微电子信息材料的发展趋势

jilong168

微电子信息材料的发展趋势
微电子技术的发展使得单个芯片上已经可以集成上亿个单元，集成度的提高不仅意味着微电子工艺的成熟同时还对材料提出了更高的要求。在电子技术发展的今天，设备的使用频率越来越高，已经到达了微波频段。微波射频下半导体器件的特性将发生变化，传统的Si基器件已将不再适用，为了满足系统向高频发展的趋势，我们必须研究其它化合物半导体。

半导体材料的发展经历了从锗、硅、GaAs等化合物半导体材料到超晶格量子阱材料、高温半导体材料、纳米半导体材料的一个过程。它们之间的关系是相辅相成的，谁也离不开谁。硅材料是现在的主流材料，从提高硅集成度和降低成本来看，增大单晶硅的直径仍是今后发展的一个趋势。

一、化合物半导体材料。

化合物半导体材料是微电子和光电子的基础材料，特别是在光电子器件和光电子集成方面有独特的优势。GaAs、InP基等超晶格、量子阱材料、量子线与量子点材料，很有可能成为继硅材料后最有希望用于进一步发展微电子和光电子技术的材料。化合物半导体主要有以下几个优点：1、材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高器件设计的灵活性与性能优化的潜力；2、具有更高品质的载流子输运特性，可以满足高频、高速器件的基本要求；3、为直接能隙半导体，能够用于光电子发射；4、高频、高速、微波、光电应用电路的一体化：对全功能性材料的追求——单片化多功能集成电路技术。

虽然化合物半导体具有很多优势，但是也存在问题。首先就是单晶体化合物生长很困难；这是由于Ga、In、P等元素单质在熔点下是高挥发性的，很难控制成分比例，同时也会造成污染。随着薄膜外延技术的发展，特别是MBE、MOCVD等的出现，使得单晶的生长得于实现，直接推动了化合物半导体新型器件的发展。在这个基础上，传统半导体工艺中的扩散、注入、金半接触、氧化，即所谓的“掺杂工程”也在逐渐被“能带工程”所取代。“能带工程”即通过外延形成异质层结构。从而使其具有高电子迁移率，反应时间缩短，在微波频段可以胜任，同时也解决了传统器件工作区内增加载流子浓度与提高载流子迁移率的矛盾。



二、高温半导体材料。

在军事武器系统及民用微波发射设备中为了满足特殊要求需要固态大功率发射源，固态源具有小体积、长寿命、高可靠、轻重量的优势。固体大功率发射源需要材料具有以下几个特点：在强场下有高电子漂移速度；具有大的禁带宽度并且可以在高温下正常工作；具有高的热导率，以保持低的结温度；具有高击穿电场强度，提高器件外加电压来提高输出功率。

典型的高温半导体材料有GaN、4H-SiC，他们的特性对比如下表：

	禁带宽度（eV）	相对介电常数	击穿电场（V/cm）	电子饱和速度（cm/s）	迁移率（cm2/Vs）	热导率（W/cmK）
GaN	3.4	9.0	35E5	1.5E7	1000	1.7
4H-SiC	3.2	9.7	35E5	2E7	800	4.9

它们的共同特点是两者均为宽禁带半导体，二者可以在高于400°C温度下工作，并具有高的热导率。在军用现代相控阵雷达、移动通信基站中都需要X波段大功率源，其发展前景较好。



三、纳米半导体材料

所谓纳米半导体材料通常称为低维半导体材料，是指除三维体材料外的二维，一维和零维半导体材料；二维超晶格、量子阱材料是指载流子在二个方向上可以自由运动，而在另外一个方向受到约束，即材料在这个方向的尺寸与电子的德布洛意波长或电子的平均自由程相比拟或者更小。一维量子线材料是指载流子仅在一个方向可以自由运动，而在另外两个方向受到约束；零维量子点材料，是指载流子在三个方向上运动都要受到约束的材料系统，即电子在三个维度上的能量都是量子化的。

纳米半导体材料是一种人工可改性的（通过能带工程实施）新型半导体材料，具有与体材料截然不同的性质。随着材料维度的降低和结构特征尺寸的减小，量子尺寸效应，量子干涉效应，量子隧穿效应，库仑阻塞效应都会表现得越来越明显。MBE、MOCVD技术，超微细加工和电子束光刻技术等的发展为实现纳米半导体材料生长制备，量子器件的研制创造了条件。

已经发展得相当成熟的半导体超晶格量子阱材料，其实就是正统的纳米薄膜材料，半导体量子点材料也正处于迅速发展阶段。就从发展纳米电子学、光电子来看，采用什么材料体系，也在探索中。不少人认为，硅材料可能是纳米技术最重要的候选材料之一，因为硅具有纯度高、完整性好、机械性能高和天然的二氧化硅绝缘介质等；GaAs、InP基等III-V族化合物材料是另一个可选择的一个的材料体系，但材料的制造成本高、完整性差是其缺点。硅基光电子器件集成一直是人们追求的目标，虽有不少想法，如利用GeSi/Si、多孔硅和纳米硅来实现硅基光电集成等，但至今进展不大。

微电子技术发展趋势及未来发展展望

论文概要：

本文介绍了穆尔定律及其相关内容，并阐述对微电子技术发展趋势的展望。针对日前世界局势紧张，战争不断的状况，本文在最后浅析了微电子技术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。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。

　　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．微电子技术在未来轻兵器上的应用

当今世界，高新技术的浪潮推动着世纪战车，正飞速驶入一个全新的时代。各类传统观念上的兵器在
高技术的洗礼下，都产生了革命性的变化。在诸多高技术中，雄踞榜首的是微电子技术。

微电子技术是使电子元器件和由它组成的电子设备微型化的技术，其核心是集成电路技术。先进的微电子技术在军事领域中的广泛应用打破了千百年形成的武器装备唯大、唯多和大规模破坏等传统观念，使武器系统小而轻，功耗低，可靠性高，作战效能和威力增强。如军用通信指挥系统，高空卫星侦察监视，海底导弹发射及海、陆、空各军兵种的配合与联络，靠的都是微电子技术。

微电子技术在轻武器中的应用方兴未艾，有许多应用正在研制中，如数字地图计划：为提供士兵所需要的一切信息，可把天气数据、情报、敌友军的位置、空中成像等一切信息融合到一起，以数字方式存储，并通过无线计算机网络送到任何需要的地方，甚至是前线。若将这种数字地图直接接入武器，不仅可以大大提高武器的精度，而且能使后勤得到可靠保障。随着光学、电子、材料、
机械等各方面技术的发展，微电子技术必将广泛地应用于轻武器，发挥更大的作用。

小结：

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。

电子科学与技术051班
勾俊*
学号:052***

2006年10月28日

参考文献：

[1]
蒋建飞《蔡琪玉.纳米电子学——电子学的前沿.固体电子学研究与发》，1997；17(3)：218～226

[2]
汤庭熬《面向21世纪微电子发展预测和一些关键技术介绍.》（第一届半导体与集成电路成品率研讨会），1997年11月

[3]
邵虞.穆尔定律，B/B值和硅周期评介.电子产品世界，1999(10)：6～7

[4]
李志坚《21世纪微电子技术发展展望》，2001年

lasermod

好的! 多谢介绍,学习了!

henrylxq

不错，学习了

aqishisi

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st_james

sounds great...............................

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