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微电子学技术发展的瓶颈和出路
黄璇　黄德欢
  在当今的信息社会中，电子学的应用显得越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示都离不开电子学。电子学技术早已经成为人类经济的 命脉。电子学未来的发展，将以“更小、更快、更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是 进一步降低芯片的能耗。只有在这三方面都得到同步的发展，电子学技术才能取得新的重大突破。数年前，根据电子器件“更小、更快、更冷”的发展目标，美国国 防高等技术研究署(DARPA)提出了超电子学(ultra electronics)研发计划，要求未来的电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高5~100倍，速度快10~100倍，而能耗则要小于现有器件能 耗的2%，最终希望达到“双十二”，即1012位的存储器容量和1012次／秒的运算器速度，且廉价而节能。这显然对未来的微电子加工技术提出了更高的要 求。
   　　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。随着对集成电路芯片的要求越来越高，微电子器件将过渡到纳米电子器件，后者将成为21世纪信息时代的核心。
   微电子学技术的巨大成就
   　　微电子学技术及超大规模集成电路的飞速发展使得人类在计算机、电子通讯、航空航天等重大经济领域取得了突飞猛进的进展，它们已经成为当代各行各业智能工作的基石。
   2000年10月10日，瑞典皇家科学院宣布，2000年度诺贝尔物理奖授给俄罗斯圣彼得堡约费物理技术研究所的阿尔费罗夫(Z. Alferov)、美国加州大学圣巴巴拉分校的克勒默(H. Kroemer)和美国得克萨斯仪器公司的基尔比(J. Kilby)。阿尔费罗夫和克勒默因为发明了基于半导体层状异质结构的快速光电子和微电子元件，获得了本届诺贝尔物理奖。利用这种半导体层状异质结构技术 制造的快速晶体管和激光二极管，分别在卫星无线电通信和移动电话通信，以及条形码阅读仪和光盘播放机等技术上得到了广泛应用。基尔比则因在发明和开发集成 电路芯片中所作的杰出贡献而同时获得诺贝尔物理奖。集成电路的发明，使微电子元件成为现代技术的基础。在诺贝尔奖的百年历史上，把物理奖颁给一种技术是极 为少见的。20世纪的最后一顶物理学王冠之所以会戴在微电子学技术的头上，是因为它对人类的影响实在是太大了，在当代社会中有着举足轻重的地位。
   　　半个世纪以来，电子学技术领域发生了两次重大技术革命，一是晶体管取代真空电子管，二是集成电路取代传统的导线连接电路。这两次技术革命对人类以计算 机和信息技术为基础的新技术的发展起到了巨大的推动作用。特别是超大规模集成电路的出现，导致了现代计算机技术和通信技术翻天覆地的变化，催生出了一个巨 大的计算机产业，并进而孕育出了一个崭新的信息时代。如今，人们享受着“信息的阳光”，诸如，手里拿的手机、桌上摆的计算机、小巧方便的掌上电脑、无处不 在的网络，以及各种各样的电子设备与系统等等。而这些信息时代的高科技产物都离不开一种最核心的部件，那就是集成电路。
   集成电路从1950年代末开始发展，已有40余年的历史。它的发展从小规模(SSI，1950年代末，集成度仅102个晶体管)、中规模 (MSI，1960年代末，集成度为103个晶体管)、大规模(LSI，1970年代初，集成度约为104个晶体管) 、超大规模(VLSI，1970年代末，集成度在105个晶体管)、直至现在的特大规模(ULSI，1980年代开始，集成度现已达到107 ~ 108个晶体管)阶段。集成电路的集成度越高表明制造工艺中的制程精度越高(即光刻加工的最小线宽越小)，电路中的晶体管尺寸也就越小。
   近30年来，全球最大的芯片制造商英特尔公司(Intel)计算机芯片的主要发展过程，代表了全球集成电路发展的历程。
