第26卷 第4期2006年11月
固体电子学研究与进展
RESEARC H&PRO GRESS O F SSE
V o l. 26, N o. 4No v. , 2006
硅微电子学
半导体器件发展历程及其展望
肖德元 陈国庆
(中芯国际集成电路有限公司存储器技术发展中心, 上海, 201203)
2004-12-15收稿, 2005-03-07收改稿
摘要:简述了半导体器件发展历程, 及其对人类社会发展所产生的深刻影响。探讨了半导体器件所取得的最新研究成果以及它今天面临的挑战及未来发展趋势。最后阐述了世界半导体产业重心的转移及其给中国半导体产业发展带来的机遇与挑战。
关键词:半导体器件; 微电子技术; 产业重心; 半导体技术蓝图
中图分类号:TN 301 文献标识码:A 文章编号:1000-3819(2006) 04-510-06
Semiconductor Device History and Its Perspective
X IAO Deyuan C HEN Guo qin
(Memory Technology Development Center , Semicond uctor Manuf acturing International
(Shanghai ) Corporation , Shanghai , 201203, C HN )
Abstract :In this paper, a brief introduction is giv en to the semiconductor device history a nd its hug e im pact o n hum an being. The m ost important achiev em ents in this field a re listed. The
challenges , the industry faces as well as the future dev elopment trend a re also ex pressed . Finally , the phenomenon of the semiconducto r manufacturing center shifting fro m o ne co untry to another is described. The g reat o pportunities a nd hug e challeng es to the Chinese semiconducto r industry are discussed .
:semiconductor device ; microelectronics ; manufacturing center ; semiconductor Key words
road map
EEAC C :2520
求发展以“更低的能耗”及“更快的速度”处理“更多
1 引 言
互联网打开了知识之窗, 成为21世纪新的信息化社会的象征。利用互联网, 人们足不出户, 就能够对旅行列车或飞机的时刻表及目的地的地图, 甚至
于购物商店, 下榻旅馆了如指掌。信息技术(IT ) 的利用, 使社会更具活力, 更有效率。那么支撑IT 技术进步的驱动力是什么呢? 那就是人们常说的, 不断追
的信息”为目标的新技术。IT 的原动力是半导体技术。有感于半导体技术发展如此迅速, 摩尔1998年感慨道:假如汽车工业也象半导体工业那样进步如此迅速的话, 一辆劳斯莱斯跑50万英里将仅消耗一加仑油, 并且丢弃它比将它泊在停车场来得便宜。与半导体技术一同成长起来的我们这一代人, 感受良深。今天, 集成电路已覆盖信息、通讯、运输、军事、太空以及消费性电子等人类生活的全领域。
:-.
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2 半导体器件发展历程
1947年12月23日清晨, 威廉·肖克莱(William Shockley ) 焦虑不安地驾车穿越纽瓦克境内布满严霜的西部山区, 在通往贝尔实验室的那段拥挤不堪的大道上, 肖克莱对周围的机动车辆几乎全然不顾, 他的心思已经不在这里了。这天下午, 他所在的研究小组要为上司现场演示一种全新的、颇有前途的电子器件, 他得提前作好准备。他深知这种基于半导体的放大器有可能引发一场革命。
