后摩尔时代的新型微电子器件
摘要
随着半导体产业的不断发展，摩尔定律已经无法正确的对其进行预测，它的局限性在如今的后摩尔时代逐渐体现出来，微电子技术中的任何物理过程都必须遵守物理规律的限制，这些物理规律的存在使得摩尔定律陷入了瓶颈期。
摩尔定律的逐渐失效预示着后摩尔时代的到来，所谓的后摩尔时代，就是业者不再以追求更大效能的芯片为尚，而是强调多元化与实用性的原则。
也就是说，产品能发挥实际效用就是最好的质量，也是最具经济价值的东西。
本文针对后摩尔时代的微电子器件研制过程中的材料、设计、技术、封装展开讨论，给出后摩尔时代的相关微电子器件前沿知识。
关键词：后摩尔时代；微电子；材料；技术；
1 摩尔定律及后摩尔定律
摩尔定律由仙童公司的创始人之一的摩尔提出，他指出：集成电路的集成度，每18个月增加一倍，即集成度每三年翻两番，特征尺寸缩小，而且集成电路芯片的需求量也以相
同的速度增加，在集成电路性能提高的同时价格下降。
然而，微电子技术中的任何物理过程必然遵循物理规律的限制，这些限制包括在电磁学、量子力学测不准关系、热力学等方面的限制，它们对信号的传输速度、器件开关转换的器件功率、器件开关引起的能量变化、集成系统能量耗散和热量产生等形成限制。
这些基本的物理限制是不可逾越的，可以说是集成电路技术的物理极限。
其次，微电子学的大部分理论建立在经典物理理论基础之上，随着器件特征尺寸缩小，量子效应变得显著，这些传统的微电子学理论需要利用量子力学理论对其进行改造。
同样，在材料，资金，技术等发面，摩尔定律的局限性依然存在。
因此，国际半导体技术路线图组织（ITRS)在2005年的技术路线图中，即提出了“后摩尔定律”(More-than-Moore)的概念，提出未来微电子产业发展方向之一是按“后摩尔定律”的多重技术创新应用向前发展，即在产品多功能化(功耗、带宽等)需求下，将硅基CMOS和非硅基等技术相结合，以提供完整的解决方案来应对和满足层出不穷的新市场发展。
2后摩尔时代的微电子研究方向
首先，在CMOS工艺上，原始的按比例缩小将不再适用，新的材料系统和器件架构需要突破比例缩小的壁垒，我们需要在引入高介电常数介质材料的同时，抑制带隙变窄带来的隧穿电流，还要控制短沟效应来权衡迁移率和漏电功耗。
其次，在装配与封装中，SIP封装技术成为热门，其中，硅通孔（TSV）是解决3D系统集成的一种有效方案。
TSV工艺的制造流程可粗略分为通孔先行和通孔后行两火类。
对这两种工艺而言，其关键工序均集中在：TSV刻蚀、介质沉积、阻挡层／种子层沉积、铜填充以及表面平坦化。
通常芯片被固定在载体(玻璃或陪衬硅片)上并将厚度减薄至30～125 ，这势必引入包含热预算控制在内的诸多挑战。
在整个TSV生产流程中最具挑战且代价最高的工艺是阻挡层的沉积以及随后的通孔金属填充。
一个良好的铜扩散阻挡层(如钽或钛)是必不可少的，同时连续的种子层对铜的填充效果至关重要。
填充工艺必须具有高速率的特点（为了降低成本)，且在整个芯片内均匀性良好，这样才能保证平坦化后表面特性仍能满足要求。
再者，在材料方面，因为硅材料的加工极限一般认为是10nm线宽，受物理原理的制
约，小于10nm后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品。
可能的替代方案是使用电子迁移率更高、尺寸更小的碳纳米管及石墨烯，二者具有相似的性质，都可以用于制作性能优良的微电子器件，以延续微电子技术的发展。
3新结构器件
由之前提到的为解决短沟效应，那么要么需要切断这部分电流的通道，要么将这部分电流也置于栅电极的控制之下。
基于这种思路，人们提出了超薄SOI和多栅FinFET器件。
两者均具有全耗尽沟道区，因此可以有效切断体区泄漏电流；而多栅FinFET 器件可以增强栅控能力, 使整个沟道区的电势能得到控制, 减少泄漏电流.。
超薄体SOI结构示意图
超薄体SOI包括一层厚度远小于栅长的硅膜，一层位于硅膜下方的绝缘层，一般源漏采用外延技术抬升以减少扩展电阻和提供良好的金属接触。
位于埋氧层(BOX) 下方是和源漏掺杂类型相反的重掺杂区，为接地区(ground plane)，可以起到一个背栅的作用，使得沟道区下界面处于积累区以增强对体区泄漏电流的控制。
由于超薄体SOI 技术具有优异的短沟效应抑制作用, 因此可以降低沟道掺杂浓度, 减少杂质随机涨落的影响, 同时减少GIDL 泄漏电流. 但是超薄体SOI 技术存在附加成本高、工艺波动性差、多阈值电压实现困难、NMOS 应力增强手段缺乏、寄生电阻随硅膜减薄增加、热耗散能力差等问题, 制约了其在大规模量产方面的应用。
FINFET结构示意图
和超薄体SOI 不同，FinFET 具有三维的栅控结构，因此在短沟效应控制方面表现出更强的能力。
在达到相同的短沟效应抑制能力的情况下, 三栅FinFET 所需要的Fin 宽, 即硅膜厚度可以放宽到超薄体SOI 的3倍，这对于缓解工艺要求极为有利.
4新器件材料
通过高迁移率来在获得同样驱动能力的情况下降低泄漏电流是目前新器件材料的发展趋势。
具有很高本征载流子迁移率的半导体材料近年来受到广泛关注, 如GeSi, Ge, GeSn, GaAs, InAs,InSb等. 然而, 这些材料都不具有对称的载流子迁移率, 导致某些材料仅仅适合PMOS 工作, 而另外一些则只适合NMOS 工作，所以我们暂时不做讨论。
相对于上问题到的材料，利用碳纳米管和石墨烯更有优势。
碳纳米管的禁带宽度可从金属到半导体(0~1.1ev) 变化，使其具有显著的场效应性，同时碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。
有报道认为通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5*10^-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。
而石墨烯具有无与伦比的高电子迁移率，经测试超过单晶硅的100倍。
石墨烯在电子迁移率上另一个优异性质是它的迁移率大小几乎不随温度变化而变化。
电子迁移率之所以受温度影响，是因为电子在传递过程中受晶体晶格震动的散射作用，导致电子迁移率降
低，而晶格震动的强度与温度成正比，即温度越高，电子迁移率越低，然而石墨烯的晶格震动对电子散射很少，几乎不受温度变化影响。
5新器件封装
由于接近摩尔定律的极限，再次缩小器件大小比例在经济成本上十分不划算，半导体产业如果继续坚持只会进入微利时代。
因此，提高封装技术解决成本问题是微电子器件封装部分的一大发展部分。
目前大力发展的是垂直封装技术，三维状态的垂直封装技术可以暂时应对这一问题。
垂直封装技术包含：芯片叠层封装(POP)，系统级封装(SIP)，晶圆级封装(WLP)，硅通孔(TSV)技术。