设计与仿真、制造工艺技术和设备的限制、电路与系统等五个方面。

　　(一)基本物理规律的限制

　　硅基CMOS是今天微电子技术的基础。而IC性能的提高主要是通过对器件尺度以及电源电压进行合理的缩小(scaling down)实现的。但是这一缩小不是无限的，随着器件沟道长度、氧化层厚度，以及电源电压的缩小，诸如短沟道效应(SCE)、漏感应势垒降低效应(DIBL)、穿通效应(Punch-Through)以及热载流子效应(HCE)、量子隧道穿透等“次级”效应将会越来越难以克服。由于DIBL、量子隧道穿透等效应的增强将增大晶体管的漏电流，进而增加器件的静态功耗。当静态功耗在总功耗中达到一定比例，并且器件的输出电导大于其跨导时，晶体管的缩小就达到了极限。换言之，微电子学的理论基础是电磁学、量子力学、热力学与统计物理学。在集成电路中，是通过控制载流子在媒体中的运动来实现信息的传输、存储及处理，载流子在固体中的运动要遵循一系列的基本物理规律，而随着芯片的微小型化，热效应、电效应等造成的不良影响，目前的技术还无法克服这些违反规律的现象，这就制约了微电子技术的发展。

　　(二)材料方面的限制

　　目前微电子技术所采用的材料主要是硅材料(包括单晶硅和多晶硅)，决定材料性质的参数主要有：介电常数ε、载流子的迁移率μ、载流子的饱和速度vs、击穿电场强度Ec、热导系数K等。这些性质共同决定了微电子技术在IC高度集成时受到极大的限制，制约了微型化的进一步发展。

　　(三)工艺技术方面的限制

　　微电子工艺技术主要包括微细线条的加工、高质量薄膜淀积和离子注入的控制，其中光刻技术是核心技术。其工艺方面的挑战主要是光刻设备。1978年时，人们认为光学光刻的极限是1微米。到现在虽已推进到0.05微米，但光刻技术受到来自于设备的分辨率(R)和焦深(DOF)的限制，每往前迈进一步都十分困难。虽然摩尔博士在2000年说：“摩尔定律10年不会变”, 但现在进一步的微小型化仍受到限制。摩尔定律正面临挑战。

　　(四)半导体器件“极限”的挑战

　　半导体器件面临的限制主要体现为以下四方面：1.超薄栅氧化层的限制;2.沟道杂质的涨落;3.硅片中强电场效应的限制;4.半导体器件的模拟与模型问题。微电子技术的计算机辅助设计与仿真需要对工艺模拟、器件模拟和电路模拟等几个部分进行综合考虑，这需要清晰的物理概念及模型，需要数学计算和软件工程方面的支持，但这些方面仍面临挑战。

　　(五)电路与系统方面的限制

　　1.互连引线问题。 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，互连引线的延迟时间增大。尺寸的缩小使晶体管的工作频率得到了提高，但互连引线的延迟并没有因尺寸的缩小而得到改善，反而成为更加突出的问题。因此，如何在IC电路设计中考虑引线的优化、解决亚微米金属铝连线的电迁移问题，就成了制约微电子技术发展的因素。

　　2.可靠性问题。微细加工的特征，尺寸的缩小尤其是栅氧化层的变薄，导致器件的可靠性和亚微米器件的寿命问题突显。但可靠性问题包含了大量物理和热力学机理及制造工艺方面的技术需要克服，这也成为制约微电子技术发展的因素。

　　3.散热问题。散热主要受到封装技术的限制。在集成度不断提高，集成功能越趋复杂的情况下，在电路和系统的设计中，必须仔细考虑电路的总功耗与芯片散热能力之间的关系。总功率的限制成为限制芯片集成度的一个主要因素。

　　三、微电子技术的发展前景

　　鉴于上述微电子技术发展中遇到的限制，我们必须寻找新的途径，谋求解决的办法。现在人们已经在遵循基本物理规律的基础上，通过与其他学科相结合，取得了可喜的成绩。目前人们已经开发出如下的一些产品，这些产品有望帮助微电子技术的发展突破极限，进一步继续维持摩尔定律。

　　(一)生物芯片技术

　　微电子技术与生物技术紧密结合，产生生物芯片。早在上世纪90年代初，美国就开始着力于脱氧核糖核酸(DNA)基因芯片的研究和生产。所谓“生物芯片”，是指类似于计算机芯片的装置，它在几秒钟的时间里，可以进行数以千次计的生物反应，如基因解码等。目前正在研究利用有机高分子导电材料作生物芯片技术，可以制造生物计算机，其容量将达到现在电子计算机的10亿倍。DNA是微电子技术与生命科学结合的创新领域，基因鉴定是其重要的应用，在农业、综合工业的研究和生产中有广泛的应用前景。

　　(二)塑料半导体技术

　　化学领域中有机化学的发展与半导体技术的结合，近年来发展了一个塑料半导体技术分支。与硅元素半导体制作晶体管截然不同，这是用塑料制作晶体管，称为塑料晶体管，又称为有机薄膜晶体管(OTFT)，这是晶体管制作的一种新途径。OTFT则可运用精密的喷墨或橡皮图章式的印刷技术，在短短几分钟内制作完成。塑料半导体可用于各式各样的新产品。如抛弃式的射频标签、应用于电子书的数字纸张的电子驱动装置，以及手机、膝上计算机和个人数字助理(PDA)面板等。

　　(三)碳纳米管

　　随着IC的线宽越来越小，纳米科技的时代终于宣告来临。为克服越来越困难的半导体Si工艺技术，科学家们开始从材料方面下手，试图寻找到能代替Si的材料，以解决线宽缩小所带来的技术问题。1993年美国IBM公司发现单层碳纳米管(Single Walled Carbon Nanotubes--SWNT)后，即积极探索将碳纳米管应用于电子学上，2001年成功地利用碳纳米管制成晶体管，这又是半导体技术的一大突破。碳纳米管可应用于微电子组件、平面显示器、无线通信、燃料电池及锂离子电池等。最近IBM公司利用碳纳米管做出电压反向器，即非门(NOT Gate)。这是世界上第一个分子内逻辑电路。大家知道，计算机核心处理器基本上是由非门、与门(AND Gate)及或门(OR Gate)三种逻辑组件构成的复杂电路。在这种新纳米管电路中，输出信号比输入的更强，表明有增益。如果碳纳米管的放大作用能达到现今Si晶体管那样大时，它将拥有与Si一样的功能。由此推论，当Si无法再变得更小时，比Si还小的碳纳米管可继续维持摩尔定律，从而推动微电子技术继续向前发展。除此之外，还有一些新材料以及用新材料制作的新器件，限于篇幅未能作介绍，恳请读者见谅。

　　任何科学技术的发展都会不可避免地遇到障碍和阻力，在微电子技术的发展过程中也存在许多的挑战和“限制”。这些限制并不是不可逾越的鸿沟，通过对CMOS器件物理研究的不断深入、工艺技术的革新以及新材料的开发，将微电子技术与其他学科相结合，将有可能“突破现在提出的极限”，实现持续性的飞速发展。

　　作者：宋长发 来源：沿海企业与科技 2006年12期