微电子技术的进展与挑战3教授、博导　林鸿溢(北京理工大学电子工程系,北京100081) 教　授　李映雪(北京大学微电子研究所,北京100871)摘　要:微电子技术自巴丁、布拉顿和肖克莱发明晶体管至今,经历了半个世纪的发展,已经取得巨大进步,成为人类社会众多领域的关键技术,从而有力地推动,并将继续推动着人类社会全面进入信息时代。

关键词:　微电子技术　集成电路　纳米电子学　微机电系统　单芯片系统 一项伟大的发明诞生在1947年12月23日。

这一天Bell实验室科学家J.Bardeen和W.Brattanin在实验中观测到点接触型锗晶体管功率放大现象,标志着人类首次成功地发明了一种新型的固体电子器件。

仅仅一个月后,1948年1月,该研究组组长W.Schokley就提出了结型晶体管理论—PN结理论。

1951年锗结型晶体管研制成功。

从此拉开了人类社会步入电子时代的序幕,从而开创了微电子技术发展进步的历程。

为表彰三位科学家的重大贡献,他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

今天,事实雄辩地表明,微电子技术的加速发展对人类的生产方式和生活模式产生了并将继续产生深刻的影响。

微电子技术所引起的世界性的技术革命比历史上任何一次技术革命对社会经济、政治、国防、文化等领域产生的冲击都更为巨大。

据预计,2000年信息技术产品市场将达到9000亿美元,电子信息产业将成为世界第一大产业,人类社会将进入信息化世纪。

微电子技术是信息社会的核心技术,正以其巨大的动力推动人类社会的更大进步。

1　微电子技术的重大技术突破与集成度的提高1.1　重大技术突破50年来,微电子技术迅速发展的历程中,实现了几次重大的技术突破,从而加速了微电子技术的高速发展。

1.1.1　从真空到固体20世纪初(1905年)世界上第一个真空电子管的发明,标志着人类社会进入了电子化时代,电子技术实现了第一次重大技术突破。

这是控制电子在真空中的运动规律和特性而产生的技术成果。

从此产生了无线电通信,雷达,导航,广播,电视和各种真空管电子仪器及系统。

经过第二次世界大战后,人们发现真空管还存在许多问题,如仪器设备的体积大,重量大,耗电大,可靠性和寿命受限制等。

因此,研究新型电子管的迫切需求被提出来了。

1947年美国贝尔实验室两位科学家J.Bardeen和W.Brattain在作锗表面实验过程中发明了世界上第一个点接触型锗晶体管。

一个月后被誉为电子时代先驱的科学家W.Schokley发表了晶体管的理论基础—PN理论。

此后,结型晶体管研制成功,晶体管进入实用阶段。

晶体管的发明为微电子技术揭开了序幕,也是电子技术的第二次重大技术突破。

为表彰三位科学家的重大贡献,他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

1.1.2　从锗到硅晶体管发展初期是利用锗单晶材料进行研制的。

实验发现,用锗单晶制作的晶体管漏电流大,工作电压低,表面性能不稳定,随温度的升高,性能下降,可靠性和寿命不佳。

科学的道路是没有尽头的,科学家通过大量的实验分析,发现半导体硅比锗有更多的优点。

在锗晶体管中所表现出来的缺点,利用硅单晶材料将会产生不同程度的改进,硅晶体管的性能有大的提高。

特别是硅表面可以形成稳定性好,结构致密,电学性能好的二氧化硅保护层。

这不仅使硅晶体管比锗晶体管更加稳定,性能更加好,而且更重要的是在技术上大大前进一步,即发明了晶体管平面工艺,为50年代末集成电路的问世准备了可靠的基础,这正是微电子技术的第二次重大技术突破,也是电子技术的第三次重大技术突破。

1.1.3　从小规模到大规模微电子技术发展过程中最令人惊奇的是从1958年到1987年20年间集成电路的集成度从10个元件的数量级提高到10万个元件,是微电子技术的第三次重大技术突破,也是电子技术的第四次重大技术突破。

今天,集成度已进一步3　国防预研和国家自然科学基金项目。

提高到1000万个元件,更是令人兴奋不已!事实上,1988年,美国国际商用机器公司(IBM)已研制成功存储容量达64兆位的动态随机存取存储器芯片,集成电路的条宽只有0.35微米。

目前已经做到0.25微米的批量生产,并向0.1微米和更小的尺寸进军。

空间尺度在0.1～100nm定义为纳米空间[1～8],在纳米空间电子的波动性质将以明显的优势显示出来。

微电子技术将面临挑战,于是纳米电子技术应运而生。

我们看到微电子学向纳米电子学发展的必然趋势[9]。

1.1.4　从成群电子到单个电子微电子技术面临挑战,但科学家在挑战面前并不歇脚,仍在不断地探索解决问题的新途径。

事物发展过程常常会在一定条件下发生转化,有些制约条件,只要科学合理地加以应用,就可能转化为一种新的技术途径。

正是“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村”。

美国电话电报公司的贝尔实验室于1988年研制成功隧道三极管。

这种新型电子器件的基本原理是在两个半导体之间形成一层很薄的绝缘体其厚度在1～10纳米之间,此时电子会有一定的几率穿越绝缘层。

这就是量子隧道效应。

由于巧妙地利用了量子隧道效应,所以器件的尺寸比目前的集成电路小100倍,而运算速度提高1000～10000倍,功率损耗只有传统晶体管的1/1000～1/ 10000。

