微電子技術發展面臨的限制及發展前景論文

微電子技術作為電子信息產業的核心技術，對各生產領域產生廣泛而深遠的影響。在微電子技術的發展過程中，隨着微小型化進一步發展，摩爾定律目前面臨極大挑戰。文章介紹了微電子技術的發展及面臨的限制與挑戰，同時還介紹了微電子技術發展前景。

一、微電子技術的含義及影響

當今社會科技發展日新月異，其中影響最大、滲透性最強、最具代表性的乃是以微電子技術為基礎的電子信息技術。微電子技術作為電子信息產業的基礎和心臟，對航天航空技術、遙測傳感技術、通訊技術、計算機技術、網絡技術及家用電器產業的發展產生直接而深遠的影響。微電子技術主要包括三大內容：一是微電子材料製造。它包括各種半導體基材的製造，最主要的是硅晶片的生產製造;二是微電子製造技術。主要的是集成電路芯片的製造技術。它包含了薄膜工藝、圖形技術、摻雜工藝及熱處理技術;三是微電子封裝及裝聯技術。主要包括IC芯片的封裝和表面組裝技術。如今，微電子技術已成為衡量一個國家科學技術進步和綜合國力的重要標誌。

二、微電子技術發展面臨的限制

微電子製造技術，主要的是集成電路芯片的製造技術。它是微電子技術的核心，其發展推動着信息革命的進程。隨着微電子製造技術的不斷進步和創新，製備高純度的單晶硅片，即晶(圓)片的尺寸愈來愈大，從最初的2英寸，到現在硅晶片直徑已達12英寸(300mm)，有報道現在已經能生產14英寸(350mm)的圓晶，半導體材料生產取得了非凡的成就，為IC芯片的製造提供了基材。製造技術方面，單個芯片上可集成5億個元件，這使得今天的微電子技術已超越了大規模、超大規模、特大規模集成時代。但按照Intel 公司創始人之一的Gordon E. Moore 1965年預言的摩爾定律：芯片集成度以每18個月翻一番這一速度發展。從1958年第一塊半導體集成電路誕生到現在，硅芯片製造工業在微型化方面已面臨極限挑戰。這個極限可從理論極限和實際限制兩個層面上看，具體可歸納成基本物理規律、材料物理屬性的限制、器件電路計算機輔助設計與仿真、製造工藝技術和設備的限制、電路與系統等五個方面。

(一)基本物理規律的限制

硅基CMOS是今天微電子技術的基礎。而IC性能的提高主要是通過對器件尺度以及電源電壓進行合理的縮小(scaling down)實現的。但是這一縮小不是無限的，隨着器件溝道長度、氧化層厚度，以及電源電壓的縮小，諸如短溝道效應(SCE)、漏感應勢壘降低效應(DIBL)、穿通效應(Punch-Through)以及熱載流子效應(HCE)、量子隧道穿透等“次級”效應將會越來越難以克服。由於DIBL、量子隧道穿透等效應的增強將增大晶體管的漏電流，進而增加器件的靜態功耗。當靜態功耗在總功耗中達到一定比例，並且器件的輸出電導大於其跨導時，晶體管的縮小就達到了極限。換言之，微電子學的理論基礎是電磁學、量子力學、熱力學與統計物理學。在集成電路中，是通過控制載流子在媒體中的運動來實現信息的傳輸、存儲及處理，載流子在固體中的.運動要遵循一系列的基本物理規律，而隨着芯片的微小型化，熱效應、電效應等造成的不良影響，目前的技術還無法克服這些違反規律的現象，這就制約了微電子技術的發展。

(二)材料方面的限制

目前微電子技術所採用的材料主要是硅材料(包括單晶硅和多晶硅)，決定材料性質的參數主要有：介電常數ε、載流子的遷移率μ、載流子的飽和速度vs、擊穿電場強度Ec、熱導係數K等。這些性質共同決定了微電子技術在IC高度集成時受到極大的限制，制約了微型化的進一步發展。

(三)工藝技術方面的限制

微電子工藝技術主要包括微細線條的加工、高質量薄膜澱積和離子注入的控制，其中光刻技術是核心技術。其工藝方面的挑戰主要是光刻設備。1978年時，人們認為光學光刻的極限是1微米。到現在雖已推進到0.05微米，但光刻技術受到來自於設備的分辨率(R)和焦深(DOF)的限制，每往前邁進一步都十分困難。雖然摩爾博士在2000年説：“摩爾定律10年不會變”, 但現在進一步的微小型化仍受到限制。摩爾定律正面臨挑戰。

(四)半導體器件“極限”的挑戰

半導體器件面臨的限制主要體現為以下四方面：1.超薄柵氧化層的限制;2.溝道雜質的漲落;3.硅片中強電場效應的限制;4.半導體器件的模擬與模型問題。微電子技術的計算機輔助設計與仿真需要對工藝模擬、器件模擬和電路模擬等幾個部分進行綜合考慮，這需要清晰的物理概念及模型，需要數學計算和軟件工程方面的支持，但這些方面仍面臨挑戰。

