微電子前沿技術報告09電信1班張磊微電子學技術調研報告摘要：介紹微電子學的發(fā)展歷史、產業(yè)現(xiàn)狀，及未來的發(fā)展趨勢和必須突破的關鍵技術，提出了利用納米技術實現(xiàn)單電子晶體管的設想以延續(xù)摩爾定律。引言：微電子技術是隨著集成電路，尤其是超大規(guī)模集成電路而發(fā)展起來的一門新的技術。微電子技術包括系統(tǒng)電路設計、器件物理、工藝技術、材料制備、自動測試以及封裝、組裝等一系列專門的技術，微電子技術是微電子學中的各項工藝技術的總和。微電子技術的核心是集成電路。目前，以集成電路為基礎的信息產業(yè)已超過了以汽車、石油、鋼鐵為代表的傳統(tǒng)產業(yè)，因此，集成電路產業(yè)已成為改造傳統(tǒng)產業(yè)，奔向數(shù)字時代的強大引擎?，F(xiàn)代經濟發(fā)展的數(shù)據(jù)表明，每l～2元的集成電路產值可帶動10元左右的電子工業(yè)產值，進而能大體帶動100元的GDP增長。預計未來10年內，世界集成電路銷售額將以年均15%的速度增長，2010年將達到6000～8000億美元。作為當今世界經濟競爭的焦點，擁有自主知識產權的集成電路已日益成為經濟發(fā)展的命脈和國際競爭的籌碼。然而，摩爾定律發(fā)展至今，技術瓶頸開始顯現(xiàn)。由于量子隧道效應的影響，集成電路的進一步微型化遇到了挑戰(zhàn)。而碳納米管晶體管技術及進一步的單電子晶體管技術為實現(xiàn)集成電路微型化提供了方向。路技術。有人直接稱集成電路技術為微電子技術,也有人稱芯片技術為微電子技術。微電子產品的特點是尺寸小、重量輕、耗電少、可靠性高、技術附加值高、功能強、性能優(yōu)、嵌入式和滲透性強等。目前,集成電路大生產技術的加工尺寸為0.25微米(相當于一根頭發(fā)直徑的千分之2.5)。4GDRAM存貯器的加工精度為0.15微米,芯片尺寸為34毫米×29毫米(相當一塊矩形手表的大小),由88億個元件組成。其存貯容量轉換成文字,相當1.6萬頁報紙,如果是8版的日報,一塊這樣的存貯器就可存貯5年半的報紙,重量卻僅有幾克。集成電路的功耗為微瓦級,開關能量(速度×功耗)已達到0.005微微焦耳,這比人腦神經活動一次所需能量還低40倍。由于集成電路是用特殊工藝制造的固體集成產品,其可靠性可達宇航級,失效率可低到10-10?元件·小時。如果按照絕對值計算,壽命已達112萬年。這比人腦神經細胞的平均失效率還低1萬倍。說它附加值高,主要體現(xiàn)在兩方面:一是由原材料加工到成為產品,價值大幅度提高;二是應用后價值的增加。3.集成電路的發(fā)展趨勢隨著集成方法學和微細加工技術的持續(xù)成熟和不斷發(fā)展，以及集成技術應用領域的不斷擴大，集成電路的發(fā)展趨勢將呈現(xiàn)小型化、系統(tǒng)化和關聯(lián)性的態(tài)勢。3.1器件特征尺寸不斷縮小自1965年以來，集成電路持續(xù)地按摩爾定律增長，即集成電路中晶體管的數(shù)目每18個月增加一倍。每2～3年制造技術更新一代，這是基于柵長不斷縮小的結果，器件柵長的縮小又基本上依照等比例縮小的原則，同時促進了其它工藝參數(shù)的提高。預計在未來的10～15年，摩爾定律仍將是集成電路發(fā)展所遵循的一條定律，按此規(guī)律，CMOS器件從亞半微米進入納米時代，即器件的柵長小于100nm轉到小于50nm的時間將在2010年前后。3.2系統(tǒng)集成芯片隨著集成電路技術的持續(xù)發(fā)展，不同類型的集成電路相互鑲嵌，已形成了各種嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng)(SoC)技術。也就是說，在實現(xiàn)從集成電路到系統(tǒng)集成的過渡中，可以將一個電子子系統(tǒng)或整個電子系統(tǒng)集成在一個芯片上，從而完成信息的加工與處理功能。