论集成电路发展的挑战及机遇.doc

论集成电路发展的挑战与机遇 摘 要：集成电路的发展史就是微电子技术生成史，从晶体管到微处理器和光刻技术等,集成电路技术以尺寸缩小、集成度提高为发展路径,必然受到材料、工艺和物理理论等挑战。但集成电路正面临产业调整与市场的双重机遇。 关键词：集成电路；挑战；机遇 目前，以数字化和网络化为特征的信息技术正渗透和改造着各产业和行业,深刻改变着人类生产生活方式以及经济、社会、政治、文化各领域。信息技术根源于集成电路技术的巨大发展，把人类社会在21世纪定格为信息社会。 一、集成电路与摩尔预测 集成电路就是将晶体管等有源元件和电阻、电容等无源元件,按电路”集成”,完成特定电路或功能的系统，集成电路体积不断减小,制造工艺技术日益精细，可一次加工完成。集成电路的学科基础是微电子学，微电子学脱胎于电子学和固体物理学的交叉技术学科,主要研究在半导体材料上构成微型电子电路、子系统及系统。以微电子学发展起来集成电路技术，包括半导体材料及器件物理,集成电路及系统设计原理和技术,芯片加工工艺、功能和特性测试技术等。当下，集成电路技术已成信息社会发展基石,集成电路将信息获取、传递、处理、存储、交换等功能集成于芯片,芯片可低成本大批量生产,且功耗低体积小,迅速成为各产业、国防的技术基础。 摩尔于1964年总结集成电路发展历程,对未来集成电路发展趋势做出预测。即：集成电路单个芯片上集成元件数,一般称为集成电路的集成度,每18个月增加一倍,即集成度每三年翻两番,尺寸缩小2倍,集成电路芯片需求量也以相同速度增加,集成电路性能提高，价格下降。几十年来,集成电路技术居然一直按摩尔定律指数增长规律发展壮大。 二、集成电路高速发展 集成电路技术伴随物理、材料和技术成果而实现各阶段的飞速发展。晶体管之前,电子管和电阻、电容等元件靠焊装构成电路系统。第一台计算机连线和焊接点很多,电路系统体积大,可靠性差。电子装备可靠性和小型化使”集成”成为需求。人们开始将电阻、电容等无源元件和有源元件制做在同一块半导体材料上。1958年9月实现第一个集成电路震荡器演示实验,标志着集成电路诞生，当时该实验在锗晶体管基础上完成。第一块集成电路发明是一个技术创新,对物理学发展产生很大影响。平面技术发明是推动集成电路产业化的关键。包括氧化、扩散、薄膜生长和光刻刻蚀等在内的平面技术，论重要性首推二氧化硅绝缘层的发现。早期晶体管基区宽度不好控制,不易做薄,频率提高受限制。1956年,科学家发现二氧化硅不仅具掩蔽作用,还是高频损耗小、击穿电场强度高的良好绝缘体。直到今天,二氧化硅仍是集成电路主要绝缘层材料。金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mos.fet)器件是目前超大规模集成电路基本电路形式。平面工艺的光刻技术是另一关键，光刻是一种精密表面加工技术。1957年首次引入到半导体工艺技术，将光刻技术和二氧化硅氧化掩蔽巧妙结合起来,实现精细晶体管和集成电路图形结构[1]。这种结构使各元件连接不必再用焊接,而用真空蒸发金属代替,用光刻技术刻出电路完成元件互连。微处理器也是集成电路设计也具里程碑意义。第一台微处理机由intel公司在1971年制造,开辟计算机应用和普及新纪元。微处理器之前,计算机只能被少数大型单位拥有,主要用在军事、航空、航天、天气预报、科学计算等方面[2]。微处理器发明带动超大规模集成电路技术发展,带动智能化电子产品发展,成为信息技术基础元件。集成电路工艺材料不断发现并发展，如铁电存储器是继dram和rom之后新一代的半导体存储器。光刻技术发展对尺寸按比例缩小起到关键作用，如euv光刻、电子束投影光刻、x射线光刻、离子束光刻、纳米印制光刻等技术突飞猛进。铜互连技术的突破也是关键。 三、集成电路面临的技术挑战 伴随着集成电路技术发展从一维模式向多维模式转变,对物理学基础理论提出了挑战,也对物理学研究提出了新的更高要求。进入到纳米尺度,集成电路技术面临着系列物理限制的挑战,有来自于基本物理规律的物理极限,也有材料、技术、器件、系统和传统理论方面物理挑战。一是基本物理规律挑战。计算机处理信息是一个进行布尔逻辑运算的过程,涉及到布尔逻辑间的转换。计算机或集成电路处理信息过程是一个物理过程,需满足物理规律限制[3]。包括电磁学、量子力学测不准、热力学限制。这些是不可逾越的集成电路技术的物理极限。二是材料方面的挑战。传统微电子材料硅衬底、二氧化硅、多晶硅和金属导电材料等无法满足集成电路技术发展需要，需要寻找新材料。三是技术方面的挑战。传统的集成电路的光学光刻工艺、离子注入工艺等快接近物理极限,器件无法进一步缩小，需寻找新工艺方法和途径，包括新一代的替代光刻工艺等。四是器件方面的挑战。按摩尔定律预测,mos器件开关仅需少数几个电子参与,mos器件经典理论将不适用，须采用新器件结构和新器件工作原理。五是系统方面