二战结束后, 贝尔实验室开始研制新一代的固体器件, 具体由肖克莱负责。前两天的一个中午, 肖克莱的两位同事理论物理学家巴丁(Joh n Bardeen) 和出生于中国厦门的实验物理学家布拉坦(Walter Brattain ) , 在一个三角形石英晶体底座上将金箔片压到一块锗半导体材料表面制成两个点接触, 当一个接触点为正偏(即相对于第三点加正电压) , 而另一个接触点为反偏时, 可以观察到把输入信号放大的晶体管行为。他们把这一发明称为“点接触晶体管放大器”(Point-contact tra nsisto r amplifier) 。它可以传导、放大和开关电流。图1就是有史以来的第一个晶体管的照片[1]
。
学界称为“20世纪最重要的发明”。他们3人因此分享了1956年度的诺贝尔物理奖。自第一个晶体管被发明以来, 各式各样的新型半导体器件凭借更先进的技术, 更新的材料和更深入的理论被发明。
1952年, Ebers 提出可控硅器件(Thy ristor ) 基本模型。
1954年, 贝尔实验室的阙平(Cha pin) 等人发表PN 结硅太阳能电池(So lar cell) 。
1957年, Kro em er 提出异质结双极型晶体管(HBT) , 这种器件具有更快的速度。
1958年, 日本的江畸(Esaki) 发现重掺杂PN 结具有负阻效应, 对这种反常现象的理解是能带结构中的隧道效应, 这促成了隧道二极管(Tunneling diode) 的问世, 他因此项贡献而获得1973年度的诺贝尔物理奖。
1958年至1959年, 德州仪器公司的Kilby 和仙童半导体公司的No yce 分别单独发明了在锗和硅衬底上集成数个晶体管和电阻、电容的集成电路(Integ ra ted circuit) 。一块集成电路中包含的晶体管数目越多, 则可完成更复杂的电路功能。从此开创了称为微电子技术发展进步和广泛深入应用的新纪元, 即微电子革命。基尔比因此项贡献获得2000年度的诺贝尔物理奖, 诺宜斯可惜已经谢世而无法分享此项殊荣。
1960年, 由于表面态问题得到了有限控制, 贝尔实验室的Kahng 和Atalla 成功地研制出第一只实用型金属氧化物半导体场效应晶体管M OSFET 。这种晶体管后来主导了集成电路和微芯片的命运。自M OSFET 研制成功后, 它得到了迅猛发展并且成为微处理器(Micro processor ) 与存储器(M emory ) 等先进集成电路中最重要的器件, 与其相关的集成电路产品占有半导体市场90%的份额。
1962年, Hall 等人研制成功第一个半导体激光二极管。
1963年, Kroemer 等人发表异质结半导体激光二极管。
1963年, Gunn 提出转移电子二极管, 被称为耿氏隧道二极管。
1963年, 贝尔实验室的Wa nlass 和萨支唐, 发明互补式金属氧化物半导体场效应晶体管(CM OS) 器件。它是NM OS 和PM OS 的一种有机组合, 构成逻辑器件。其优点是该器件只有在逻辑状态转换时(比如, 从0到1) 才会产生大电流, 而在稳定状态时只有极小的电流通过。因此, 电路的功率损耗可以大, [2]
图1 历史上第一个晶体管Fig. 1 T he histo rical fir st tra nsisto r
1949年肖克莱发表了关于PN 结理论及一种性能更好的双极型晶体管(B JT) 的经典论文, 通过控制中间一层很薄的基极上的电流, 实现放大作用, 次年制成具有PN 结的锗晶体管。由于双极型晶体管是通过控制固体中的电子运动实现电信号的放大和传输功能, 比当时的主流产品真空电子管性能可靠、耗电省, 更为突出的是体积小得多, 因此在应用上受到广泛重视, 它很快取代真空管作为电子信号放大组件, 成为电子工业的强大引擎, 由此引发了一场电,
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是最佳的器件, 它是当今乃至今后相当长一段时间内最主要的集成电路技术。
1965年, Johnsto n 等人发明碰撞电离雪崩渡越时间二极管。
