微电子技术前沿以及发展前景
微电子技术前沿以及发展前景
1 微电子材料和工艺的进展
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。
1. 1 化合物半导体的新进展
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。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[7]。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% )MOS-FET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[5]。
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, 500e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[8]。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[9];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。
1. 2 先进的工艺
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193 nm深紫外(DUV)光源加上沉浸透镜技术,应用极限可以达到32 nm,有望突破目前遇到的光刻障碍,而超紫外线光刻技术(13 nm EUV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(Immersion lithography),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[3]。
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. 13Lm,一些IC生产公司在研制0. 1Lm到0. 07Lm的微处理器[3]。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[13]。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[14];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[15]。
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。
2 微电子行业发展展望
微电子学有很强的渗透性,例如它和生物学结合而发展出的生物芯片(biochip)是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术,它融微电子学、生物学、化学、物理学、计算机科学为一体,具有重大的基础研究价值和产业化前景。而集成电路作为微电子技术的核心仍将以高频、高速度、高密度、大容量、低功耗以及多功能为其发展方向。
2000年6月,国务院颁布的18号文件《鼓励软件产业和集成电路产业发展的若干政策》,受到国内相关行业和境外人士的广泛欢迎。几乎在一夜之间,上海成为我国微电子最热的地方,随着中芯、宏力的建设,配套的设计公司和封装厂也纷纷建立,已经初具雏形的南方微电子基地和北方微电子基地,还有奋起直追的深圳市必将极大地推动国家微电子产业的发展。
在当前正在形成的我国有史以来最大的一次建设集成电路芯片生产线中,一定会在国内形成一个芯片生产业、IC设计、封装业、材料业、微电子设备业共同发展,产业和科研合作,共同促进我国集成电路产业大发展的可喜局面。预计到“十五”末国产集成电路占国内市场的份额必将大大增加。
近几年来,随着TV、PC、STB、PDA、手机、DVD、Internet设备等行业的蓬勃发展,特别是消费电子类产品数量的快速增长,全球的微电子产业得到了迅猛发展,微电子已成为信息社会的支柱产业,是衡量一个国家综合国力的重要因素。综上所述,微电子是现代信息社会最重要的基石。尽管由于美国经济的整体下滑,今年全球半导体行业的销售有所下降,但中国微电子行业正酝酿着更大的发展划。 可以预计,随着IC生产中心向中国的转移,中国将会在不到10年的时间成为全球第二大半导体市场。