微电子概论结课论文

微电子概论结课论文

----浅析微电子技术的发展

[摘要]

微电子技术的应用与影响在我们的日常生活中随处可见。在本文里，简要地叙述了微电子技术的发展历史和现状，实际应用，发展趋势和展望，增进对微电子技术的了解。

[关键词]

微电子技术、发展、革命、晶体管、集成电路、财富、应用

[引言]

微电子技术是一项年轻的技术,它发展的理论基础是 19 世纪末到 20 世纪 30 年代之间建立起来的现代物理学。它在短短的一个多世纪的时间里，凭借着飞快的发展速度和强大的生命力，成功地渗入人类生活的各个领域，并在 21 世纪里继续成为最具发展潜力的技术之一。

[论述和讨论]

一、微电子技术的发展历史和现状

19 世纪末 20 世纪初的物理学革命，为微电子技术的产生奠定了理论基础。半导体三个重要物理效应——光电导效应、光生伏特效应、整流效应的发现，量子力学的建立和材料物理的发展，都起到了理论推动作用。

1946 年 1 月，Bell 实验室正式成立了半导体研究小组，成员为肖克莱、理论物理学家巴丁、实验物理学家布拉顿。在系统的研究过程中，巴丁提出了表面态理论，肖克莱给出了实现放大器的场效应基本设想，巴丁设计进行了无数次实验，于 1947 年 12 月观察到了该晶体管晶体管结构的放大特效，标志着世界上第一个点接触型晶体管的诞生。

1952 年，肖克莱又与斯帕克斯、迪尔一起发明了单晶锗 npn 结型晶体管。 1952 年5 月，英国科学家达默第一次提出了集成电路的构想。1958 年，以德克萨斯仪器公司的科学家基尔比为首的研究小组研制出世界上第一块集成电路。晶体管和集成电路的发明，拉开了人类进入电子时代的序幕，对人类社会的所有领域产生了并且还正在产生着深远影响。随着晶体管和集成电路的发明与应用，微电子技术进入了一个飞速发展的时期。1965 年，美国硅谷西安童半导体公司的 Gordon Moore 博士（Intel 公司创始人之一）通过研究了

半导体工业的发展数据， 1971 年提出了著名的“摩尔定于律”——集成电路芯片的集成度每三年提高 4 倍，而芯片加工特征尺寸每三年缩小倍。微电子技术是近五十年来发展最快的技术。从最基本的机构单元 pn 结，到简单的接触双极型晶体管和结型晶体管，再到MOS 场效应晶体管；从双极集成电路，到数字集成电路，再到 MOS 集成电路，每一次进步都是一次技术上的巨大飞跃。作为微电子技术的核心，集成电路（IC）经历了小规模、中规模、大规模、超大规模阶段，目前已进入甚大规模阶段，其集成度不断提高、功耗延迟积（优值）和特征尺寸不断缩小、集成规模不断增大。各方面的性能不断优化，价格却在不断降低.如此一来，产品的升级换代不仅导致性能品质的提升，价格也变得越来越便宜，性价比不断提高，在人类生活中也越来越受到欢迎，得到了广泛的应用。

