微电子技术发展趋势及未来发展展望

微电子技术发展趋势及未来发展展望

论文概要：

本文主要介绍了穆尔定律及其相关内容，并阐述了对微电子技术发展趋势的展望。由于微电子技术应用的广泛性，本文在最后浅析了微电子技术与其他学科的联系以及其在未来轻兵器上的应用。由于这是我第一次写正式论文，恳请老师及时指出文中的错误，以便我及时改正。

一．微电子技术发展趋势

微电子学是研究在固体（主要是半导体）材料上构成的微小型化电路、电路及系统的电子学分支，它主要研究电子或粒子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学，以实现电路的系统和集成为目的，实用性强。

微电子学是一门发展极为迅速的学科，高集成度、低功耗、高性能、高可靠性是微电子学发展的方向。信息技术发展的方向是多媒体（智能化）、网络化和个体化。要求系统获取和存储海量的多媒体信息、以极高速度精确可靠的处理和传输这些信息并及时地把有用信息显示出来或用于控制。所有这些都只能依赖于微电子技术的支撑才能成为现实。超高容量、超小型、超高速、超高频、超低功耗是信息技术无止境追求的目标，是微电子技术迅速发展的动力。

微电子技术是当代发展最快的技术之一，是电子信息产业的基础和心脏。微电子技术的发展，大大推动了航天航空技术、遥测传感技术、通讯技术、计算机技术、网络技术及家用电器产业的迅猛发展。微电子技术的发展和应用，几乎使现代战争成为信息战、电子战。在我国，已经把电子信息产业列为国民经济的支拄性产业，微电子信息技术在我国也正受到越来越多的关注，其重要性也不言而喻，如今，微电子技术已成为衡量一个国家科学技术进步和综合国力的重要标志，微电子科学技术的发展水平和产业规模是一个国家经济实力的重要标志。

集成电路(IC)是微电子技术的核心，是电子工业的“粮食”。集成电路已发展到超大规模和甚大规模、深亚微米(0.25μm)精度和可集成数百万晶体管的水平，现在已把整个电子系统集成在一个芯片上。人们认为：微电子技术的发展和应用使全球发生了第三次工业革命。

1965年，Intel公司创始人之一的董事长Gorden Moore在研究存贮器芯片上晶体管增长数的时间关系时发现，每过18～24个月，芯片集成度提高一倍。这一关系被称为穆尔定律(Moores Law)，一直沿用至今。

穆尔定律受两个因素制约，首先是事业的限制(business Limitations)。随着芯片集成度的提高，生产成本几乎呈指数增长。其次是物理限制(Physical Limitations)。当芯片设计及工艺进入到原子级时就会出现问题。

DRAM的生产设备每更新一代，投资费用将增加1.7倍，被称为V3法则。目前建设一条月产5000万块16MDRAM的生产线，至少需要10亿美元。据此，64M位的生产线就要17亿美元，256M位的生产线需要29亿美元，1G位生产线需要将近50亿美元。

至于物理限制，人们普遍认为，电路线宽达到0.05μm时，制作器件就会碰

到严重问题。

从集成电路的发展看，每前进一步，线宽将乘上一个0.7的常数。即：如果把0.25μm看作下一代技术,那么几年后又一代新产品将达到

0.18μm(0.25μm×0.7)，再过几年则会达到0.13μm。依次类推，这样再经过两三代，集成电路即将到达0.05μm。每一代大约需要经过3年左右。

二.微电子技术的发展趋势

几十年来集成电路(IC)技术一直以极高的速度发展。如前文中提到的，著名的穆尔(Moore)定则指出，IC的集成度(每个微电子芯片上集成的器件数)，每3年左右为一代，每代翻两番。对应于IC制作工艺中的特征线宽则每代缩小30％。根据按比例缩小原理(Scaling Down Principle)，特征线条越窄，IC的工作速度越快，单元功能消耗的功率越低。所以，IC的每一代发展不仅使集成度提高，同时也使其性能(速度、功耗、可靠性等)大大改善。与IC加工精度提高的同时，加工的硅圆片的尺寸却在不断增大，生产硅片的批量也不断提高。以上这些导致了微电子产品发展的一种奇妙景观：在集成度一代代提高的同时，芯片的性能、功能不断增强，而价格却不断下跌。这一现象的深远意义在于，随着微电子芯片技术的快速发展，一切微电子产品(计算机、通信及消费类产品等)也加速更新、换代；不仅新一代产品性能、功能大大超过前一代，而且价格的越来越便宜又为电子信息技术的不断推进及其迅速推广应用到各个领域创造了条件，导致了人类信息化社会的到来。

