摩尔时代微电子技术发展探讨

后摩尔时代微电子技术发展探讨提纲一、引言：晶体管的发明引发电子工业的革命二、硅微电子技术发展现状与趋势三、硅微电子技术受到的挑战和对策３.1、后摩尔时代硅基技术发展可能采取的措施３.2、纳米电子器件和电路研究简介３.3、量子信息技术相关研究取得进展３.4、发展纳米电子学要解决的关键问题一、引言：晶体管的发明引发的产业革命♣1947年的12月23日，Bell实验室的巴丁和布尔吞发明了点接触锗晶体管，拉开了电子工业大革命的序幕。♣1948年1月23日，在点电接触晶体管发明一个月后，Bell实验室的肖克莱提出了结型晶体管结构和ＰＮ结理论，为晶体管的实际应用打下了基础。♣晶体管的发明在当时的电子产业界反应冷淡，但科学界还是给予了充分地肯定，1956年巴丁、布尔吞和肖克莱三人被授予诺贝尔物理奖。世界半导体产品销售额54.60759.86577.310101.879144.404131.966137.203125.612149.500224.000139.000145.000165.4205.1202.1233.6262.5301.7050100150200250300350919293949596979899'00'01'02'03'04'05'06'07'08Year$billion♣晶体管的发明、硅材料和集成电路的研制成功，彻底地改变了人类的生活方式和社会文明。今天几乎90％以上的电子器件和电路都是以硅为基础的；2005年世界集成电路的产值大约为2000亿美元。由它而拉动产值达１万亿的电子产品。二、硅微电子技术发展现状与趋势2.1硅材料作为现代微电子技术的基础，预计到本世纪中叶都不会改变。♣硅单晶常采用垂直布里奇曼法（CZ）拉制，目前用此方法拉制的最大硅直径为18英寸。为保证晶体的质量，常在拉晶的过程中需自动加料，或加磁场来改善晶体中掺杂杂质分布的均匀性。♣硅单晶的年产量已超过10000吨，8-12英寸的硅单晶已工业生产；18英寸的硅单晶已研制成功；27英寸硅单晶生长也在筹划中。2.2直拉硅单晶存在问题♣CZ-Si中高浓度间隙态过饱和氧存在和随着硅锭直径增大，长度加长,微缺陷密度增高及其掺杂剂的径向、纵向微区不均匀分布，难以满足集成电路，特别是当IC的特征线宽小于100纳米时，对硅单晶材料的要求。2.3硅外延材料和SOI材料♣硅外延材料可有效地控制氧、碳等杂质沾污，提高其纯度、完整性和掺杂均匀性;可用于IC线宽小于100nmULSI和电力电子等大功率器件与电路制造。♣目前，8－12英寸的硅外延片（包括SOI圆片）已用于工业生产，更大直径（如18英寸）的外延设备的研制，虽有争议，但不少IC制造大公司已在筹备中。2.4硅集成电路发展趋势预测♣目前，ULSI已实现了130nm和90nm量产，2007年实现65nm，2010年实现45nm，2013年实现32nm，2016年实现22nm量产；2022年硅集成电路的特征尺寸将达到10nm。此后，摩尔定律将受到挑战。2.5我国硅单晶及其微电子产业现状♣2003年我国从事硅单晶材料研究生产的企业有北京有研硅股、杭州海纳和河北宁晋半导体材料公司等约35家，从业人员约3700人。♣目前我国硅多晶的年产量不足300吨，约为世界总产量的1%左右，硅单晶约1200吨左右，约为世界总产量的12%，但多为8英寸以下单晶,IC级多晶硅几乎全部依赖进口。预计2010年我国多晶硅需求量约增约为5000吨。♣我国硅外延材料研究始于1962年，目前从事硅外延片研发的单位有近10家，产品主要是4和5英寸，6英寸外延片还未实现量产，8－12英寸硅外延片尚处起步阶段。6英寸SOI材料有一定的产业基础，但8英寸以上SOI圆片制造，仍是空白。♣我国目前已投产的5－12英寸集成电路芯片生产线有20条，其中12英寸生产线1条，产能可达2万片/月;8英寸生产线8条，产能约30万片/月;6英寸6条，产能约18万片/月;5英寸生产线5条，产能约13万片/月。