1965年, 摩尔为纪念《电子学》杂志创刊35周年, 发表了集成电路上晶体管数目每18个月至24个月翻一番的规律, 人称摩尔定律。虽然它是根据1959～1965年的数据归纳的, 但至今仍然有效。
1966年, Mead 发明金属半导体场效应晶体管M ESFET, 它是单片微波集成电路的关键器件。1966年, IBM 公司的Robert H. Denna rd 发明动态随机存储器DRAM , 它是一种挥发性半导体存储器(Vola tile semiconducto r memo ry , V SM ) , 已广泛应用于当今计算机领域。
1967年, 贝尔实验室的Kahng 和施敏(S. M. Sze ) 发明非挥发性半导体存储器(No nvo latile semico nducto r m em ory , NV SM ) 。这是一种非常重要的半导体存储器, 它与通常的M OSFET 不同之处在于它的控制栅极下面加了一个浮动栅极, 如图2所示, 它可以在电源关掉以后, 仍然保持其储存的电荷。由于非挥发性半导体存储器具有非挥发性、高器件密度、底功率损耗及可电重写性等特点, 它已经成为应用于便携式电子系统如手机、笔记本电脑、数码相机和智能卡方面最主要的存储器
。
是大部分量子电子器件的基础。
1980年, Minura 等人发明调制掺杂场效应晶体管MODFE T, 这种器件将成为速度更快的场效应晶体管。
1980年, K . V . Klitzing 从MO SFE T 结构中发现量子霍尔效应并开发出测定物理常数的新技术, 获得了1985年的诺贝尔物理学奖。1998年诺贝尔物理奖授予H o rst Stom er 、崔琦和Robert Laughlin, 以表彰他们发现分数量子霍尔效应及对这一新的量子液体的深刻理解。
1994年, Yano 等人发明室温下工作的单电子存储器(Single -electron memo ry cell , SEM C ) 。它其实就是将浮动栅极的长度缩小到极小的尺寸(如10nm) 所产生的极端非挥发性半导体存储器。在这种尺寸下, 只要一个电子进入浮动栅极, 浮动栅极的电压就会改变, 并且排斥另一个电子的进入。它可以说成是浮动栅极存储器的极限, 因为只需一个电子就可以储存信息。相信单电子存储器将来可以成为储存1TB(10bits) 最先进的半导体存储器的基础。
1998年, IBM 公司与日本N EC 公司合作, 采用原子力显微镜(AFM ) 技术研制成功碳纳米管晶体管(Carbon nano tube transistor , CN T) 。该晶体管的衬底为硅, 并作为栅极, 源极和漏极是用金做的, 研究人员用原子力显微镜(Atomic force microscope, AFM ) 在三个电极间放置了一根半导体性的碳纳米管, 如图3所示。这只场效应晶体管的性
12
图2 第一个非挥发性半导体存储器(NV SM ) 示意图
Fig. 2 The diag ram o f the fir st no nv o latile
semiconducto r memo ry , N V SM
1970年, Boyle 和Smith 发明电荷耦合器(CCD) 。
1970年, 英特尔的Federico Fag gin, Ted H o ff 和Sta n M azor 发明第一个微处理器4004, 它是由2300个晶体管组成的一个四位芯片, 每秒能处理6万次运算。此芯片为具备数据处理, 存储及输入输出, 还可以写入程序的多功能系统, 其衍生的后代包括现今最流行的Pentium 处理器。
, , 图3 IBM 研制的第一个碳纳米管晶体管Fig. 3 The first car bo n nano tube t ransisto r
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能良好, 当栅电压变动时, 源极与漏极之间的电导变化10万倍, 是一个具有应用价值的电子开关。利用这一突破性的晶体管技术制造的芯片将比现在的硅芯片更小、更快。其技术难点在于纳米碳管定位、选择性成长与连结技术等[3]。