(五)電路與系統方面的限制

1.互連引線問題。 隨着器件尺寸的縮小和集成密度的增加，互連引線的橫截面越來越小使得電阻值增高，互連引線的延遲時間增大。尺寸的縮小使晶體管的工作頻率得到了提高，但互連引線的延遲並沒有因尺寸的縮小而得到改善，反而成為更加突出的問題。因此，如何在IC電路設計會考慮引線的優化、解決亞微米金屬鋁連線的電遷移問題，就成了制約微電子技術發展的因素。

2.可靠性問題。微細加工的特徵，尺寸的縮小尤其是柵氧化層的變薄，導致器件的可靠性和亞微米器件的壽命問題突顯。但可靠性問題包含了大量物理和熱力學機理及製造工藝方面的技術需要克服，這也成為制約微電子技術發展的因素。

3.散熱問題。散熱主要受到封裝技術的限制。在集成度不斷提高，集成功能越趨複雜的情況下，在電路和系統的設計中，必須仔細考慮電路的總功耗與芯片散熱能力之間的關係。總功率的限制成為限制芯片集成度的一個主要因素。

三、微電子技術的發展前景

鑑於上述微電子技術發展中遇到的限制，我們必須尋找新的途徑，謀求解決的辦法。現在人們已經在遵循基本物理規律的基礎上，通過與其他學科相結合，取得了可喜的成績。目前人們已經開發出如下的一些產品，這些產品有望幫助微電子技術的發展突破極限，進一步繼續維持摩爾定律。

(一)生物芯片技術

微電子技術與生物技術緊密結合，產生生物芯片。早在上世紀90年代初，美國就開始着力於脱氧核糖核酸(DNA)基因芯片的研究和生產。所謂“生物芯片”，是指類似於計算機芯片的裝置，它在幾秒鐘的時間裏，可以進行數以千次計的生物反應，如基因解碼等。目前正在研究利用有機高分子導電材料作生物芯片技術，可以製造生物計算機，其容量將達到現在電子計算機的10億倍。DNA是微電子技術與生命科學結合的創新領域，基因鑑定是其重要的應用，在農業、綜合工業的研究和生產中有廣泛的應用前景。

(二)塑料半導體技術

化學領域中有機化學的發展與半導體技術的結合，近年來發展了一個塑料半導體技術分支。與硅元素半導體制作晶體管截然不同，這是用塑料製作晶體管，稱為塑料晶體管，又稱為有機薄膜晶體管(OTFT)，這是晶體管制作的一種新途徑。OTFT則可運用精密的噴墨或橡皮圖章式的印刷技術，在短短几分鐘內製作完成。塑料半導體可用於各式各樣的新產品。如拋棄式的射頻標籤、應用於電子書的數字紙張的電子驅動裝置，以及手機、膝上計算機和個人數字助理(PDA)面板等。

(三)碳納米管

隨着IC的線寬越來越小，納米科技的時代終於宣告來臨。為克服越來越困難的半導體Si工藝技術，科學家們開始從材料方面下手，試圖尋找到能代替Si的材料，以解決線寬縮小所帶來的技術問題。1993年美國IBM公司發現單層碳納米管(Single Walled Carbon Nanotubes--SWNT)後，即積極探索將碳納米管應用於電子學上，2001年成功地利用碳納米管制成晶體管，這又是半導體技術的一大突破。碳納米管可應用於微電子組件、平面顯示器、無線通信、燃料電池及鋰離子電池等。最近IBM公司利用碳納米管做出電壓反向器，即非門(NOT Gate)。這是世界上第一個分子內邏輯電路。大家知道，計算機核心處理器基本上是由非門、與門(AND Gate)及或門(OR Gate)三種邏輯組件構成的複雜電路。在這種新納米管電路中，輸出信號比輸入的更強，表明有增益。如果碳納米管的放大作用能達到現今Si晶體管那樣大時，它將擁有與Si一樣的功能。由此推論，當Si無法再變得更小時，比Si還小的碳納米管可繼續維持摩爾定律，從而推動微電子技術繼續向前發展。除此之外，還有一些新材料以及用新材料製作的新器件，限於篇幅未能作介紹，懇請讀者見諒。

任何科學技術的發展都會不可避免地遇到障礙和阻力，在微電子技術的發展過程中也存在許多的挑戰和“限制”。這些限制並不是不可逾越的鴻溝，通過對CMOS器件物理研究的不斷深入、工藝技術的革新以及新材料的開發，將微電子技術與其他學科相結合，將有可能“突破現在提出的極限”，實現持續性的飛速發展。