浅谈微电子技术.docx

1、浅谈微电子技术浅谈微电子技术 纳米技术的发展 摘要 本文以微电子技术发展和摩尔定律或将饱和为前述 对半导体纳米技术和硅材料纳米技术的重要性进行了简要的论述。并提出纳米技术的发展以及成熟将是系统集成芯片技术的核心之一 同时 碳纳米材料获奖代替硅纳米材料 具有更好的集成性 继续维持摩尔定律 推动微电子技术继续向前发展。 关键词 微电子技术 摩尔定律 硅材料 纳米技术 Brief Discussion on microelectronics technology - The development of nanotechnology BY :He shifei Shaanxi University

2、of Technology China Abstract: Development of microelectronic technology and Moores Law or saturated cit, a brief discussion on the importance of nanotechnology and silicon semiconductor materials, nano-technology. And proposed development and maturity of nanotechnology will be one of the core of the

3、 system integration chip technology, and at the same time, carbon nanomaterials winning instead of silicon nano-materials, with better integration, the continuation of Moores Law to promote the continued development of microelectronic technology . Keywords: micro-electronics technology, Moores Law,

4、silicon materials, nanotechnology正文 众所周知 在人类社会大发展的推动下 科学技术已深深的影响着我们 并且更加快速地 逐步地渗透与我们生活的各个方面。自行车 洗衣机 电视 无线网络大到火箭 宇宙飞船以及载人航天无不显示高科技的存在 无不散发新技术的气息。正是基于生产力大发展 重视知识、科技的和平环境下 基于微电子技术的纳米技术才得以迅猛发展 并且展现出良好的势头。溯流而上 自从1947年发明电子管、1958年第一块半导体集成电路的诞生 微电子技术经过近半个世纪的发展已成为国民经济和人类不可短缺的“粮食”。手机 电脑 智能家电已越来越成为人类生活的必须品。而这些

5、东西核心便是芯片。而众所周知 自从IC诞生以来 芯片的发展基本上遵循了Intel 公司创始人之一的Gordon E. Moore 1965年预言的摩尔定律。该定律说 芯片上可容纳的晶体管数目每18个月便可增加一倍 即芯片集成度18个月翻一番 这视为引导半导体技术前进的经验法则。换句话说 工艺技术的进展对IC集成度的提高起到乘积的效果 使得每个芯片可以集成的晶体管数急剧增加.。对于21世纪初微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流 并且随着IC设计与工艺技术水平的不断提高 集成电路规模越来越大 复杂程度越来越高 已经可以将整个系统集成为一个芯片。目前已经可以在一个芯片上集成108

6、109个晶体管 而且随着集成电路制造技术的发展 21世纪的微电子技术将从目前的3G时代逐步发展到3T时代。 正是这种需求牵引和技术推动的双重作用下 出现了将整个系统集成在一个集成电路芯片上的系统芯片概念 当然 需要注意的是系统芯片与集成电路的设计思想是不同的。21实际系统集成芯片将成为发展的重点 它是微电子设计领域的一场革命。而对于电子计算机来说 系统集成芯片的革命更是影响着其命脉的走向。近几十年来 计算机已历经了几代的更迭 而代代更迭都是以存储或处理信息的基本电子学单元的尺度变化为标志的。也由于摩尔定律的终将饱和性 从80年代开始 科学家就开始探索特征尺寸为纳米量级的电子学 纳米电子学主要研

7、究以扫描隧道显微镜为工具的单原子或单分子操纵技术。这些技术都有可能在纳米量级进行加工 目前已形成纳米量级的、信息存储器 存储状态已维持一个月以上 希图用此技术去制作16GB的存储器。德国的福克斯博士等更是制出了原子开关 达到了比现今芯片高100万倍的存储容量 获得了莫里斯奖。不难看出系统集成芯片的革命终其所需 需要基础纳米技术的发展以及成熟。 如果说微米尺度的加工和结构材料是当代微电子工业的支柱 那么纳米技术 包括制备和加工等 和纳米材料将成为下一代微电子学器件的基础。在纳米科技发展中 纳米材料是它的前导。纳米材料集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度和强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展

8、的特点 其中最应该指出的是纳米材料是将量子力学效应工程化或技术化的最好场合之一 会产生全新的物理化学现象。量子力学告诉我们 电子与光同时都具有粒子波的特性 今天的微电子学和光电子器件将缩到。0.1线宽 电子的波动性质再也不能忽视 把电子视为一种纯粹粒子的半导体理论基础已经动摇。这时电子所表现出来的波动特征和拥有的量子功能就是纳米电子学的任务。纳米电子学有更多诱人之处。而当半导体材料的尺度缩小到纳米范围时 其物理、化学性质将发生显著变化 并呈现出由高表面积或量子效应引起的独特性能。科学家们已经预言 纳米电子学将导致一场电子技术的革命 目前 半导体纳米材料与器件的研究仍处于探索、开发阶段 但它们在