以上生产线总的生产能力占了世界总产能的5%，主流技术为0.18微米，最高水平为0.09微米。♣预计2010年，我国将新建65－130nm技术的5－10条12英寸、月生产能力3万片的生产线以及8－10条8英寸生产线。具有45nm的研发能力。♣硅（Si）材料作为现代微电子技术的基础，预计到本世纪中叶都不会改变。♣从提高硅集成电路的性能价格比来看，增大直拉硅单晶的直径，仍是今后硅单晶发展的大趋势；预计2016年前后，18英寸的硅单晶将投入生产。♣从进一步缩小器件的特征尺寸，提高硅ICs的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的高纯、大直径和无缺陷硅外延片（包括SOI和应变硅等）会成为硅材料发展的主流。2.6硅基材料的发展趋势根据国际半导体工业协会预测，2022年硅ICs的特征线宽将达到10纳米左右,这时硅CMOS技术将接近或达到它的”极限”,摩尔定律将受到下述三方面的挑战。物理方面：强场效应，绝缘氧化物量子隧穿效应；沟道掺杂原子统计涨落，功耗等;技术方面：互连延迟，光刻技术等;经济方面：制造成本昂贵，难以承受。三、硅微电子技术受到的挑战和对策•硅集成电路线宽的物理极限受:量子力学测不准原理:Ph/td2热力学:Ptd4KT电磁波理论:L=Coτ的限制。•P是在一个二进制开关变换中平均功率的转移,td为渡越时间。♣为克服上述器件物理和互连技术限制，目前主攻的目标主要有：金属栅、高K栅介质、双栅/多栅器件、应变沟道技术和高迁移率材料，如GeSi/Si和应变硅等以及铜互连技术、扩散阻挡层、低介电常数材料、多壁纳米碳管通孔和电路级三维铜互连等。♣在电路设计与制造方面，采用硅基微/纳器件混合电路、硅基光电集成和系统集成芯片（SOC）技术等,来进一步提高硅基ICs的速度和功能。３.1、后摩尔时代硅基技术发展可能采取的措施张应变使Si材料的导带由原来的6重简并退化为一个4重简并和一个2重简并的两个能级，价带上的轻重空穴能级发生分离。这种能带结构的变化不仅导致载流子有效质量降低，同时由于简并度的降低，减弱了载流子的带间散射，从而使应变硅载流子的迁移率上升。♣锗硅和应变硅技术♣应变硅MOS器件沟道技术例举张应变和压应变硅可分别使硅的电子和空穴迁移率增加。应变硅的迁移率提高70％，集成芯片的速度将提高35％。上左图为无应变硅MOS结构；上右图是应变硅（Si/GeSi）作为MOS器件沟道的SEM图。若将纳米量级的RTDs作在微米级的MOSFET源或漏上，形成量子效应－体效应器件，便可实现随偏压变化漏电流的多重开关态。即在不增加功耗和不减小尺寸情况下，可将数字电路的逻辑密度增加100－1000倍。♣微/纳电子器件混合电路•硅基光电集成－致是人们追求的目标，但硅是间接带隙材料，发光效率低，提高发光效率是关键。•通过制备短周期Gem/Sin(m+n=10)超晶格,实现布里渊区折叠,Ge/Si量子点,多孔硅和富硅SiO2中注铒或铈等来提高发光效率,虽有进展，但无突破。•人们普遍认为，将III－V的工艺技术与硅技术结合，实现硅基光电集成是延长MOORE定律的可行办法之一。♣硅基光电集成技术（SOC）•2002年演示了拉曼散射在硅平面波导结构产生光学增益，次年观察到受激拉曼放大，2004年采用光纤制成８米环形激光器，硅作为增益介质实现了硅基拉曼激光输出；2005年在单一硅芯片上研制成功一个紧凑的全硅拉曼激光器。如右下图红线为激射光谱。•泵浦激光波长为1.536纳米，拉曼激光输出的波长为1.6695nm。蓝线为来自无腔波导的自发拉曼发射光谱。♣2005年硅基拉曼激光器研制成功Cavitylength4.5cm,Corediameter1.6μm22006年6月Intel研制成功混合硅激光器。下图是25个不同波长的混合硅激光器（由熔合在硅片上的InP发光器件和硅波导构成）和25个硅调制器组成的特拉比特硅光学发射器示意图，信号由一根光纤输出；可用于PC机、服务器和数据中心等。