1998年, 普林斯顿大学研制成功室温下工作的硅基单电子量子点晶体管(Sing le-electro n transisto r, SET) 。器件工作原理是基于库仑阻塞效应。器件的电流-电压特性分析显示, 能级分离约110m eV , 硅孤岛(点) 的直径约12nm, 如图4为硅基单电子量子点晶体管结构及显微照片。
[4]
图5 栅长仅为5nm 的纳米线Fin FET 器件Fig. 5 T he 5-nm g ate leng th nanow ire FinF ET
神秘莫测的微观物理量走出科学的神圣殿堂, 成为集成电路制造晶体管设计用到的参量。今天, 集成电路已覆盖信息、通讯、运输、军事、太空以及消费性电子等人类生活的全领域。半导体产品充斥于人们周围, 成为生活当中不可或缺的一部分。
图6为美国半导体协会(SIA ) 绘制的半导体技术蓝图, 2004年90nm 半导体产品的量产标志着人
图4 室温下工作的硅基单电子量子点晶体管Fig. 4 The r oo m temperatur e quantum do t silicon
sing le elect ro n t ransisto r
类真正开始进入纳米制造时代。图7显示出集成电路集成度的惊人进步。
2004年, 杨福良(Fu-Liang Yang ) 等人研制成功栅长仅为5nm 的纳米线Fin FET 器件。
[5]
3 半导体及微电子技术展望
上世纪初, 物理学的中心在欧洲, 物理学家偏重于理论及物质本性的探索研究。物理学上的许多微观量, 如晶格常数、电子电荷、普朗克常数, 能带结构中的禁带宽度、费米能级等通常都是物理学家们进行学术探讨时对物质的微观世界进行描述而用到的高深词汇, 不为常人所理解。随着物理中心的西移,
器件特征尺寸的不断微型化是微电子技术的关, 图6 半导体技术蓝图Fig. 6 Semico nduc to r roa d map
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固 体 电 子 学 研 究 与 进 展26卷
nm, 沟道中的电离杂质数目下降到几百到几十个, 这时其涨落现象已不可忽略。对于器件沟道内的载流子在100量级的情况, 涨落引起的器件载流子数目变化将达到10%左右, 并使得器件的阈值电压产生相应的起伏, 影响电路的正常工作。最后是功率耗散问题日益严重:集成密度和工作频率的增加, 使得芯片单位面积内的功耗急剧增加, 降低功耗和增强散热成为集成电路开发的一个重要考虑因素。2004年10月21日, 由于处理器散热问题难以解决, Intel 不得不更新产品路线图, 宣布放弃4GHz 主频奔4处理器, 新的产品路线图表明, Intel 全面转向多核结构。
采用高迁移率与超浅结离子注入掺杂技术、高介电常数绝缘材料栅技术、铜及低介电常数绝缘材料互连技术、应变硅及凸起源漏区技术、原子层沉积(Atomic layer depositio n , ALD ) 制程技术有助于上述问题的解决。研究人员正寻求突破限制的途径, 将以高性能集成电路延展至50nm 甚至更小, 已成为微电子前沿领域的一大主要热点。
集成电路是近半个世纪发展最快的技术, 设计尺寸40多年间缩小了近150倍。2003年单个芯片的晶体管数目与1963年相比, 增加了10亿倍。进入纳米时代后, 这一数目将保持每5年就增加10倍的速度。1990年, IBM 的科学家曾经用隧道扫描显微镜, 在超真空及液氦温度(4. 2K) 条件下, 将吸附在镍表面的氙原子, 一个个地拖曳排列成“IBM ”三个字母, 引起了世人的瞩目, 这是人类首次对原子进行操作。单原子的操作成功使人们对纳米技术的应用信心大增。但是, 用原子操作做出具有特殊功能特性的原子或分子器件, 往往需要在极限条件下进行, 而且花费时间很长, 现时的工艺远远没有达到进行大型生产的要求。业已知道物质包括电子具有波粒二象性。就目前微电子学所取得的成就而言, 虽然已快接近器件物理的极限, 即达到器件原子级操作, 但从器件原理的角度, 还只不过是利用到了电子的粒子性, 其更重要更具潜力的波动性还未能加以利用, 新的器件结构将会出现。如对电子的自旋、相位等进行调制。今后新型器件的研发将主要围绕量子力学效应的全面克服和利用来进行, 前途还是一片光明的。微电子技术仍将以硅基CMO S 工艺为主流技术, 器件的特征尺寸继续按比例缩小, 并朝着系统集成芯片(System o n Chip, 简称SOC) 方向发展, 即将子系统或整个系统集成在一块硅芯片上, 具有信息的存储、处理及刷新功能。这将是微电子领域内的另一场革图7 集成电路集成度发展历程与蓝图
