半导体器件发展历程及其展望(精)

第26卷第4期2006年11月Vol.26,No.4固体电子学研究与进展Nov.,2006硅微电子学半导体器件发展历程及其展望肖德元陈国庆(中芯国际集成电路有限公司存储器技术发展中心,上海,201203)2004212215收稿,2005203207收改稿Ξ摘要:简述了半导体器件发展历程,及其对人类社会发展所产生的深刻影响。探讨了半导体器件所取得的最新研究成果以及它今天面临的挑战及未来发展趋势。最后阐述了世界半导体产业重心的转移及其给中国半导体产业发展带来的机遇与挑战。关键词:半导体器件;微电子技术;产业重心;半导体技术蓝图中图分类号:TN301文献标识码:A文章编号:100023819(2006)042510206SemiconductorDeviceHIAODENGuoqin(MemTtter,SemiconductorManufacturingInternational(Shanghai)Corporation,Shanghai,201203,CHN)Abstract:Inthispaper,abriefintroductionisgiventothesemiconductordevicehistoryanditshugeimpactonhumanbeing.Themostimportantachievementsinthisfieldarelisted.Thechallenges,theindustryfacesaswellasthefuturedevelopmenttrendarealsoexpressed.Finally,thephenomenonofthesemiconductormanufacturingcentershiftingfromonecountrytoanotherisdescribed.ThegreatopportunitiesandhugechallengestotheChinesesemiconductorindustryarediscussed.Keywords:semiconductordevice;microelectronics;manufacturingcenter;semiconductorroadmapEEACC:25201引言互联网打开了知识之窗,成为21世纪新的信息化社会的象征。利用互联网,人们足不出户,就能够对旅行列车或飞机的时刻表及目的地的地图,甚至于购物商店,下榻旅馆了如指掌。信息技术(IT)的利用,使社会更具活力,更有效率。那么支撑IT技术进步的驱动力是什么呢?那就是人们常说的,不断追求发展以“更低的能耗”及“更快的速度”处理“更多的信息”为目标的新技术。IT的原动力是半导体技术。有感于半导体技术发展如此迅速,摩尔1998年感慨道:假如汽车工业也象半导体工业那样进步如此迅速的话,一辆劳斯莱斯跑50万英里将仅消耗一加仑油,并且丢弃它比将它泊在停车场来得便宜。与半导体技术一同成长起来的我们这一代人,感受良深。今天,集成电路已覆盖信息、通讯、运输、军事、太空以及消费性电子等人类生活的全领域。ΞE2mail:[e-mail]©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.期肖德元等:半导体器件发展历程及其展望5112半导体器件发展历程1947年12月23日清晨,威廉・肖克莱(WilliamShockley)焦虑不安地驾车穿越纽瓦克境学界称为“20世纪最重要的发明”。他们3人因此分享了1956年度的诺贝尔物理奖。自第一个晶体管被发明以来,各式各样的新型半导体器件凭借更先进的技术,更新的材料和更深入的理论被发明[2]。1952年,Ebers提出可控硅器件(Thyristor)基本模型。1954年,贝尔实验室的阙平(Chapin)等人发表PN结硅太阳能电池(Solarcell)。1957年,Kroemer提出异质结双极型晶体管(HBT),这种器件具有更快的速度。1958年,日本的江畸(Esaki)发现重掺杂PN结具有负阻效应,对这种反常现象的理解是能带结构中的隧道效应,这促成了隧道二极管(Tunnelingdiode)的问世,1973年度的诺贝尔物理奖。Kilby和仙内布满严霜的西部山区,在通往贝尔实验室的那段拥挤不堪的大道上,肖克莱对周围的机动车辆几乎全然不顾,他的心思已经不在这里了。这天下午,他所在的研究小组要为上司现场演示一种全新的、颇有前途的电子器件,他得提前作好准备。他深知这种基于半导体的放大器有可能引发一场革命。二战结束后,贝尔实验室开始研制新一代的固体器件,具体由肖克莱负责。前两天的一个中午,肖克莱的两位同事理论物理学家巴丁(JohnBardeen)和出生于中国厦门的实验物理学家布拉坦(WalterBrattain),在一个三角形石英晶体底座上将金箔片压到一块锗半导体材料表面制成两个点接触,当一个接触点为正偏(即相对于第三点加正电压),而另一个接触点为反偏时,的晶体管行为。(Point2contact)它可放大器”以传导、个晶体管的照片[1成和电阻、电容的集成电路circuit)。一块集成电路中包含的晶体管,则可完成更复杂的电路功能。从此开创了称为微电子技术发展进步和广泛深入应用的新纪元,即微电子革命。基尔比因此项贡献获得2000年度的诺贝尔物理奖,诺宜斯可惜已经谢世而无法分享此项殊荣。1960年,由于表面态问题得到了有限控制,贝尔实验室的Kahng和Atalla成功地研制出第一只实用型金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。这种晶体管后来主导了集成电路和微芯片的命运。自MOSFET研制成功后,它得到了迅猛发展并且成为微处理器(Microprocessor)与存储器(Memory)等先进集成电路中最重要的器件,与其相关的集成电路产品占有半导体市场90%的份额。