半导体集成电路的瓶颈与突破

半导体集成电路的瓶颈与突破报告标题：半导体集成电路的瓶颈与突破学院：班级：学生姓名：学号：30半导体集成电路的瓶颈与突破摘要：随着半导体技术的发展，对集成电路的集成度要求越来越高，本文在分析微电子加工技术和超大规模集成电路发展的基础上，剖析它们面临的发展瓶颈及如何突破关键词：集成电路瓶颈突破引言：随着集成电路集成度的提高，芯片中晶体管的尺寸会越来越小，这就对制作集成电路的半导体单晶硅材料的纯度要求也越来越高。哪怕是极其微小的缺陷或杂质，都有可能使集成电路中的某个或数个晶体管遭到破坏，最终导致整个集成电路的失败。同时，集成电路集成度的提高还会引发另一个十分棘手的问题。随着集成块上晶体管器件之间绝缘厚度的减小，当小到5个原子的厚度时（特别容易出现在绝缘层的缺陷处），量子隧道效应将会出现，即传输电荷的电子将会穿过绝缘层，使晶体管器件之间的绝缘失效。1.瓶颈1.1光刻技术集成电路的加工设备中，光刻是核心。30年来，集成电路之所以能飞速发展，光刻技术的支持起到了极为关键的作用，因为它直接决定了单个晶体管器件的物理尺寸。每一代新的集成电路的出现，总是以光刻所获得的最小线宽为主要标志。光刻技术的不断发展从三个方面为集成电路的进步提供了技术保证:（1）大面积均匀曝光，在同一块硅片上加工出大量的器件和芯片，保证了批量化的生产水平，硅片的尺寸也从最初的2英寸直径，逐渐发展到4英寸、6英寸、8英寸直至现在的12英寸直径；(2)光刻的最小线宽不断缩小(现已达到0.13微米)，使芯片的集成度不断提高，生产成本也随之下降；(3)集成电路中的晶体管尺寸不断缩小后，随着晶体管的时钟速度的不断加快，集成电路的性能也得以持续不断地提高。1.2材料和制造工艺随着集成电路集成度的提高，芯片中晶体管的尺寸会越来越小，这就对制作集成电路的半导体单晶硅材料的纯度要求也越来越高。在制造工艺方面，随着光刻精度的提高，也需要相应提高硅片(基板)和光刻掩模板的表面平整度，对于数十纳米的最小线宽制程，表面平整度几乎是原子尺度。除此之外，光刻精度的提高对基板和掩模板之间的平行度要求也越来越高。这些十分苛刻的制造工艺条件，无疑也将成为提高光刻精度的另一个重要瓶颈。1.3能耗和散热芯片的散热问题已经成为当今超大规模集成电路进一步发展的严重障碍，降低器件的能耗和解决芯片的散热也已成为微电子学技术进一步发展的一个主要技术瓶2.突破2.1芯片加工工艺最近，美国普林斯顿大学开发出一种名为“激光辅助直接刻蚀法(Laser-AssistedDirectImprint，LADI)”的半导体加工工艺技术。该加工技术不同于传统的光刻工艺，先将模子直接按压在硅片上，然后施加五千万分之一秒的激光脉冲，使硅熔化后再按照模子的图案凝固。这种工艺可使一块硅芯片上的晶体管密度增大100倍，器件的尺寸缩小数倍，生产流程也同时得到简化。采用传统技术，生产一块芯片需要10至20分钟，而利用该工艺仅需要四百万分之一秒。借助该技术，可望生产出尺寸更小、速度更快、价格更低的计算机芯片。2.2提高芯片集成度英特尔公司在最新发展的0.09微米制造工艺中，首次采用了7层铜互连技术。基于硅片上单位电路密度和制造成本的考虑，目前的0.13微米制造工艺全部采用了6层铜互连技术。英特尔公司的0.09微米制造工艺采用7层铜互连技术后，其最直接的好处是每块微处理器芯片上可以集成数亿个晶体管，大幅度提高芯片的集成度，同时还可降低生产成本。0.09微米制造工艺的成功让人们又一次看到了芯片工业的持续发展性。2.3器件特性提高和能耗降低芯片中晶体管的最重要特性是它们的开关特性。开关特性的好坏取决于它们能否在“开”的状态下让电流尽可能大地流过，而在“关”的状态下则完全切断电流。事实上，目前晶体管的开关特性还无法达到这个理论上的开关特性。为了尽量提高晶体管的工作效率，降低晶体管的能耗，人们正在研究提高晶体管开关特性的新技术，如有助于大幅提高晶体管电流切断的SOI（绝缘体上覆硅）技术和有助于晶体管在“开”的状态下大幅提高电流速度的“硅拉伸”技术。参考文献[1]黄德欢.纳米技术与应用.上海:中国纺织大学出版社，2001[2]黄德欢.改变世界的纳米技术.美国:瀛舟出版社，2002[3]ChouSY,KeimelC,GuJ.Nature，2002，417：835