输出光纤光耦合器胶合在硅片上的InP发光器件硅调制器♣理想的硅基系统集成芯片示意图SOC•采取上述“改良”措施虽然是可以延长MOORE（摩尔）定律的寿命，但硅微电子技术最终难以满足人类日益增长的对信息量的需求；为此，人们正在积极探索基于全新原理的器件和电路技术，如基于量子力学效应的纳米电子、光电子技术，量子信息技术，分子电子学技术和DNA生物计算技术等。•下面简单介绍半导体纳米电子、光电子材料、器件与电路以及量子信息技术的研究进展。３.2、纳米电子器件和电路研究简介目前，虽然建立在量子力学基础上的纳米电子学的工作原理、工作模式，采用什么材料体系和工艺技术等尚存争议，但纳米电子学仍是该领域的研究热点。（1）单电子器件：单电子晶体管和单电子存储器基于量子力学的单电子器件早在10年前就已研制成功，但我们要的是超高密度、低功耗、运算速度快、能与硅工艺技术兼容的技术，目前尚未得到解决。真值表A00001111B00111100C01100110输出00101110♣Cent等提出基于QD单元阵列实现快速计算的设想。无需引线，而是通过量子点间库仑排斥来实现二进制编码和运算。具有高速和低功耗以及高集成度优点。10（2）基于量子点的网络自适应计算机量子点原胞自适应自动机示意图无线连接的量子点原胞自动机的示意图（左），扫描电镜图（右）；D1-D4为金属Al量子点等器件，应用Al/AlOx隧道结工艺制作在氧化硅的表面上，E1-E4为相应的静电计。(3)集成在一个单壁碳纳米管上的逻辑电路♣右图A是集成在一个单壁碳纳米管上、包含5个CMOS反转级的环形振荡器的SEM图，其中的插图是测试单元。B为测量得到的P－FET和N－FET的特性曲线。C是反转器（Converter）特性和镜像图，D为电压依赖的频谱（0.5V,13MHz）和（0.92V,52MHz）。Chen等Science311，1735（2006）Leibers领导的小组，将纳米线自动生成为下述的网格结构，并利用特殊化学激活方法使某些特定交叉点形成“结”（起晶体管作用），输入信号通过“结”沿垂直方向输出。这种技术有可能促使分子电子学走向实用化！（4）自下而上的纳米线自组装技术（1）量子比特构建：普渡大学的研究人员，应用电子束光刻技术制备两个耦合量子点，每个QD的直径为180nm,可容纳20-40个电子。通过控制每个QD中电子的数目和探测相关电子的自旋，可作为量子计算机的基元。３.3、量子信息技术相关研究取得进展J电极上的电压可改变相邻束缚电子的波函数，从而触发和关闭相邻磷核之间的自旋相互作用，交流磁场用来翻转处于共振状态下的核自旋。(2)固态量子计算机设想硅中磷施主一维阵列的两个元胞示意图。它是由高纯硅，掺杂原子磷和绝缘层以及金属栅的重复结构组成，栅宽和栅距为10nm，施主磷精确地掺在每一个栅下的硅体晶体中。A电极下晶体硅里的磷原子的核自旋的顺磁和逆磁方向对应量子比特0和1状态。A栅电压控制电子与核的超精细相互作用，用于控制核自旋的共振频率。（3）其它量子计算原型机例举实现量子计算机的方案很多，主要有：♣离子阱量子计算机(左)，激光冷却和囚禁原子（中）♣二溴噻吩构造的两量子比特核磁共振量子计算机(右)♣腔量子电动力学量子计算机等♣剑桥大学的Yuan等人利用p-i-n发光二极管简单结构中的单量子点实现了电注入单光子发射。♣（A）单光子发光二极管的截面示意图；(B)器件的光学显微镜照片；(C)相同生长条件下量子点的原子力显微镜照片。（4）量子通信的理想光源：量子点单光子发光二极管（5）量子信息试验研究取得重要进展♣中国科大的潘建伟教授领导的实验组，在2005年“自然”杂志发表文章称：在国际上首次通过实验实现了五粒子纠缠态的制备和操纵以及终端开放的量子态隐形传递。科大的另一个小组已实现了125公里的量子态隐形传递。♣所谓量子纠缠是指不论两个粒子间距有多远，一个粒子的变化都会影响另一个粒子的现象，即两个粒子不管他们相距多么远，从根本上讲，它们还是相互联系的。（1）存在问题♣建立在量子力学基础上的分立