SoC作為系統(tǒng)級集成電路，它可在單一芯片上實現(xiàn)信號采集、轉換、存儲、處理和I/O等功能，它將數(shù)字電路、存儲器、MPU、MCU、DSP等集成在一塊芯片上，從而實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)功能。SoC以IP復用為基礎，把已有優(yōu)化的子系統(tǒng)甚至系統(tǒng)級模塊納入到新的系統(tǒng)設計之中，從而實現(xiàn)集成電路設計能力的第4次飛躍，并必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為特色的信息產業(yè)革命。4.集成電路發(fā)展的關鍵技術按目前情況預測，15年后，半導體上一個實體的柵長將只有9nm，這就需要更微細且精確的技術突破，這首先會集中在生產材料的物理性質以及工藝設計等能力上。在未來，硅芯片已經不能制造得更小，因而必須尋找新的制造計算機芯片的材料，碳納米晶體管將是很好的選擇。碳納米晶體管陣列所利用的碳納米晶體管是有碳原子排列而成的微小圓柱體，比現(xiàn)在的硅晶體管小100倍，而且不用對他們逐個處理，即不用從大量的納米光中去費力的尋找有用的電子屬性個體。研究表明，碳納米晶體管性能上可以和硅一爭高低，而且碳納米晶體管可以制造的更小。碳納米管是一種新型的碳結構，有獨特的電學和力學特性。碳納米管的結構可以認為是由石墨片卷曲起來成圓筒狀，可形成單層結構—單壁碳納米管或多層結構—多層碳納米管。碳納米管晶體管相當于由來自碳納米管與金電極之間的接觸電阻和碳納米管本身的電阻串聯(lián)而成，而將會隨著柵壓而變化。4.1碳納米管晶體管轉移特性在室溫下，這種結構的碳納米管晶體管工作穩(wěn)定，表現(xiàn)出了良好的電學特性。碳納米管晶體管的行為與p溝道MOSFET的行為相似：漏電流隨著柵壓的增大而迅速減小，溝道在負柵壓下開啟而在正柵壓下截止。這表明在單層碳納米管中起導電作用的是空穴。隨著柵壓增大，納米管內的空穴逐漸被耗盡（相當于被正電場排開），納米管不再導通，變成絕緣體。碳納米管的導電性在柵壓的控制下可以是準金屬性或者是絕緣性的。如此優(yōu)良的開關特性使得碳納米管足以勝任傳統(tǒng)場效應晶體管的角色。4.2碳納米管晶體管輸出特性碳納米管晶體管完全有能力實現(xiàn)傳統(tǒng)的MOS場效應晶體管的功能。由于碳納米管晶體管也是利用柵壓控制導電通道的開啟或關閉來實現(xiàn)晶體管的放大或整流作用，所以也應該是一種新型的場效應晶體管。4.3碳納米管的開關特性對于碳納米管最重要的發(fā)現(xiàn)之一就是其開關特性，即半導體納米管中的電流能夠在外加電場的控制下實現(xiàn)從“開啟”到“關閉”或相反的轉變。這正是碳納米管能夠作為場效應晶體管溝道的物理基礎。傳統(tǒng)的MOS場效應晶體管是靠柵壓控制三維溝道的夾斷或導通來實現(xiàn)開關特性的，顯然具有一維結構的碳納米管不可能采用同樣的原理。當所有的通道都參與了導電后，總的電導就無法隨柵壓的變化進一步提高，這也是作為溝道的碳納米管的獨特性質。早期的碳納米管晶體管已經表明碳納米管能夠完成傳統(tǒng)硅材料MOS場效應晶體管的功能，但是就性能而言顯然還不能讓人滿意，表現(xiàn)在跨導值太低，使得增益不能滿足大于1的條件，這些都嚴重限制了碳納米管晶體管在邏輯電路中的使用。理論上提高碳納米管晶體管的性能主要從三方面入手：降低接觸電阻，提高柵極電場對碳納米管的效率和減小溝道長度?？偨Y與展望：綜上所述，我們介紹了微電子學的歷史，集成電路的發(fā)展趨勢和未來發(fā)展的關鍵技術。隨著集成電路微型化的不斷發(fā)展，芯片的尺度越來越小以致不得不考慮量子效應，這使得傳統(tǒng)半導體工藝面臨巨大挑戰(zhàn)。納米技術則是使未來集成電路進一步微型化的重要手段。本文主要介紹了碳納米晶體管，說明納米技術是使摩爾定律在二十一世紀繼續(xù)延續(xù)的關鍵。然而，盡管碳納米管晶體管已在室溫下取得了很好的工作特性，但是