微电子工艺新技术

微电子工艺新技术发展

陈绮文

单位：电科112，信息与电子工程学院，山东工商学院，264005

摘要：21世纪微电子技术发展需要新技术，才能真正快速发展。集成技术要求硅晶圆片的尺寸越来越大，光刻加工线条（特征尺寸）越来越细。系统集成芯片（SOC），SOC进一步发展，可以将各种敏感器和执行器与信息处理系统集成在一起，从而完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这是一个更广义上的系统集成芯片。微机电系统技术（MEMS）把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使其成为真正的系统。纳米技术的发展以及成熟将是系统集成芯片技术的核心之一，碳纳米材料代替硅纳米材料，具有更好的集成性，推动微电子技术继续向前发展。

关键词：集成技术SOC技术MEMS技术纳米电子技术

21世纪微电子技术建立在以Si基材料为基础、CMOS器件为主流的半导体集成电路技术。随着IC设计与工艺水平的不断提高，系统集成芯片将成为发展的重点，MEMS技术是微电子技术新的增长点。同时，纳米电子技术是微电子领域的新亮点。

1.微电子集成技术

现今的主流工艺，硅基CMOS电路。硅基技术的越来成熟，硅基CMOS芯片应用的逐渐扩大，硅平面的加工工艺技术作为高新技术基础的高新加工技术也将继续下去。硅半导体集成电路的发展，一方面是硅晶圆片的尺寸越来越大，另一方面是光刻加工线条（特征尺寸）越来越细。1（从硅片尺寸来看，从最初的2英寸，经过3、4、6英寸发展到当今主流的8英寸。近几年来又出现12英寸的硅晶片，直径达300mm，它的面积为8英寸片（200mm）的2.25倍。尺寸变大，可以降低生产成本，增加产能，提高成品率。）而在光刻加工线条（特征尺寸）方面，在0.25um技术之后，已有0.18um、0.15um以至0.13um技术连续开发出来并投入使用。现今主流产品的特征尺寸已缩小到0.18~0.13um。据国际权威机构预测，到2014年，微电子芯片加工技术将达到400mm硅片、50nm特征

尺寸，到2016年，器件的最小特征尺寸应在13nm。然而，硅基CMOS的发展随着特征尺寸的缩小，即将达到器件结构的诸多物理限制，不可能一直按摩尔定律揭示的规律长期的发展下去。未来必会采用新材料使CMOS进一步发展起来，高K材料和新型的栅电极，采用非经典的FET器件结构和新工艺技术等。

2 SOC技术——正在成长的系统集成芯片

系统集成芯片，System on Chi（SOC）技术，由芯片发展到系统芯片（SOC），是改善芯片集成技术的新举措。微电子器件的特征尺寸很难按摩尔定律无限的缩小下去，在芯片上增加集成器件是集成技术发展的另一方向。与从分立晶体管到集成芯片（IC）一样，系统芯片（SOC）将是微电子技术领域中又一场新的革命。2（从1990年后，集成芯片系统（SOC）讯速发展起来，它是以硅基CMOS 为基础技术，将整个电子系统和子系统整个集成在一个芯片上或几个芯片上，它是集软件和硬件于一身的产物，SOC的设计是通过嵌入模拟电路、数字电路等IP的结合体，可以具有更大的灵活性。）一个典型的SOC可能包含应用处理器模块、数字信号处理器模块、存储器单元模块、控制器模块、外设接口模块等等多种模块。微电子技术从IC向SOC转变是一种突破，也是信息技术发展的必然结果。集成系统的发展是以应用为驱动的，随着社会信息化的进程，它将越来越重要。21世纪仅仅是SOC发展的开始，它将进入空间、进入人体、进入家庭，它将进入需要所有需要掌握信息处理的信息空间和时间。

3 MEMS技术是微电子技术新的增长点

MEMS，Micro Electro Mechanical Systems——微机电系统。微机电系统技术是建立在微米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。这种微机电系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令进行操作。它的目标是把信息获取、处理和执行一体化地集成在一起，使其成为真正的系统，也可以说是更广泛的SOC概念。MEMS不仅为传统的机械尺寸领域打开了新的大门，也真正实现了机电一体化。用微电子技术和微加工技术相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、驱动器和微系统。微机电系统（MEMS）是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技

术，该技术将对未来人类生活产生极大性影响。它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科。因此，它被认为是微电子技术的又一次革命，对21世纪的科学技术、生产方式、人类生活都有深远影响。

4 纳米电子技术

随着硅基CMOS发展的特征尺寸缩小，即将达到器件结构的诸多物理限制，不可能一直按摩尔定律揭示的规律长期的发展下去。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，此时的半导体纳米材料就开始成为研究对象。

纳米材料集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度和强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点。在纳米技术的发展中，碳纳米管为代表的纳米结构及相关技术的研究受到了广泛重视。它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。碳纳米管可分为半导体型及金属型两种，而只有半导体型碳纳米管方可用来制作晶体管。采用一种称之谓“建设性毁灭”的技术促使新晶体管诞生。主要方法是以一电子冲击波来摧毁掉金属型碳纳米管，只留下半导体型碳纳米管用来制作晶体管。3（而在近期最新的突破，IBM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（或称单分子）逻辑电路。大家知道，计算机核心处理器基本上是由非门以及与门（AND Gate）及或门（OR Gate）三种逻辑组件构成的庞大的复杂电路。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，其增益值为1.6。)如果碳纳米管的放大作用能达到现今Si晶体管那样大小时，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。

目前，半导体纳米材料与器件的研究仍处于探索、开发阶段，但它们在多个领域的应用，如新型高效太阳能电池、纳米级电子器件、纳米发光器件、激光技术、波导、化学及生物传感器、化学催化剂等已呈现出诱人的前景。

结论：21世纪人类将全面进入信息化社会，对微电子信息技术将不断提出更高的发展要求，微电子技术仍将继续是21世纪若干年代中最为重要的和最有活力的高科技领域之一。为了能够更好地适应社会的需要，微电子技术必须出现新