微电子前沿技术报告
09电信1班
张磊
微电子学技术调研报告
摘要：介绍微电子学的发展历史、产业现状，及未来的发展趋势和必须突破的关键技术，提出了利用纳米技术实现单电子晶体管的设想以延续摩尔定律。
引言：微电子技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路而发展起来的一门新的技术。微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术，微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。 微电子技术的核心是集成电路。目前，以集成电路为基础的信息产业已超过了以汽车、石油、钢铁为代表的传统产业，因此，集成电路产业已成为改造传统产业，奔向数字时代的强大引擎。现代经济发展的数据表明，每l～2元的集成电路产值可带动10元左右的电子工业产值，进而能大体带动100元的GDP增长。预计未来10年内，世界集成电路销售额将以年均15%的速度增长，20xx年将达到6000～8000亿美元。作为当今世界经济竞争的焦点，拥有自主知识产权的集成电路已日益成为经济发展的命脉和国际竞争的筹码。然而，摩尔定律发展至今，技术瓶颈开始显现。由于量子隧道效应的影响，集成电路的进一步微型化遇到了挑战。而碳纳米管晶体管技术及进一步的单电子晶体管技术为实现集成电路微型化提供了方向。
1. 微电子学技术的发展
微电子技术是现代电子信息技术的直接基础。美国贝尔研究所的三位科学家因研制成功第一个结晶体三极管，获得19xx年诺贝尔物理学奖。晶体管成为集成电路技术发展的基础，现代微电子技术就是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术。集成电路的生产始于19xx年，其特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快。
自上世纪初，真空电子管发明后，至今电子器件至今已经历了五代的发展过程。集成电路的诞生，使电子技术出现了划时代的革命，它是现代电子技术和计算机发展的基础，也是微电子技术发展的标志。
在发展过程中，人们按芯片上所含逻辑门电路或晶体管的个数作为划分标志。一般将单块芯片上包含100个元件或10个逻辑门以下的集成电路称为小规模集成电路；而将元件数在100个以上、1000个以下，或逻辑门在10个以上、100个以下的称为中规模集成电路；门数有100─100000个元件的称大规模集成电路（LSI），门数超过5000个，或元件数高于10万个的则称超大规模集成电路（VLSI）。
电路集成化的最初设想是在晶体管兴起不久的19xx年，由英国科学家达默提出的。他设想按照电子线路的要求，将一个线路所包含的晶体管和二极管，以及其他必要的元件统统集合在一块半导体晶片上，从而构成一块具有预定功能的电路。
19xx年，美国德克萨斯仪器公司的一位工程师基尔比，按照上
述设想，制成了世界上第一块集成电路。他使用一根半导体单晶硅制成了相移振荡器，这个振荡器所包含的4个元器件已不需要用金属导线相连，硅棒本身既用为电子元器件的材料，又构成使它们之间相连的通路。
同年，另一家美国著名的仙童电子公司也宣称研制成功集成电路。由该公司赫尔尼等人所发明的一整套制作微型晶体管的新工艺──“平面工艺“被移用到集成电路的制作中，使集成电路很快从实验室研制试验阶段转入工业生产阶段。
19xx年，德克萨斯仪器公司首先宣布建成世界上第一条集成电路生产线。19xx年，世界上出现了第一块集成电路正式商品。虽然这预示着第三代电子器件已正式登上电子学舞台。
不久，世界范围内掀起了集成电路的研制热潮。早期的典型硅芯片为1.25毫米见方。60年代初，国际上出现的集成电路产品，每个硅片上的元件数在100个左右；1967所已达到1000个晶体管，这标志着大规模集成阶段的开端；到19xx年，发展到一个芯片上可集成1万多个晶体管；进入80年代以来，一块硅片上有几万个晶体管的大规模集成电路已经很普遍了，并且正在超大规模集成电路发展。如今，已出现属于第五代的产品，在不到50平方毫米的硅芯片上集成的晶体管数激增到200万只以上。
2. 微电子技术及其特点
微电子技术一般是将半导体材料置于超净环境中, 通过极精细的微细加工制造微电子器件、微电子系统的一门技术。其核心是集成电
路技术。有人直接称集成电路技术为微电子技术,也有人称芯片技术为微电子技术。微电子产品的特点是尺寸小、重量轻、耗电少、可靠性高、技术附加值高、功能强、性能优、嵌入式和渗透性强等。目前, 集成电路大生产技术的加工尺寸为0. 25微米(相当于一根头发直径的千分之2. 5)。4GDRAM 存贮器的加工精度为0. 15 微米, 芯片尺寸为34 毫米×29 毫米(相当一块矩形手表的大小) , 由88 亿个元件组成。其存贮容量转换成文字, 相当1. 6 万页报纸, 如果是8 版的日报, 一块这样的存贮器就可存贮5 年半的报纸,重量却仅有几克。集成电路的功耗为微瓦级, 开关能量(速度×功耗) 已达到0. 005 微微焦耳,这比人脑神经活动一次所需能量还低40 倍。由于集成电路是用特殊工艺制造的固体集成产品, 其可靠性可达宇航级, 失效率可低到10- 10?元件·小时。如果按照绝对值计算, 寿命已达112 万年。这比人脑神经细胞的平均失效率还低1 万倍。说它附加值高, 主要体现在两方面:一是由原材料加工到成为产品, 价值大幅度提高; 二是应用后价值的增加。