二.微电子技术的发展趋势

几十年来集成电路(IC)技术一直以极高的速度发展。如前文中提到的，著名

的穆尔(Moore)定则指出，IC的集成度(每个微电子芯片上集成的器件数)，每3年

左右为一代，每代翻两番。对应于IC制作工艺中的特征线宽则每代缩小30％。根

据按比例缩小原理(Scaling Down Principle)，特征线条越窄，IC的工作速度越

快，单元功能消耗的功率越低。所以，IC的每一代发展不仅使集成度提高，同时

也使其性能(速度、功耗、可靠性等)大大改善。与IC加工精度提高的同时，加工

的硅圆片的尺寸却在不断增大，生产硅片的批量也不断提高。以上这些导致了微

电子产品发展的一种奇妙景观：在集成度一代代提高的同时，芯片的性能、功能

不断增强，而价格却不断下跌。这一现象的深远意义在于，随着微电子芯片技术

的快速发展，一切微电子产品(计算机、通信及消费类产品等)也加速更新、换代；

不仅新一代产品性能、功能大大超过前一代，而且价格的越来越便宜又为电子信

息技术的不断推进及其迅速推广应用到各个领域创造了条件，导致了人类信息化

社会的到来。

由于集成电路栅长度的减小和集成度的增大，因此必须发展相应的制造技术，即

光刻技术、氧化和扩散技术、多层布线技术和电容器材料技术。

①光刻技术

利用波长436nm光线，形成亚微米尺寸图形，制造出集成度1M位和4M位的

DRAM。i射线(波长365nm)曝光设备问世后，可形成半微米尺寸和深亚微米尺寸的

图形，制造出16M位和64M位的DRAM。

目前，采用KrF准分子激光器的光刻设备已经投入实用，可以形成四分之一

微米尺寸的图形，制造出64M位DRAM。采用波长更短的ArF激光器的光刻设备，

有可能在21世纪初投入实用。当然，为了实现这一目标，必须开发出适用的掩膜

形成技术和光刻胶材料。

X射线光刻设备的研制开发工作，已经进行了相当的时间，电子束曝光技术和

3nm真空紫外线曝光技术，也在积极开发之中，哪一种技术将会率先投入实用并成

为下一阶段的主流技术，现在还难以预料。

②蚀刻技术

在高密度集成电路制造过程中，氧化膜、多晶硅与布线金属的蚀刻技术，随

着特征尺寸的不断缩小将变得越来越困难。

显然，如果能够研制出一种可以产生均匀的平面状高密度等离子源的技术，就会获得更为理想的蚀刻效果。

利用CER(电子回旋共振)等离子源或ICP(电感耦合等离子)高密度等离子源，并同特殊气体(如HBr等)及静电卡盘(用于精密温度控制)技术相结合，就可以满足上述电路蚀刻工艺的要求。

③扩散氧化技术

要想以低成本保证晶体的良好质量，必须采用外延生长技术。其理由是，同在晶体制作上下工夫保证质量所需要花费的成本相比，外延生长技术的成本低得多。

离子注入的技术水平已经有很大提高，可以将MeV(兆电子伏特)的高能量离子注入到晶体内部达几微米深度。迄今采用的气体扩散法，需要在高温中长时间地扩散杂质才能形成扩散层。而现在，利用离子注入技术，可以分别地将杂质注入到任意位置，再经一次低温热处理，就可以获得同样的结果。

同时，低能量离子注入技术也取得很大进展，可以形成深度小于0.1μm的浅扩散层，而且精度相当高。另外，斜方向离子注入技术也大有进展，可以在任何位置注入杂质，从而可以在低温条件下按照设计要求，完成决定晶体管性能的杂质扩散工序作业。用固相扩散法制造源漏极浅结极为有效，已经获得35nm的浅结。

④多层布线技术

把电阻小于铝的铜，作为下一代布线材料正在引起人们的关注。美国半导体工业协会(SIA)已经将“以铜代替铝”列入其发展规划，并制定出相应的目标和技术标准。

铜布线采用镶嵌方法制作，并利用CMP(化学机械抛光)技术进行研磨，布线形成则使用半导体级电镀技术。铜容易在绝缘膜中扩散，所以，在采用铜布线时，需要同时采用能够防止铜扩散的势垒金属技术。

用离子束喷射法替代常用的真空溅射法，将金属喷射到硅圆片表面，这种方法使硅圆片不需要金属化的一侧带负电荷，然后让金属离子带正电荷，在负电荷吸引下，金属粒子沉积在硅圆片表面，形成十分均匀的金属薄膜。预计离子喷射法三年后可达到实用。

在高速电路的布线中，必须同时形成低介电系数的层间膜。氧化膜的介电系数为4.0，添加氟(F)的氧化膜，其介电系数现在可以达到3.6，利用高密度等离子CVD(化学气相淀积)技术可制作含氟的氧化膜。

⑤电容器材料

随着DRAM集成度的提高，电容器材料——氧化膜的厚度变得越来越薄。进入90年代以来，氮化硅膜技术不断改进，并改用立体的电容器结构，以确保所必需的电容值。但是，这种技术似乎已经接近其极限，今后有可能采用迄今没有用过的新材料，如氧化钽膜(Ta2O5)和高电容率材料(BST)等。

三.微电子技术与其它学科

微电子学是一门综合性很强的边缘学科，其中包括了半导体器件物理、集成电路工艺和集成电路及系统的设计、测试等多方面的内容；涉及了固体物理学、