9、多个领域的应用 如新型高效太阳能电池、纳米级电子器件、纳米发光器件、激光技术、波导、化学及生物传感器、化学催化剂等已呈现出诱人的前景。 然而世界各国工程技术界及产业界的有识之士都充分认识到纳米技术和纳米材料不但将成为明天高新技术产业的源头 而且也在今天的应用上呈现出令人惊叹的表现。发达国家政府和大型企业纷纷启动了发展纳米技术的研究计划。美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心 把纳米技术列为国家战略目标。在纳米技术的研究方面 现在美国已在纳米结构组装体系的高比表面纳米颗粒制备与合成方面领先 在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用上与欧共体并列世界第一 纳米尺度的元器件和纳米固体制备上

10、也要与日本分庭抗礼。 在纳米技术的发展中 硅量子点和硅纳米线为代表的硅纳米结构及相关技术的研究受到了广泛重视 并成为当今半导体纳米科技最活跃的研究领域之一。尽管微电子学在化合物半导体和其他新材料方面的研究及在某些领域的应用取得了很大进展 但远不具备替代硅基工艺的条件。长期的科研投入已使人们对硅及其衍生物各种属性的了解达到十分深入、透彻的地步 成为自然界100多种元素之最 产业能力和知识积累决定了硅基工艺将在100年内仍起主要作用。毕竟现代信息技术的基础是基于硅基器件的微电子技术。硅基材料和器件技术的发展在某种程度上决定着现代微电子技术和信息技术发展的未来。如目前的单晶硅片 硅纳米结构被认为是未

11、来构成纳/微电子器件的基本单元。随着硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)电路的尺寸逐渐变小 降低到10 nm或更小时 将面临诸如器件加工极限、加工费用的成倍增加以及器件工作原理发生变化等一系列严峻挑战 这将成为未来硅基微电子等工业发展的瓶颈。而硅纳米技术为突破以上瓶颈提供了低成本、高效率的解决方案。 硅纳米结构的尺寸小到一定范围时 将会出现量子限域效应、尺寸效应及表面效应等许多新的效应 从而使它呈现出诸多新颖性质 其中一个典型的例子就是由量子效应引起的硅纳米结构的高效发光。最近的研究表明硅纳米结构具有高效的可见发光 且发光波长可以通过对硅纳米结构尺寸改变进行调节。最近 科学家已经利用硅纳米结构

12、所呈现的这些新颖性质和效应 开发出了高灵敏生物和化学传感器、高效率太阳能电池及发光二极管等器件。因此 该类纳米材料展现出广阔的应用前景。 譬如纳米单电子元器件。如果把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内 或者在一根非常细的短金属线内 线的宽度只有几个纳米 就会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制 原来可以在费米动量以下连续具有任意动量的电子状态 变成只能具有某一动量值 也就是电子动量或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接结果表现为 在金属颗粒的两端加上电压 当电压合适时 金属颗粒导电 而电压不合适时 金属颗粒不导电。这样一来 原来在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界就不

13、再成立了。还有一种奇怪的现象 当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时 金属颗粒具有了负电性 它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内 这就切断了电流的连续性 这使人们联想到是否可以发明用一个电子来控制的电子器件 所谓单电子器件。单电子器件的尺寸很小 一旦实现 把它们集成起来做成电脑芯片 电脑的容量和计算速度将提高上百万倍 但同时 实际上 被囚禁的电子并不那么“老实”。按照量子力学的规律 有时它可以穿过“监狱”的“墙壁”逃逸出来 这种现象一方面预示着在新一代芯片中的逻辑单元将不用连线而相关联 因而需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路;另一方面也会使芯片的动作不可控制。归根结底

14、在这一情况下电子应被看成是“波”而不是一个粒子。所以尽管电子器件已经在实验室里得以实现 但是真要用在工业上还需要时间。被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献 是会使材料发出很强的光。“量子点列激光器”或“级联激光器”的尺寸极小 但发光的强度很高 用很低的电压就可以驱动它们发出蓝光或绿光 用来读写光盘可使光盘的存储密度提高好几倍。如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存储数据 制成量子磁盘 存储度可提高成千上万倍 会给信息存储技术带来一场革命。这也就是纳米激光器和高密度信息存储器 当然 这也并不意味着只有硅材料才具有如此发展前景。 随着IC的线宽越来越小 纳米科技的时代的宣告来临。为克服越来越困难的半导

15、体Si工艺技术 科学家们开始从材料方面下手 试图寻找到能代替Si的材料 以解决线宽缩小所带来的技术问题。 而事实上 美国IBM公司于1993年便发现了单层碳纳米管 Single Walled Carbon NanotubesSWNT 并积极探索 试图将碳纳米管应用于电子学上 并在2001年成功地利用碳纳米管制成晶体管。 所谓碳纳米管 其成分为碳原子 即由碳原子组成一堆细小的管子。这些管子只有头发丝的万分之一大 比现今Si晶体管小500倍。它可应用于微电子组件、平面显示器、无线通信、燃料电池及锂离子电池。碳纳米管可分为半导体型及金属型两种 而只有半导体型碳纳米管方可用来制作晶体管。采用一种称之谓