1962年,Hall等人研制成功第一个半导体激光二极管。1963年,Kroemer等人发表异质结半导体激光二极管。1963年,Gunn提出转移电子二极管,被称为耿氏隧道二极管。1963年,贝尔实验室的Wanlass和萨支唐,发明互补式金属氧化物半导体场效应晶体管(CMOS)器件。它是NMOS和PMOS的一种有机组合,构成逻辑器件。其优点是该器件只有在逻辑状态转换时(比如,从0到1)才会产生大电流,而在稳定状态时只有极小的电流通过。因此,电路的功率损耗可以大幅度地减小。对先进的集成电路而言,CMOS器件图1历史上第一个晶体管Fig.1Thehistoricalfirsttransistor1949年肖克莱发表了关于PN结理论及一种性能更好的双极型晶体管(BJT)的经典论文,通过控制中间一层很薄的基极上的电流,实现放大作用,次年制成具有PN结的锗晶体管。由于双极型晶体管是通过控制固体中的电子运动实现电信号的放大和传输功能,比当时的主流产品真空电子管性能可靠、耗电省,更为突出的是体积小得多,因此在应用上受到广泛重视,它很快取代真空管作为电子信号放大组件,成为电子工业的强大引擎,由此引发了一场电子革命,把人类文明带进现代电子时代,被媒体和科©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.卷是最佳的器件,它是当今乃至今后相当长一段时间内最主要的集成电路技术。1965年,Johnston等人发明碰撞电离雪崩渡越时间二极管。1965年,摩尔为纪念《电子学》杂志创刊35周年,发表了集成电路上晶体管数目每18个月至24个月翻一番的规律,人称摩尔定律。虽然它是根据1959～1965年的数据归纳的,但至今仍然有效。1966年,Mead发明金属半导体场效应晶体管MESFET,它是单片微波集成电路的关键器件。1966年,IBM公司的RobertH.Dennard发明是大部分量子电子器件的基础。1980年,Minura等人发明调制掺杂场效应晶体管MODFET,这种器件将成为速度更快的场效应晶体管。1980年,K.V.Klitzing从MOSFET结构中发现量子霍尔效应并开发出测定物理常数的新技术,获得了1985年的诺贝尔物理学奖。1998年诺贝尔物理奖授予HorstStomer、崔琦和RobertLaughlin,以表彰他们发现分数量子霍尔效应及对这一新的量子液体的深刻理解。1994年,Yano等人发明室温下工作的单电子存储器(Single2electronmemorycell,SEMC)。它其动态随机存储器DRAM,它是一种挥发性半导体存储器(Volatilesemiconductormemory,VSM),已广泛应用于当今计算机领域。1967年,贝尔实验室的Kahng和施敏(S.M.Sze)发明非挥发性半导体存储器(Nonvolatilesemiconductormemory,NVSM)。这是一种非常重要的半导体存储器,它与通常的MOSFET不同之处在于它的控制栅极下面加了一个浮动栅极,所示,它可以在电源关掉以后,荷。高器件密度、,它已经成、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器。实就是将浮动栅极的长度缩小到极小的尺寸(如10nm)所产生的极端非挥发性半导体存储器。在这种尺寸下,,浮动栅极的电,。它可以说,因为只需一个电子就(bits)最先进的半导体存储器的基础。1998年,IBM公司与日本NEC公司合作,采用原子力显微镜(AFM)技术研制成功碳纳米管晶体管(Carbonnanotubetransistor,CNT)。该晶体管的衬底为硅,并作为栅极,源极和漏极是用金做的,研究人员用原子力显微镜(Atomicforcemicroscope,AFM)在三个电极间放置了一根半导体性的碳纳米管,如图3所示。这只场效应晶体管的性图2第一个非挥发性半导体存储器(NVSM)示意图Fig.2Thediagramofthefirstnonvolatilesemiconductormemory,NVSM1970年,Boyle和Smith发明电荷耦合器(CCD)。1970年,英特尔的FedericoFaggin,TedHoff和StanMazor发明第一个微处理器4004,它是由2300个晶体管组成的一个四位芯片,每秒能处理6万次运算。此芯片为具备数据处理,存储及输入输出,还可以写入程序的多功能系统,其衍生的后代包括现今最流行的Pentium处理器。1974年,张立纲等人发明共振隧道二极管,它图3IBM研制的第一个碳纳米管晶体管Fig.3Thefirstcarbonnanotubetransistor©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.期肖德元等:半导体器件发展历程及其展望513能良好,当栅电压变动时,源极与漏极之间的电导变化10万倍,是一个具有应用价值的电子开关。利用这一突破性的晶体管技术制造的芯片将比现在的硅芯片更小、更快。其技术难点在于纳米碳管定位、选择性成长与连结技术等[3]。1998年,普林斯顿大学研制成功室温下工作的硅基单电子量子点晶体管(Single2electrontransistor,SET)。器件工作原理是基于库仑阻塞效应。器件的电流2电压特性分析显示,能级分离约110meV,硅孤岛(点)的直径约12nm,如图4为硅基单电子量子点晶体管结构及显微照片[4]。图5栅长仅为5nm的纳米线FinFET器件Fig.5The52nmgatelengthnanowireFinFET神秘莫测的微观物理量走出科学的神圣殿堂,成为集成电路制造晶体管设计用到的参量。今天,集成电路已覆盖信息、通讯、运输、军事、太空以及消费性电子等人类生活的全领域。半导体产