微電子學(xué)技術(shù)發(fā)展的瓶頸和出路

1、微電子學(xué)技術(shù)發(fā)展的瓶頸和出路微電子學(xué)技術(shù)發(fā)展的瓶頸和出路黃璇黃德歡在當(dāng)今的信息社會中，電子學(xué)的應(yīng)用顯得越來越重要。信息的獲取、放大、存儲、處理、傳輸、轉(zhuǎn)換和顯示都離不開電子學(xué)。電子學(xué)技術(shù)早已經(jīng)成為人類經(jīng)濟(jì)的命脈。電子學(xué)未來的發(fā)展，將以“更小、更快、更冷”為目標(biāo)。“更小”是進(jìn)一步提高芯片的集成度，“更快”是實(shí)現(xiàn)更高的信息運(yùn)算和處理速度，而“更冷”則是進(jìn)一步降低芯片的能耗。只有在這三方面都得到同步的發(fā)展，電子學(xué)技術(shù)才能取得新的重大突破。數(shù)年

2、前，根據(jù)電子器件“更小、更快、更冷”的發(fā)展目標(biāo)，美國國防高等技術(shù)研究署(DARPA)提出了超電子學(xué)(ultraelectronics)研發(fā)計(jì)劃，要求未來的電子器件要比現(xiàn)有的微電子器件的存儲密度高5~100倍，速度快10~100倍，而能耗則要小于現(xiàn)有器件能耗的2%，最終希望達(dá)到“雙十二”，即1012位的存儲器容量和1012次／秒的運(yùn)算器速度，且廉價而節(jié)能。這顯然對未來的微電子加工技術(shù)提出了更高的要求。本文在分析微電子加工技術(shù)和超大規(guī)模集成

3、電路發(fā)展的基礎(chǔ)上，剖析它們面臨的發(fā)展瓶頸。隨著對集成電路芯片的要求越來越高，微電子器件將過渡到納米電子器件，后者將成為21世紀(jì)信息時代的核心。微電子學(xué)技術(shù)的巨大成就微電子學(xué)技術(shù)及超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展使得人類在計(jì)算機(jī)、電子通訊、航空航天等重大經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，它們已經(jīng)成為當(dāng)代各行各業(yè)智能工作的基石。2000年10月10日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，2000年度諾貝爾物理獎授給俄羅斯圣彼得堡約費(fèi)物理技術(shù)研究所的阿爾費(fèi)羅夫(Z.A

4、lferov)、美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的克勒默(H.Kroemer)和美國得克薩斯儀器公司的基爾比(J.Kilby)。阿爾費(fèi)羅夫和克勒默因?yàn)榘l(fā)明了基于半導(dǎo)體層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的快速光電子和微電子元件，獲得了本屆諾貝爾物理獎。利用這種半導(dǎo)體層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)技術(shù)制造的快速晶體管和激光二極管，分別在衛(wèi)星無線電通信和移動電話通信，以及條形碼閱讀儀和光盤播放機(jī)等技術(shù)上得到了廣泛應(yīng)用?；鶢柋葎t因在發(fā)明和開發(fā)集成電路芯片中所作的杰出貢獻(xiàn)而同時獲得諾貝爾物理獎

5、。集成電路的發(fā)明，使微電子元件成為現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。在諾貝爾獎的百年歷史上，把物理獎頒給一種技術(shù)是極為少見的。20世紀(jì)的最后一頂物理學(xué)王冠之所以會戴在微電子學(xué)技術(shù)的頭上，是因?yàn)樗鼘θ祟惖挠绊憣?shí)在是太大了，在當(dāng)代社會中有著舉足輕重的地位。半個世紀(jì)以來，電子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)生了兩次重大技術(shù)革命，一是晶體管取代真空電子管，二是集成電路取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接電路。這兩次技術(shù)革命對人類以計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的新技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用。特別是超大規(guī)