   　　自1971年英特尔公司发布第一枚计算机芯片以来，至今已经更新换代十几次，芯片的电子特性和集成度在不断地更新换代当中得到大幅度的提高。例 如，1971年，英特尔的4004芯片，时钟速度才为108千赫，内有晶体管2300个，制程精度(最小线宽)为10微米；到1999年，英特尔的 Pentium III芯片(奔腾III芯片)，时钟速度已经接近1吉赫，在面积为217平方毫米的芯片内有晶体管2800万个，制程为0.18微米。2002年8月投产 的Pentium IV计算机芯片，其时钟速度已经高达2.8吉赫，制程也达到了0.13微米。尽管Pentium IV 芯片的面积降低到116 平方毫米，但芯片内的晶体管数却超过了5500万个。30年来，计算机芯片的时钟速度和集成度都提高了约25000倍；制程则从1971年的10微米缩小 到今天的0.13微米，用于集成电路加工的制程精度提高了约76倍。
   　　计算机芯片时钟速度的提高确实出乎人们的预料。虽然从最早计算机4004芯片时的108千赫发展到Pentium IV 芯片的2吉赫总共用了30年时间，但从1吉赫到2吉赫却只用了1年。而且，时钟速度还在继续飞速提高，人们普遍相信10年后将会达到30~100吉赫。
   1965年，英特尔创始人摩尔(G. Moore)曾对计算机芯片未来的发展趋势作了一个重要预测，他认为“每隔18个月新芯片的晶体管数量要比先前的增加一倍，同时性能也会提升一倍”。事实 已经证明，摩尔定律(Moore's law)在过去的30多年里准确地代表着芯片技术的发展趋势。但是，随着集成电路的集成度越来越高，晶体管的尺寸和集成电路的最小线宽也越来越小，摩尔定 律受到了极大的挑战。因为按照摩尔定律的发展趋势，近年内微电子加工技术的制程精度将达到0.1 微米以下，现代微电子学光刻加工技术也已经接近它的物理极限，现行的半导体制造工艺的发展空间将十分有限。
   微电子学技术发展的限制
   　　尽管微电子学技术给人类带来了前所未有的巨大进步，但它进一步发展的空间却已经受到了极大的限制。这些限制已经成为微电子学技术继续发展的重大瓶颈。能否突破这些瓶颈是微电子学技术发展所面临的极大挑战。
   　　光刻技术限制
   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。
   　　缩小晶体管的尺寸和线宽的基本方法在于改进光刻技术，也就是使用更短波长的曝光光源，经掩模曝光，把刻蚀在硅片上的晶体管做得更小、连接晶体管的导线 做得更细来实现。在光刻加工技术中，最小线宽的加工取决于所选用的光波的波长(光刻的光斑直径等于半波长)。目前，光刻中使用的光源是深紫外光，所以现行 的光刻技术也被称为深紫外光光刻技术。在微电子加工中已经得到成功应用的深紫外光源有: 波长为248纳米的KrF准分子激光光源和193纳米的ArF准分子激光光源。但是，即使是使用较短波长的ArF准分子激光光源，其光刻精度仍然无法达到 小于0.1微米。也就是说，当集成电路最小线宽的要求小于0.1微米时，现行的光刻技术将无能为力而面临着失败。
   　　为了实现更高的光刻精度，人们仍在不断探索更短波长的F2激光光源(波长为157纳米)光刻技术，它的使用有望使光刻的最小线宽达到90纳米 以下。但是，这种更短波长的紫外光很容易被空气吸收，要想获得最终应用还需要探索新的光学及掩模衬底材料。总之，157纳米光源的光刻技术开发给当今微电 子加工技术带来了新的希望，但还有很多技术难关需要取得突破，也是一个不争的事实。最近，英特尔公司和台积电公司宣布，它们将在2003年推出0.09微 米的光刻生产线，这说明，在光刻精度上人类再次取得了重大突破。
   　　材料和制造工艺的限制
   　　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。
   　　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。
   　　能耗和散热的限制
   　　微电子学技术除了在光刻加工技术上和半导体材质上存在着急待突破的技术限制之外，它还受到了器件能耗过大和芯片散热困难的严重困扰。随着集成电路芯片 中晶体管数量大幅度增多，芯片工作时产生的热量也同样在大幅度增加，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颈。
