微电子材料发展现状,瓶颈及未来趋势 微电子02 马伟 2010053043

微电子材料发展现状，瓶颈及未来趋势

微电子02 马伟2010053043

摘要：在微电子技术的发展过程中，材料起着至关重要的作用。文章着重介绍了微电子领域材料科学领域的进展，和目前材料发展过程中所遭遇的瓶颈，以及未来微电子材料发展的方向和趋势，并给出了一些建议。

关键词：微电子材料制造技术瓶颈发展方向建议

引言：

微电子技术的发展有赖于材料科学及制备技术的巨大贡献，每一次材料领域的新突破都会带来微电子技术的重大的前进。而微电子技术的迅猛发展，反过来又对与之相关的材料提出了更高的要求。材料为技术提供了发展的基础，技术又为材料带来了发展的动力。这些因素共同促成了微电技术过去几十年奇迹般的突飞猛进，并且在将来仍将延续。

微电子领域涉及的材料包括功能材料，结构材料，工艺及辅助材料等，具体到材料种类则包括硅，锗等元素半导体材料，化合物半导体材料，金属材料等。

微电子材料发展的现状及瓶颈：

硅半导体材料主要包括单晶硅，多晶硅，非晶态硅等。硅单晶材料是目前微电子工业的基础。由于其具有高纯度，低缺陷，自然界含量丰富，易于获得等优势，所以目前大多数半导体材料采用硅基材料来制作。作为晶圆片的硅单晶材料在未来一段时间的发展趋势仍然是尺寸越来越大，以满足高性能芯片甚至是芯片组的要求。但是这种趋势的进一步发展，面临着一些问题。硅单晶材料是从坩埚里拉出来的，用石墨作为加热器。这一过程中氧和碳会掺入到硅材料中。影响其纯度，随着硅单晶尺寸的增大，污染的分布变的更加不均匀，从而导致缺陷的产生，严重影响了器件的寿命。为避免这一问题，目前主要采用的一种技术叫作硅外延法，即在硅的衬底上外延生长硅薄膜，来提高硅的纯度，克服上述缺点。

多晶硅是单质硅的另一种形态，由许多硅单晶颗粒组合而成。多晶硅薄膜具有高电子迁移率，大面积低成本的优势。但是其力学性质，光学性质，热学性质的各向异性不如单晶硅。多晶硅材料是制造太阳能电池，及高纯硅制品的主要原料。

非晶硅是一种新兴半导体薄膜材料，它的用途很多。可用于太阳能电池，非晶硅场效应晶体管的制造。非晶硅场效应晶体管具有低成本制造的优势。其还可用于主动式有机发光器，作为OLED驱动组件后有机电路产品上。

最初的晶体管是由锗制造的，但是由于锗不如硅那样易于获得，同时由于其

不能在其表面形成一层稳定的氧化物膜而对其内部构造进行有效地抗氧化保护和绝热耐高温保护而逐渐被硅所取代。但是，直到今天，锗材料依然在微电子材料领域中占有一席之地。

化合物半导体材料由于具有一些元素半导体材料如硅，锗等所不具有的一些优势，而日益受到重视。这其中包括GaAs,InP,SiC,GaN,SiGe等材料。这些材料目前正在获得较多的关注和较大的发展，必将在微电子材料领域受到重用。

以硅为基微电子器件在其发展过程中，由于集成度增加而导致硅材料的线条越来越细，线条间的排列也越来越紧密，受到材料微观物理结构的影响及材料间的相互作用，其在未来的发展过程总会达到一个物理极限，虽然目前还不能确定这个极限到底是多少。但是，硅晶线在技术上的极限已经逐渐呈现出来。由于现在的集成电路中布线越来越长，导致延迟响应增加，限制了速度的提高。而以GaAs为代表的一些化合物半导体材料，由于具有电子高漂移速度，因此具有一定的优势。但这些材料也存在一些问题，比如GaAs的纯度不如硅，且热稳定性差，在制造过程中如果涉及到热处理过程，其产生缺陷的概率将大大增加，从而影响到了由其所制成的产品的质量。

除以上所列举到的之外，还有一种叫做SOI的材料，即绝缘衬底材料，是通过在晶片上形成一层绝缘层，再在绝缘层上制造一层硅薄膜来实现的。这种硅材料具有能耗低，体积小的优点，因而有一定的发展前景，但其有一个缺点是增加了成本。

金属材料由于其一些无可替代的特殊性能，如良好的导电性等，是目前微电子工业的重要材料，比如，铜，铝在布线工艺中有重要应用。

此外，最近几年有较快发展的碳纳米管，石墨烯等材料由于具有更高的电子迁移率，更低的尺寸，而被认为有望在传统硅材料技术已达极限的情况下，取而代之，延续摩尔定律的神奇。

微电子材料的发展趋势：

我们知道，微电子技术发展的趋势是更小的尺寸，更高的速度及更低的功耗，而微电子材料的发展必将服务于这一趋势。未来需要有新的技术出现来进一步降低硅半导体材料化合物半导体材料等在制备加工过程中所产生的缺陷，以及降低制备加工的成本。另外，还需要找到替代材料来降低能耗，而近年大热的纳米材料由于其微观结构所带来得优越特性而有望解决这一问题。

建议：

给予微电子材料对于微电子技术这一战略性产业的重要作用，建议国家加大对其科技投入，尤其是对于基础研究领域的投入，这样才能使我国有望在这一领域取得重大突破，而赶超日美等强国，同时，延续摩尔定律的神奇。