微电子学技术发展的瓶颈和出路

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1、微电子学技术发展的瓶颈和出路黄璇　黄德欢  在当今的信息社会中，电子学的应用显得越来越重要。信息的获取、放大、存储、处理、传输、转换和显示都离不开电子学。电子学技术早已经成为人类经济的命脉。电子学未来的发展，将以“更小、更快、更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的能耗。只有在这三方面都得到同步的发展，电子学技术才能取得新的重大突破。数年前，根据电子器件“更小、更快、更冷”的发展目标，美国国防高等技术研究署(DARPA)

2、提出了超电子学(ultraelectronics)研发计划，要求未来的电子器件要比现有的微电子器件的存储密度高5~100倍，速度快10~100倍，而能耗则要小于现有器件能耗的2%，最终希望达到“双十二”，即1012位的存储器容量和1012次／秒的运算器速度，且廉价而节能。这显然对未来的微电子加工技术提出了更高的要求。  　　本文在分析微电子加工技术和超大规模集成电路发展的基础上，剖析它们面临的发展瓶颈。随着对集成电路芯片的要求越来越高，微电子器件将过渡到纳米电子器件，后者将成为21世纪信息时代的核

3、心。  微电子学技术的巨大成就  　　微电子学技术及超大规模集成电路的飞速发展使得人类在计算机、电子通讯、航空航天等重大经济领域取得了突飞猛进的进展，它们已经成为当代各行各业智能工作的基石。  2000年10月10日，瑞典皇家科学院宣布，2000年度诺贝尔物理奖授给俄罗斯圣彼得堡约费物理技术研究所的阿尔费罗夫(Z.Alferov)、美国加州大学圣巴巴拉分校的克勒默(H.Kroemer)和美国得克萨斯仪器公司的基尔比(J.Kilby)。阿尔费罗夫和克勒默因为发明了基于半导体层状异质结构的快速光电子和

4、微电子元件，获得了本届诺贝尔物理奖。利用这种半导体层状异质结构技术制造的快速晶体管和激光二极管，分别在卫星无线电通信和移动电话通信，以及条形码阅读仪和光盘播放机等技术上得到了广泛应用。基尔比则因在发明和开发集成电路芯片中所作的杰出贡献而同时获得诺贝尔物理奖。集成电路的发明，使微电子元件成为现代技术的基础。在诺贝尔奖的百年历史上，把物理奖颁给一种技术是极为少见的。20世纪的最后一顶物理学王冠之所以会戴在微电子学技术的头上，是因为它对人类的影响实在是太大了，在当代社会中有着举足轻重的地位。  　　半个

5、世纪以来，电子学技术领域发生了两次重大技术革命，一是晶体管取代真空电子管，二是集成电路取代传统的导线连接电路。这两次技术革命对人类以计算机和信息技术为基础的新技术的发展起到了巨大的推动作用。特别是超大规模集成电路的出现，导致了现代计算机技术和通信技术翻天覆地的变化，催生出了一个巨大的计算机产业，并进而孕育出了一个崭新的信息时代。如今，人们享受着“信息的阳光”，诸如，手里拿的手机、桌上摆的计算机、小巧方便的掌上电脑、无处不在的网络，以及各种各样的电子设备与系统等等。而这些信息时代的高科技产物都离不开

6、一种最核心的部件，那就是集成电路。  集成电路从1950年代末开始发展，已有40余年的历史。它的发展从小规模(SSI，1950年代末，集成度仅102个晶体管)、中规模(MSI，1960年代末，集成度为103个晶体管)、大规模(LSI，1970年代初，集成度约为104个晶体管)、超大规模(VLSI，1970年代末，集成度在105个晶体管)、直至现在的特大规模(ULSI，1980年代开始，集成度现已达到107~108个晶体管)阶段。集成电路的集成度越高表明制造工艺中的制程精度越高(即光刻加工的最小线宽

7、越小)，电路中的晶体管尺寸也就越小。  近30年来，全球最大的芯片制造商英特尔公司(Intel)计算机芯片的主要发展过程，代表了全球集成电路发展的历程。  　　自1971年英特尔公司发布第一枚计算机芯片以来，至今已经更新换代十几次，芯片的电子特性和集成度在不断地更新换代当中得到大幅度的提高。例如，1971年，英特尔的4004芯片，时钟速度才为108千赫，内有晶体管2300个，制程精度(最小线宽)为10微米；到1999年，英特尔的PentiumIII芯片(奔腾III芯片)，时钟速度已经接近1吉赫，在

8、面积为217平方毫米的芯片内有晶体管2800万个，制程为0.18微米。2002年8月投产的PentiumIV计算机芯片，其时钟速度已经高达2.8吉赫，制程也达到了0.13微米。尽管PentiumIV芯片的面积降低到116平方毫米，但芯片内的晶体管数却超过了5500万个。30年来，计算机芯片的时钟速度和集成度都提高了约25000倍；制程则从1971年的10微米缩小到今天的0.13微米，用于集成电路加工的制程精度提高了约76倍。  　　计算机芯片时钟速度的提高确实出乎人们的预料。虽然从