   　　当今的微电子器件(如场效应晶体管)，由于本身的工作能耗太大，已经很难适应更大规模集成的需要。换句话说，即使通过芯片的新设计如多层芯片设计技 术)和光刻加工技术的改进(如极紫外光光刻技术)在一定程度上可以提高芯片的集成度，但由于目前微电子器件的工作电流和能耗都太大，大量的发热使集成电路 很难保证其正常的工作状态。同时，芯片的过热还会造成其使用寿命缩短、可靠性降低等严重问题。
   　　对此，英特尔公司微处理器研究实验室负责人齐勒(J. Ziller)指出“芯片的能耗是提高集成度的一堵难以逾越的障碍”。微处理器速度可望在10年后达到30~100吉赫，运算次数则达到10000亿次/ 秒，高速运行的微处理器芯片的发热量将和它们的速度一样也大得惊人，几乎与核反应产生的热量、或太阳表面的热量不相上下。所以，能够满足“更冷要求的低 能耗芯片技术的开发是芯片得以进一步发展的当务之急。
   　　不过，限制微处理器的能耗并不是一件容易的事情。为使微处理器能耗降低，必须在材料性能和晶体管结构上进行大量的改进，例如: (1) 美国IBM公司首倡的以铜代铝技术，即芯片中采用铜线代替原先的铝线连接技术，由于铜比铝导电性更好，可以提高器件间的传输速率，降低连线的电阻，在提高 芯片性能的同时，也能够在一定程度上降低芯片的发热量；(2) 在芯片设计上进行一些重大的革新，包括开发双内核微处理器，开发向微处理器的部分区域输送少量电流的小型能量来源，以及寻找能够代替或使硅的性能得到进一 步增强的新型化合物。
   微电子学技术期待再突破
   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-Assisted Direct Imprint，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。
   　　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。
   　　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。
   　　由IBM公司首先发展的芯片SOI是利用离子注入的手段，在芯片的硅基板里面形成绝缘埋层，再把晶体管做在这个绝缘层上面。SOI技术以其独特的材料 结构和全介质隔离技术为新型高性能器件开发提供了广阔的空间，已逐渐成为开发高速度、低功耗、高集成度以及高可靠性的超大规模和超高速集成电路的重要技 术。目前，SOI技术已经应用于英特尔公司和美国AMD公司生产的最新计算机芯片中。
   　　由英特尔公司发展的并将在英特尔公司最近公布的0.09微米制造工艺中应用的 “硅拉伸”（Strained Silicon）技术可以有助于晶体管在“开”的状态下大幅提高电流速度。这项技术的原理并不复杂，它通过拉伸硅片，将硅原子间的距离增大，使电流流过时 的阻力降低，由此可以在晶体管“开”的状态下允许更多电子经过。采用“硅拉伸”技术后，晶体管的电流量比原来增大了10% 至20%，这有助于微处理器性能的提高和降低能耗。据英特尔公司介绍，“硅拉伸”技术并不是简单地像拉面条一样从两端将硅片拉长，这种工艺需要一种特殊的 硅锗基板，这种基板的原子间距离比硅片被拉伸前的原子间距离大；将待拉伸硅片放在该基板上，受基板原子的作用，硅片中的原子也将向外运动，彼此间拉开距 离，从而减少对电流的阻力，达到降低能耗的目的。
   　　始于1990年代初的纳米技术，其最重要的一个分支领域是纳米电子学技术(nanoelectronics)，它是微电子学技术向纵深发展的直接结 果。数年来的发展表明，纳米电子学技术具有突破微电子学技术瓶颈的技术优势。例如，没有束斑直径和平行度要求的扫描探针纳米加工技术可以加工小到单个原子 的结构(约0.3纳米)；具有量子效应的纳米电子器件的工作能耗极小，其工作电流仅为1~10个电子，与目前的超大规模集成电路中微电子器件相比，其能耗 成千上万倍的降低，工作时钟频率也可以得到大幅度提高。纳米电子学技术的出现，将给未来计算机芯片的发展带来令人欣喜的曙光，满足人类对未来芯片“更小， 更快，更冷”的要求。当然，纳米电子学技术全面应用的那天，也许还要等待20或30年。

   [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] Chou S Y, Keimel C, Gu J. Nature，2002， 417：835