Fig . 7 IC density ro ad ma p
自器件工艺与器件物理本身两方面的限制。
器件特征尺寸的进一步缩小, 关键在于光刻技术的进步。90nm 产品采用193nm 深紫外(DUV ) 光源, 目前的主要方向。一方面是将现有的紫外光光刻
技术(即193nm 及157nm DUV 光源技术) 进一步拓展, 以期实现最小线宽为65nm 的硅集成电路。据总部位于荷兰专门生产光刻机的ASM L 公司预测, 采用沉浸透镜技术(Imm ersion lens lithog raphy ) , 193nm DUV 光源技术的应用极限可以达到32nm 。另一方面是发展极限紫外(EUV ) 光刻技术(13nm EUV 光源技术) 研究, 期待能使线宽小于20nm, 由此可将现有的CMO S 工艺推至加工极限。
极限紫外光刻技术的研究从概念的提出至今, 已经发展了近15年, 它或许是最后一代用光实现纳米制造的光刻技术。除了极限紫外光刻技术以外, 还有其它新一代纳米级的光刻技术, 如:X 光光刻、电子束投影、离子束投影、微型电子束阵列等等。目前工业界主要看好的还只是极限紫外光刻技术。
在集成电路遵循摩尔定律进入纳米领域后, 除了制造工艺会遇到新的困难, 器件结构的微观特征变得明显, 量子效应日渐突出, 现有器件将面临下述物理限制的挑战。首先是器件的短沟道效应:随着MO S 器件沟道长度的不断缩小, 器件的阈值电压V t 与沟道长度的关联度进一步加强, 即器件的短沟道效应将变得更明显, 需要设法改进器件结构加以抑制。其次强场效应:器件纵横向尺寸缩小, 而电源电压并不能以同样比例缩小, 使得栅绝缘介质和沟道内场强不断加强, 会在器件穿通和热电子等方面产生可靠性问题。再次是薄氧化层的隧穿效应:在器件尺寸缩小到100nm 以下时为维持足够的栅控能力, 需进一步减小氧化层的厚度, 将导致电子在氧化层中的隧穿几率增加, 致使栅漏电流增大。第四是沟道:[6]
4期 肖德元等:半导体器件发展历程及其展望
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感器和执行器与信息处理及存储系统集成在一块硅芯片上。
目前, 电子工业的销售额已超过汽车工业, 成为第一大工业。集成电路身为电子工业的核心, 将以更高的速度成长并超过钢铁工业。图8给出了半导体的发展在过去30年以及到2010年的预期。据美国半导体协会(SIA) 预测, 到2012年, 集成电路全行业销售额将达到1万亿美元, 它将支持6万亿到8万亿美元的电子装备、30万亿美元的电子信息服务业和约50万亿美元国民生产总值。这场由肖克莱为代表的半导体先驱们点燃的晶体之火正熊熊燃烧, 迄今还未见到它将熄灭的迹象
……
随着中国作为新的世界制造战略基地的崛起, 中国半导体厂的兴建经历了一股热潮。仅仅几年前, 中国的半导体厂还距世界先进水平有着四、五代的巨大差距, 而今, 这差距已被迅速缩小至仅仅一、两代。
2004年9月25日, 中芯国际集成电路制造有限公司(SM IC ) 在北京举行隆重庆典, 庆祝其第一座12英寸芯片厂成功投产进入正式营运阶段。中国第一条12英寸芯片生产线的建成, 标志着中国集成电路制造技术已经跨入300mm 时代, 中国业已进入全球半导体制造强国的行列。仅中芯国际三地的总产能在2004年底达到预定的月产12万5千片八等值晶圆。自2004年的第三季开始, 中芯国际已超过新加坡特许半导体成为全球第三大晶圆代工厂商, 在行业内的排名仅次于台积电和联电。自2005年起, 开始导入90nm 制程, 进入投产阶段。这意味着中芯国际在90nm 技术上只落后台积电等领先代工企业9到12个月, 表明中芯国际正在缩小与先进技术的差距。在此之前, 中芯国际在130nm 技术上落后台积电18个月。