16、“建设性毁灭”的技术促使新晶体管诞生。主要方法是以一电子冲击波来摧毁掉金属型碳纳米管 只留下半导体型碳纳米管用来制作晶体管。而在近期最新的突破 IBM利用碳纳米管做出电压反向器 即非门 NOT Gate 。这是世界上第一个分子内 或称单分子 逻辑电路。大家知道 计算机核心处理器基本上是由非门以及与门 AND Gate 及或门 OR Gate 三种逻辑组件构成的庞大的复杂电路。在这种新纳米管电路中 输出信号比输入的更强 表明有增益 其增益值为1.6。如果碳纳米管的放大作用能达到现今Si晶体管那样大小时 它将拥有与Si一样的功能。由此推论 当Si无法再变得更小时 比Si还小的碳纳米管可继续维持摩尔

17、定律 从而推动微电子技术继续向前发展。 参考文献- “自从IC诞生经验法则。” 1 把更多组件塞到集成电路中 Gordon Moore 1965年4月19日出版 “随着集成电系统芯片概念 ” 2 硅微电子技术发展的主要趋势和方向 科技365 2012/4/7 引用 “半导体纳米材料与器件纳米技术的研究计划” 3 微电子技术进入纳米尺度时代的发展趋势和思考 张兴 2012/4/7 引用 “把自由运动的电子电流的连续性,” “穿过 监狱.存储数据” 4 纳米技术在微电子领域的应用前景 Janrondu 2012/4/7 引用 “碳纳米管可分为逻辑电路” 5 纳米半导体 马 洪磊 2009年04月出

18、版 Text well known in promoting the development of human society, science and technology have deeply affected us and more quickly gradually permeate all aspects of our lives. Bike washing machine the TV Wi-Fi rocket the spacecraft and manned space all show the presence of high-tech all exude the atmo

19、sphere of the new technology.It is based on the development of productivity the importance of knowledge, the peaceful environment of science and technology to the rapid development microelectronics technology-based nanotechnology and show a good momentum.Upstream on since the tube invented in 1947,

20、the birth of the first piece of semiconductor integrated circuit in 1958 the microelectronics technology after nearly half a century of development has become a national economic and human can not be a shortage of food. The the phone the computer smart appliances have been increasingly become a nece

21、ssity of human life. The core of these things is the chip. And we all know chip development since the birth of the IC basically followed the Intel co-founder of the Gordon E. Moore 1965 predicted by Moores Law. The law states that the number of transistors that can fit on The in the chip every 18 mo

22、nths you can increase the doubled that chip integration 18 months to double as rule of thumb to guide the advance of semiconductor technology. The sharp increase in the number of transistors other words the progress of the technology to improve the degree of integration of IC play the effect of the

23、product so that each chip can be integrated. Microelectronic technology for the 21st century will continue to size shrinking silicon-based CMOS process technology for the mainstream and becoming more complex with the IC design and technology level increasing scale integrated circuit continuously imp

24、rove already the entire system can be integrated into one chip. 108 109 transistor has been integrated on a chip and microelectronics technology in the 21st century with the development of integrated circuit manufacturing technology from the current 3G era and gradually developed into 3T era. It is

25、this demand traction and technology to promote the dual role of the entire system is integrated in a single integrated circuit chip system-on-chip concept course should be noted that the system-on-chip integrated circuit design philosophy is different. 21 actual system chip will become the focus of

26、development the it a revolution in the field of microelectronics design. system for computer chip revolution is affecting the lifeblood of the trend. The computer has gone through several generations of change of recent decades the change of generations as a symbol to store or process information el

27、ectronics unit scale changes. Moores Law will eventually be saturated since the 1980s the scientists began to explore the feature size of nanoscale electronics nanoelectronics study scanning tunneling microscope as a tool of a single atom or a single molecule manipulation techniques. These technolog

28、ies are likely to nanoscale processing currently has a nanoscale memory storage has been lasted more than a month UN demands made using this technology to 16GB of memory. Germany Dr. Fox is the system out of the atomic switch reached more than 100 times the storage capacity of todays chip high Morri

29、s Award. Is not difficult to see the end of the revolution of the system integration chip required needs the basis of the development of nanotechnology and mature. If the micron scale processing and structural materials is a pillar of the contemporary microelectronics industry nanotechnology and nan

30、omaterials, including preparation and processing will become the basis of the next generation of microelectronics devices. nanomaterials in the development of nanotechnology is leading. Nanomaterials epitomizes the small size, complex structure, high integration and strong interaction and high speci

31、fic surface area and other characteristics of the development of modern science and technology It should be noted nanomaterials is the quantum mechanical effects of engineering or technology-oriented one of the best occasions will have new physical and chemical phenomena. Quantum mechanics tells us

32、that of electrons and light at the same time has the characteristics of the particle wave of todays microelectronics and optoelectronic devices will shrink. 0.1 linewidth electron wave nature can no longer ignore Electronics as a pure semiconductor particles theoretical foundation has been shaken. At this time electronic demonstrated by the volatility characteristics and quantum features have nanoelectronics tasks. The nanoelectronics more allure. Its physical and chemical properties will change significantly