信息素养大学教程——知识篇 教学课件 作者 张基温 第2讲_微电子技术与摩尔定律.ppt

1. 材料瓶颈 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，当电路的尺寸接近电子波长（大约小到5个原子的厚度）时，由于量子隧道效应电子将会穿过绝缘层，使器件无法正常工作。 2. 光刻瓶颈 集成电路加工过程中，光刻是核心。其主要作用是将掩膜板上的图形复制到衬底表面的光刻胶图形上，以便进行硅片的刻蚀，为离子注入工序做好准备。光刻成本占据了整个制造成本的35％，一般的光刻工艺流程包括前处理、匀胶、前烘、对准曝光、显影、后烘。;缩小晶体管的尺寸和线宽的基本方法在于改进光刻技术，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。而在光刻加工技术中，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。但是，即使使用较短波长的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。 ? 3. 互连瓶颈 当集成电路进入超大规模阶段后，器件特征尺寸已经进入深亚微米阶段，金属互连在整个集成电路芯片中所占的面积越来越大，金属互连问题也就自然成了集成电路进一步发展的关键。要想进一步提高芯片的集成度，就要减少金属连线宽度，增加连线层数。而连线宽度减小不仅会引起连线电阻增加，电路互连延迟时间增大，而且还会导致电流密度增加，引起电迁移和应力迁移，严重影响电路的可靠性。 传统的芯片采用的是铝连线。但铝互连线已经不能满足超大规模集成电路进一步发展的需要。目前，铜互连技术正迅速走向实用。与铝相比，铜具有电阻率低（室温）、抗电迁移和应力迁移特性好等优点。 4. 能耗和散热瓶颈 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。特别是，随着芯片工作频率的不断提高，其发热量也急剧上升。有人估计。当微处理器速度达到30~100吉赫时，运算次数则达到10000亿次/秒，这时高速运行的微处理器芯片的发热量将几乎与核反应产生的热量或太阳表面的热量不相上下。 然而，限制微处理器的能耗并非易事。为使芯片能耗降低，就要在材料性能和晶体管结构上进行大量的改进。例如:，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。另外，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等，也有一定的效果。 课堂讨论 1. 摩尔定律会终结吗？你从什么角度看这个问题？ 未来信息技术器件 3.3.1 超导器件 3.3.2 量子器件 3.3.3 光子器件 3.3.4 纳米电子器件 3.3.5 生物器件 超导器件 超导现象与超导体 超导现象是金属、合金和化合物在温度低于某一临界温度Tc时，电阻徒然降为零的现象。具有这种特性的物体称为超导体。 超导约瑟夫逊效应 超导计算机 约瑟夫逊器件的二态性可以用来表示0和1，应用于新型的超导电子计算机的硬件中。 量子器件 量子信息单元 量子存储 承载16个量子位的硅芯片 量子器件 量子计算 量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。 量子的基本逻辑运算有NOT，COPY，AND 3种。 量子通信 量子通信采用量子隐形传态的方法进行。 量子计算机 首先，量子计算机能够进行量子并行计算。 其次，量子计算机用量子位存储数据。 再次，量子计算机具有与大脑类似的容错性。 量子计算机结构 光子器件 光子器件是一种由光信号进行数字运算、逻辑操作、信息存贮和处理的新型器件。 它由激光器、光学反射镜、透镜、滤波器等光学元件和设备构成，靠激光束进入反射镜和透镜组成的阵列进行信息处理。 它是超并行、高容错、超高速、高带宽、强抗干扰计算机的理想技术。 纳米电子器件 纳米（nm）本来是一个长度单位，1 nm=10^-9m。 在这个尺度上基础物理结构表现出奇异特性 ——介观（mesoscopic）世界。 纳米电子器件是指器件的工作原理基于量子效应；具有相类似的典型的器件结构——隧穿势垒包围“岛”（或势阱）的结构。