意法半导体(ST Microelectro nics) 企业副总裁Otto Ko sgalw ies 在德国慕尼黑举行的2004Electronica 会议上表示, 中国将在2008年成为全球最大的半导体制造国, 其出货比重占全球23%, 金额为500亿美元。
图8 1970年至2010年全球国民生产总值(GW P) 及电子、
半导体、微处理器与存储器产品的销售额
Glo ss w o rld pro duct , elect ro nic , semiconducto r , Fig . 8
mic ropr ocesso r a nd memo ry produc ts sales fr om y ear 1970to y ea r 2010
5 结束语
半导体技术已经历了巨大的发展, 成为发展最快的技术。它对人类社会的发展产生了深刻影响。新
世纪初的中国, 面临着发展民族半导体产业的强大机遇与挑战。国家在加强对半导体企业实行优惠政策的同时, 还将完善我国现行科技法律、法规与奖励办法, 努力提高我国高新技术专家、发明家和实践革新家的地位和声望。通过国家政策和投入, 体现国家意志, 在总体上实现市场和计划对中国一流半导体企业技术中心的全力支持, 使其尽快成长为世界一流的实验室和生产中心。在此, 笔者预言:在不远的将来, 中国一定会拥有世界一流的企业、世界一流的大学与世界一流的实验室、世界一流的科研人才! 我们一定会不断创新, 不会错过这一难得也可能是唯一的机遇。
参
考
文
献
4 半导体产业重心的转移及中国半导体产业的机遇与挑战
20世纪70年代末, 半导体产业重心从美国转移到了日本, 而20世纪80年代末, 韩国与中国台湾成为半导体产业的主力。每一次产业重心转移, 都引发了整个产业的剧烈震荡, 这种力量也给那些新兴国家和地区带来了巨大的经济动力。
这种转移在日本造就了日立、东芝、三菱电气、富士通和NEC 等世界顶级的半导体制造商。而仅仅通过十余年的不懈努力, 韩国成为继美国、日本之后的世界第三个半导体产业中心, 自上个世纪90年代中期以来, 半导体产值一度占据韩国出口产品的第一位。韩国三星公司更成为世界第一大存储器生产
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4期 胡建等:一种适用于射频电子标签的时钟数据恢复电路
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型鉴频鉴相器, 它同时具备了鉴频鉴相的功能以及
对N RZ 数据的正确识别的功能。此外设计了一个自适应控制单元, 能够动态地根据输入数据的速率自动调节边沿检测器的延迟单元, 使其输出能为后级单元提供较理想的信号。经过流片后实测, 此时钟数据恢复电路能工作在1. 15V 的低电压下, 且具有低功耗的特点, 适合在射频电子标签芯片等对功耗要求比较严格的场合下使用。
参
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肖德元(X IAO Dey ua n) 男, 1963年1月生, 江西泰和人, 1990年5月毕业于中国科学院研究生院暨中科院上海微系统与
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微电子分部助理研究员, 美国N OV EL LU S SYS T EM S 与新加坡特许半导体高级工程师。现就职于中芯国际集成电路制造(上海) 有限公司技术发展中心任研究员, 技术经理。主要研究半导体存储器纳米器件模型、特性及工艺。中国电子学会会员, 2000年入选《世界科学名人录》。在国内外核心期刊及会议上发表论文二十余篇, 发表国际发明专利五项, 另有两项受理当中。
陈国庆(CHEN Guo qin) 男, 1963年10月生, 江苏靖江人。1983年毕业于浙江大学, 获化学工程学士学位。1983年至1991
年任职于南京化学工业设计院。先后担任工艺工程师, 项目经理等职。1996年毕业于美国亚历桑那大学(Th e Univ ersity of
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