6、模集成電路的出現(xiàn)，導(dǎo)致了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)翻天覆地的變化，催生出了一個巨大的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)，并進(jìn)而孕育出了一個嶄新的信息時代。如今，人們享受著“信息的陽光”，諸如，手里拿的手機(jī)、桌上擺的計(jì)算機(jī)、光刻技術(shù)限制集成電路的加工設(shè)備中，光刻是核心。30年來，集成電路之所以能飛速發(fā)展，光刻技術(shù)的支持起到了極為關(guān)鍵的作用，因?yàn)樗苯記Q定了單個晶體管器件的物理尺寸。每一代新的集成電路的出現(xiàn)，總是以光刻所獲得的最小線寬為主要標(biāo)志。光刻技術(shù)的不斷發(fā)展從

7、三個方面為集成電路的進(jìn)步提供了技術(shù)保證:（1）大面積均勻曝光，在同一塊硅片上加工出大量的器件和芯片，保證了批量化的生產(chǎn)水平，硅片的尺寸也從最初的2英寸直徑，逐漸發(fā)展到4英寸、6英寸、8英寸直至現(xiàn)在的12英寸直徑；(2)光刻的最小線寬不斷縮小(現(xiàn)已達(dá)到0.13微米)，使芯片的集成度不斷提高，生產(chǎn)成本也隨之下降；(3)集成電路中的晶體管尺寸不斷縮小后，隨著晶體管的時鐘速度的不斷加快，集成電路的性能也得以持續(xù)不斷地提高。縮小晶體管的尺寸和線寬

8、的基本方法在于改進(jìn)光刻技術(shù)，也就是使用更短波長的曝光光源，經(jīng)掩模曝光，把刻蝕在硅片上的晶體管做得更小、連接晶體管的導(dǎo)線做得更細(xì)來實(shí)現(xiàn)。在光刻加工技術(shù)中，最小線寬的加工取決于所選用的光波的波長(光刻的光斑直徑等于半波長)。目前，光刻中使用的光源是深紫外光，所以現(xiàn)行的光刻技術(shù)也被稱為深紫外光光刻技術(shù)。在微電子加工中已經(jīng)得到成功應(yīng)用的深紫外光源有:波長為248納米的KrF準(zhǔn)分子激光光源和193納米的ArF準(zhǔn)分子激光光源。但是，即使是使用較短波

9、長的ArF準(zhǔn)分子激光光源，其光刻精度仍然無法達(dá)到小于0.1微米。也就是說，當(dāng)集成電路最小線寬的要求小于0.1微米時，現(xiàn)行的光刻技術(shù)將無能為力而面臨著失敗。為了實(shí)現(xiàn)更高的光刻精度，人們?nèi)栽诓粩嗵剿鞲滩ㄩL的F2激光光源(波長為157納米)光刻技術(shù)，它的使用有望使光刻的最小線寬達(dá)到90納米以下。但是，這種更短波長的紫外光很容易被空氣吸收，要想獲得最終應(yīng)用還需要探索新的光學(xué)及掩模襯底材料?？傊?，157納米光源的光刻技術(shù)開發(fā)給當(dāng)今微電子加工技術(shù)

10、帶來了新的希望，但還有很多技術(shù)難關(guān)需要取得突破，也是一個不爭的事實(shí)。最近，英特爾公司和臺積電公司宣布，它們將在2003年推出0.09微米的光刻生產(chǎn)線，這說明，在光刻精度上人類再次取得了重大突破。材料和制造工藝的限制隨著集成電路集成度的提高，芯片中晶體管的尺寸會越來越小，這就對制作集成電路的半導(dǎo)體單晶硅材料的純度要求也越來越高。哪怕是極其微小的缺陷或雜質(zhì)，都有可能使集成電路中的某個或數(shù)個晶體管遭到破壞，最終導(dǎo)致整個集成電路的失敗。同時，集