由于集成电路栅长度的减小和集成度的增大，因此必须发展相应的制造技术，即光刻技术、氧化和扩散技术、多层布线技术和电容器材料技术。

①光刻技术

利用波长436nm光线，形成亚微米尺寸图形，制造出集成度1M位和4M位的DRAM。i射线(波长365nm)曝光设备问世后，可形成半微米尺寸和深亚微米尺寸的图形，制造出16M位和64M位的DRAM。

目前，采用KrF准分子激光器的光刻设备已经投入实用，可以形成四分之一微米尺寸的图形，制造出64M位DRAM。采用波长更短的ArF激光器的光刻设备，有可能在21世纪初投入实用。当然，为了实现这一目标，必须开发出适用的掩膜形成技术和光刻胶材料。

X射线光刻设备的研制开发工作，已经进行了相当的时间，电子束曝光技术和3nm真空紫外线曝光技术，也在积极开发之中，哪一种技术将会率先投入实用并成为下一阶段的主流技术，现在还难以预料。

②蚀刻技术

在高密度集成电路制造过程中，氧化膜、多晶硅与布线金属的蚀刻技术，随着特征尺寸的不断缩小将变得越来越困难。

显然，如果能够研制出一种可以产生均匀的平面状高密度等离子源的技术，就会获得更为理想的蚀刻效果。

利用CER(电子回旋共振)等离子源或ICP(电感耦合等离子)高密度等离子源，并同特殊气体(如HBr等)及静电卡盘(用于精密温度控制)技术相结合，就可以满足上述电路蚀刻工艺的要求。

③扩散氧化技术

要想以低成本保证晶体的良好质量，必须采用外延生长技术。其理由是，同在晶体制作上下工夫保证质量所需要花费的成本相比，外延生长技术的成本低得多。

离子注入的技术水平已经有很大提高，可以将MeV(兆电子伏特)的高能量离子注入到晶体内部达几微米深度。迄今采用的气体扩散法，需要在高温中长时间地扩散杂质才能形成扩散层。而现在，利用离子注入技术，可以分别地将杂质注入到任意位置，再经一次低温热处理，就可以获得同样的结果。

同时，低能量离子注入技术也取得很大进展，可以形成深度小于0.1μm的浅扩散层，而且精度相当高。另外，斜方向离子注入技术也大有进展，可以在任何位置注入杂质，从而可以在低温条件下按照设计要求，完成决定晶体管性能的杂质扩散工序作业。用固相扩散法制造源漏极浅结极为有效，已经获得35nm的浅结。

④多层布线技术

把电阻小于铝的铜，作为下一代布线材料正在引起人们的关注。美国半导体工业协会(SIA)已经将“以铜代替铝”列入其发展规划，并制定出相应的目标和技术标准。

铜布线采用镶嵌方法制作，并利用CMP(化学机械抛光)技术进行研磨，布线形成则使用半导体级电镀技术。铜容易在绝缘膜中扩散，所以，在采用铜布线时，需要同时采用能够防止铜扩散的势垒金属技术。

用离子束喷射法替代常用的真空溅射法，将金属喷射到硅圆片表面，这种方法使硅圆片不需要金属化的一侧带负电荷，然后让金属离子带正电荷，在负电荷吸引下，金属粒子沉积在硅圆片表面，形成十分均匀的金属薄膜。预计离子喷射法三年后可达到实用。

在高速电路的布线中，必须同时形成低介电系数的层间膜。氧化膜的介电系数为4.0，添加氟(F)的氧化膜，其介电系数现在可以达到3.6，利用高密度等离子CVD(化学气相淀积)技术可制作含氟的氧化膜。

⑤电容器材料

随着DRAM集成度的提高，电容器材料——氧化膜的厚度变得越来越薄。进入90年代以来，氮化硅膜技术不断改进，并改用立体的电容器结构，以确保所必需的电容值。但是，这种技术似乎已经接近其极限，今后有可能采用迄今没有用过的新材料，如氧化钽膜(Ta2O5)和高电容率材料(BST)等。

三.微电子技术与其它学科

微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等多方面的内容；涉及了固体物理学、量子力学、热力学与统计物理学、材料科学、电子线路、信号处理、计算机辅助设计、测试和加工、图论、化学等多个领域。

微电子学渗透性强，其他学科结合产生出了一系列新的交叉学科。微机电系统、生物芯片就是这方面的代表，是近年来发展起来的具有广阔应用前景的新技术。

微电子学技术已经渗透到各个方面，随着科技的发展，其对各个学科的影响