显然,体积小,速度快,功耗低的崭新器件,对超越集成电路的物理限制具有重要的意义,是微电子技术的第四次重大技术突破,也是电子技术的第五次重大技术突破。

随着研究工作的深入发展,近年已研制成功单电子晶体管,只要控制单个电子就可以完成特定的功能。

1.2　集成度的提高晶体管是控制成群电子的集体运动状态的器件,它的发明和发展导致1958年半导体集成电路的产生。

集成电路与由分立元器件组成的电路相比较,有体积小,重量轻,功耗下降,速度提高,高可靠和低成本等优点,即性能/价格比大幅度提高,因而引起学术界和工业界的极大兴趣和关注。

从此,逐步形成新兴工业技术,成为整个电子工业技术的重要组成部分。

微电子技术作为现代高技术的重要支柱,经历了若干发展阶段[10～11]。

50年代末发展起来的小规模集成电路(SSI),集成度在100个元器件;60年代发展了中规模集成电路(MSI),集成度在1000个元器件;70年代又发展了大规模集成电路(L SI),集成度大于1000个元器件;紧接着70年代末进一步发展了超大规模集成电路(VL SI),集成度在105个元器件;80年代更进一步发展了特大规模集成电路(UL2 SI),集成度又比VL SI提高了一个数量级,达到106个元器件以上。

随着集成电路集成度的提高,版图设计的条宽不断减小。

1985年,1兆位特大集成电路的集成度达到200万个元器件,要求条宽为1μm;1992年,16兆位的芯片,集成度达到3200万个元器件,条宽减到0.5μm,即500nm;1995年, 64兆位的集成电路,其条宽已达0.3μm,即300nm;1998年, 256兆位线宽为0.25μm,即250nm,下世纪初线宽将更细,集成度会更大提高,在计算机记忆芯片上将集成数十亿个晶体管。

预计本世纪无疑将出现1G兆位的特大规模集成电路,那时条宽将只有0.1μm,即100nm。

2　发展战略与市场竞争世界半导体市场由四大区域组成,即美国、日本、欧洲和东南亚,东南亚是指除日本外的亚太地区,主要包括韩国、台湾、马来西、泰国、新加坡等国家和地区。

韩国、台湾半导体起步晚,发展快,已成为世界半导体市场的第3位和第4位。

70年代,日本引进美国的晶体管技术和集成电路技术。

1976年,日本成立了超L SI技术攻关组,由富士通、日立制作所、三菱电机、日本电气和东芝等5家竞争对手组成共同开发计算机系统VL SI技术,共同研究微细加工技术、晶体技术、设计技术、工艺技术和测试评价技术。

1977年研究出世界上第一块超大规模集成电路64K位随机存取存储器,后来又在1兆位、4兆位和16兆位随机存取存储器的研究方面超过美国,取得领先地位。

接着又研制成功了集成度超过1亿个元件的世界第一块特大规模集成电路(UL SI)64K 兆位的随机存取存储器。

从1986年起日本在半导体总产值和市场占有率方面都超过美国,居世界第一位。

美国政府调整了发展战略,提出了4个基础技术战略计划:①超高速集成电路(VHSIC)计划,以开发1.25～0.5μm的制造技术为主,投资6.8亿美元;②微波毫米波单片集成电路(MIMIC)计划,开发军用的砷化镓模拟集成电路,投资5.4亿美元;③微电子科学技术(MMST)计划,建立一条0.5μm,月投片800大圆片,1000个品种的集成电路生产线,投资1.125亿美元;④半导体制造技术联合体计划Sematech制造出0. 8μm的芯片,赶上了日本。

1990年又完成了0.5μm计划,重新占领50%的市场,又居世界第一位。

竞争激烈。

3　若干蓬勃发展的研究方向3.1　纳米电子学固体内显然是一个多体运动体系,单就电子来说也在1022/cm3的数量级。

通常只注意到电子作为粒子的集体运动之宏观效应,而忽略了电子的波动性质。

但在纳米空间电子的波动性是不可忽略的。

在经过特殊设计的纳米器件(nanoscale device)中,电子将以波动性质来表征其特性,这种器件也称量子功能器件(quantum function device),在纳米空间电子所表现出来的特征和功能将是纳米电子学研究的范畴。

纳米器件在结构上有一个显著的特点就是低维结构[12],即2维、1维和0维。

3.1.1　2维量子阱半导体量子阱(quantum wells)是2维结构器件。

利用分子束外延(MBE)技术已经制备出半导体超晶格量子阱。

半导体超晶格是由周期交替生长的两种半导体超薄膜构成的。

每种材料的厚度通常为晶格常数的2～20倍。

取垂直于超晶格界面的方向为Z方向,则电子在平行于两种材料界面的平面内,即XY平面内的运动不受影响,可以取任意动量,而具有自由粒子的性质,形成2维电子气。

电子在XY平面内运动所具有的动能为E xy=h 22m3(K 2x +K 2y )(1)这里h =h/2π,h 是普朗克常数,Kx ,Ky 是波矢分量,m 3是电子的有效质量。

在X Y 平面内电子的动能仍然是准连续的。

在垂直于界面的方向上,电子在势阱中量子化能级上能量为E z =h22m3(πd )2(n +1)2　n =0,1,2,……(2)式中d 是势阱宽度。

事实上电子的运动受到超晶格所附加的周期势的影响,使原来的能带又分裂成许多子能带(图1)。

图1　超晶格结构导带分裂成子能带3.1.2　1维量子线量子线(quantum lines )的线宽尺度为纳米量级(<100nm )。

1维量子线在温度降低到某一临界温度时,导体材料会变成半导体或绝缘体;反之,某些半导体或绝缘体量子线,当温度升高达到某临界温度时,变成导体甚至超导体。