3. 集成电路的发展趋势
随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟和不断发展，以及集成技术应用领域的不断扩大，集成电路的发展趋势将呈现小型化、系统化和关联性的态势。
3.1 器件特征尺寸不断缩小
自19xx年以来，集成电路持续地按摩尔定律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。每2～3年制造技术更新一代，
这是基于栅长不断缩小的结果，器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，同时促进了其它工艺参数的提高。预计在未来的10～15年，摩尔定律仍将是集成电路发展所遵循的一条定律，按此规律， CMOS器件从亚半微米进入纳米时代，即器件的栅长小于100 nm转到小于50 nm的时间将在20xx年前后。
3.2 系统集成芯片
随着集成电路技术的持续发展，不同类型的集成电路相互镶嵌，已形成了各种嵌入式系统和片上系统(SoC)技术。也就是说，在实现从集成电路到系统集成的过渡中，可以将一个电子子系统或整个电子系统集成在一个芯片上，从而完成信息的加工与处理功能。SoC作为系统级集成电路，它可在单一芯片上实现信号采集、转换、存储、处理和I/O等功能，它将数字电路、存储器、MPU、MCU、DSP等集成在一块芯片上，从而实现一个完整的系统功能。SoC以IP复用为基础，把已有优化的子系统甚至系统级模块纳入到新的系统设计之中，从而实现集成电路设计能力的第4次飞跃，并必将导致又一次以系统芯片为特色的信息产业革命。
4. 集成电路发展的关键技术
按目前情况预测，15年后，半导体上一个实体的栅长将只有9 nm，这就需要更微细且精确的技术突破，这首先会集中在生产材料的物理性质以及工艺设计等能力上。在未来，硅芯片已经不能制造得更小，因而必须寻找新的制造计算机芯片的材料，碳纳米晶体管将是很好的选择。碳纳米晶体管阵列所利用的碳纳米晶体管是有碳原子排
列而成的微小圆柱体，比现在的硅晶体管小100倍，而且不用对他们逐个处理，即不用从大量的纳米光中去费力的寻找有用的电子属性个体。研究表明，碳纳米晶体管性能上可以和硅一争高低，而且碳纳米晶体管可以制造的更小。碳纳米管是一种新型的碳结构，有独特的电学和力学特性。碳纳米管的结构可以认为是由石墨片卷曲起来成圆筒状，可形成单层结构—单壁碳纳米管或多层结构—多层碳纳米管。
碳纳米管晶体管相当于由来自碳纳米管与金电极之间的接触电阻Rc和碳纳米管本身的电阻RNT串联而成，而RNT将会随着栅压而变
化。
4.1 碳纳米管晶体管转移特性
在室温下，这种结构的碳纳米管晶体管工作稳定，表现出了良好的电学特性。碳纳米管晶体管的行为与p沟道MOSFET的行为相似：漏电流随着栅压的增大而迅速减小，沟道在负栅压下开启而在正栅压下截止。这表明在单层碳纳米管中起导电作用的是空穴。随着栅压增大，纳米管内的空穴逐渐被耗尽（相当于被正电场排开） ，纳米管不再导通，变成绝缘体。碳纳米管的导电性在栅压的控制下可以是准金属性或者是绝缘性的。如此优良的开关特性使得碳纳米管足以胜任传统场效应晶体管的角色。
4.2 碳纳米管晶体管输出特性
碳纳米管晶体管完全有能力实现传统的MOS场效应晶体管的功能。由于碳纳米管晶体管也是利用栅压控制导电通道的开启或关闭来实现晶体管的放大或整流作用，所以也应该是一种新型的场效应晶体
管。
4.3 碳纳米管的开关特性
对于碳纳米管最重要的发现之一就是其开关特性，即半导体纳米管中的电流能够在外加电场的控制下实现从“开启”到“关闭”或 相反的转变。这正是碳纳米管能够作为场效应晶体管沟道的物理基础。传统的MOS场效应晶体管是靠栅压控制三维沟道的夹断或导通来实现开关特性的，显然具有一维结构的碳纳米管不可能采用同样的原理。
当所有的通道都参与了导电后，总的电导就无法随栅压的变化进一步提高，这也是作为沟道的碳纳米管的独特性质。
早期的碳纳米管晶体管已经表明碳纳米管能够完成传统硅材料MOS场效应晶体管的功能，但是就性能而言显然还不能让人满意，表现在跨导值太低，使得增益不能满足大于1的条件，这些都严重限制了碳纳米管晶体管在逻辑电路中的使用。理论上提高碳纳米管晶体管的性能主要从三方面入手：降低接触电阻，提高栅极电场对碳纳米管的效率和减小沟道长度。
总结与展望：
综上所述，我们介绍了微电子学的历史，集成电路的发展趋势和未来发展的关键技术。随着集成电路微型化的不断发展，芯片的尺度越来越小以致不得不考虑量子效应，这使得传统半导体工艺面临巨大挑战。纳米技术则是使未来集成电路进一步微型化的重要手段。本文
主要介绍了碳纳米晶体管，说明纳米技术是使摩尔定律在二十一世纪继续延续的关键。然而，尽管碳纳米管晶体管已在室温下取得了很好的工作特性，但是由于纳米加工技术尤其是纳米定位技术的制约，很难将碳纳米管放置到准确的位置，这就使得碳纳米管晶体管现阶段很难取代传统的场效应晶体管的地位。但我们有理由相信，在不久的将来，随着纳米科技的进一步发展，以碳纳米管等新型纳米材料为基础的纳米器件必将淘汰传统的半导体器件，从而引起信息技术，特别是微电子技术的重大变革和发展。