新型纳米技术材料与器件对现代集成电路设计的支持_bnasic@126_陆芳_G21114001[精选多篇]

第一篇：新型纳米技术材料与器件对现代集成电路设计的支持_bnasic@126_陆芳_G21114001

新型纳米材料与器件对现代集成电

路的支持

前言

随着科学技术的不断发展，新技术的产生必然伴随了科技的向前迈步，集成电路的发明是一个技术创新，而纳米技术与纳米材料的出现使得集成电路的发展发生突破性的进展，缩短了设计周期，降低了设计成本，极大地影响了社会各个方面。目前，集成电路发展已进入纳米时代。

本文主要介绍纳米材料与器件与现代集成电路发展的有关问题，首先大概介绍有关纳米的几个概念；随后提出传统微电子材料与器件与现代集成电路发展造成阻碍的问题；其次，具体阐述问题，分析限制集成电路发展的限制因素；最后，分析纳米材料与器件进入集成电路发展的本质的道理，以解决传统微电子材料与器件的限制问题。

一、有关纳米的几个概念

纳米材料：构成物质的“单元”的三维尺寸中至少有一维是纳米级的，也就是有一维尺寸在0.1到100nm，10-10到10-7之间的材料（约为头发丝直径的100万分之一到千分之一）。

纳米结构：以纳米尺度的物质单元为基元，按一定规律排列，形成的一维的、二维的及三维的阵列，这种结构体系就叫“纳米结构”。

纳米技术：研究纳米体系、纳米结构的运动规律、相互作用及实际应用的科学。

纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最活跃、最接近应用的重要组成部分。在2l世纪，信息、生物技术、能源、环境保护、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求。元件的小型化、智能化、高集成度、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小，对材料性能的要求越来越高。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。

纳米技术现阶段主要应用于集成电路中。那么，纳米半导体材料对集成电路的有何突破性的贡献呢？

二、传统微电子材料与器件与现代集成电路

集成电路技术是在应用需求的推动下，依靠一系列的创新，包括原始创新、技术创新和应用创新等建立发展起来的。最初集成电路技术一直按照摩尔定律的指数增长规律发展。

随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是在进入到纳米尺度的范围后，集成电路技术的这种一维发展模式面临着一系列物理限制的挑战，这些挑战来自于基本物理规律的物理极限，也来自于材料、技术、器件、系统和传统理论方面的物理限制。传统微电子材料与器件严重阻碍了现代集成电路的发展，新型材料与器件进入现代集成电路已成必然趋势。

随着纳米材料与器件的发展和引入，集成电路技术从一维过渡到多维发展的模式。首先是通过克服在材料、技术、物理基础方面遇到的限制，继续按照特征尺寸按比例缩小的途径继续发展，即所谓的“自上而下”的途径；其二是发展新的纳米技术，如纳米结构的自组装技术等，采用“自下而上”的途径发展；其三是将全新的纳米低维材料如纳米碳管和纳米硅线等与集成电路技术相结合，开发新型的纳米电路；其四是研究新的器件结构如量子器件，发展新的运算逻辑如量子逻辑运算；其五是将集成电路技术与其他技术结合，形成新的学科和技术领域。

那么，我们该如何解决传统微电子材料与现代集成电路的发展不同步呢？

三、集成电路发展中的限制

3.1、材料方面的限制

主要是传统的微电子材料如硅衬底材料、二氧化硅绝缘材料、多晶硅及其硅化物和金属导电材料等无法满足集成电路技术进一步发展的需要。为了解决这方面的限制问题，需要引入一些新的材料到集成电路技术中来。目前所研究的新材料包括：高K栅介质材料；型金属导电材料；低K互连介质材料；Cu互连材料；高K电容材料、铁电电容材料、巨磁电阻电容材料、低维材料如纳米碳管和纳米硅线等。3.2、技术方面的限制

传统的集成电路工艺技术，如光学光刻工艺、离子注入工艺等将接近其物理极限，无法满足器件进一步缩小的制备需要。解决该限制的途径是寻找新的工艺方法和途径。

3.3、器件方面的限制

按照摩尔定律预测，由于器件特征尺寸的研究水平缩小，MOS器件开关过程仅需要少数几个电子参与，MOS器件的经典理论将不适用；而到2020年,器件的开关过程仅需一个电子的参与。由此，必须要采用新的器件结构和新的器件工作原理。

3.4、系统方面的限制

系统方面的限制包括互连延迟的限制、系统散热问题的限制等。随着器件尺寸的缩小和集成密度的增加，互连引线的横截面越来越小，使得电阻值增高，互连引线占的面积增加，互连引线的时延问题成为制约集成电路或集成系统性能进一步提高的主要因素。

由于集成电路发展中的诸多限制，为纳米技术以及纳米材料与器件进入集成电路发展奠定了基础。

四、纳米半导体硅材料进入现代集成电路

随着集成电路的设计线宽向纳米尺度的发展，在降低功耗和器件单价成本、提高速率和频率、减少其他物理效应的负面影响方面均对半导体材料提出了新的要求。这些要求与市场需求共同作用推进了纳米级硅材料的研究与发展，为纳米集成电路的发展提供了坚实而广阔的基础。

目前用于集成电路主流的纳米半导体材料是200nm硅单晶，由于集成电路对硅材料的需求越来越大，随着科学研究的进行，大直径半导体300nm硅片的研制被投入到纳米线宽集成电路中。随着半导体集成电路对外延材料的需求不断增加，纳米集成电路对外延片提出了更高的要求，主要包括表面的颗粒度、表面金属含量、表面粗糙程度以及厚度均匀性等。促使锗硅材料作为新型半导体材料应运而生。总之，纳米半导体硅材料在集成电路中的应用随着集成电路的发展而不断更新。

随着300nm硅片在纳米量级缺陷和颗粒的表征上出现了困难性，为监控颗粒的污染，需要能够检测和分辨出在纳米范围内的颗粒，但小于200nm 的颗粒与表面微缺陷常相互干扰，难以区分，需要开发新的纳米检测技术和方法。由于300nm硅片的缺陷，为新一代大直径半导体硅材料（如450nm）和硅基材料的产生提供了基础，使得现代集成电路的发展不断突破限制。

纳米集成电路用大直径半导体硅及硅基材料将以高质量、低成本为主要目标，向标准化设备、厂房、新的加工工艺技术方向发展。可以预料，300nm或更大直径的硅材料的晶体生长、杂质行为、缺陷控制以及表面质量的研究，将随着纳米技术的发展而不断深入。总之，纳米半导体硅材料在集成电路中的应用与开发，将大幅度降低成本，满足市场需求，这是纳米电子产业蓬勃发展的必然趋势。

五、小结

本文通过对传统微电子材料与现代集成电路发展的限制性问题进行了分析，论述了硅晶体材料在集成电路中的运用解决了传统微电子材料对集成电路的限制。随着科学技术的发展，现今流行的硅材料终将成为集成电路发展的绊脚石，为满足纳米集成电路的发展，新型材料和新型技术亦将应运而生。

通过对该课程的学习和论文的撰写，补充了我在科学文化知识中的缺陷，对纳米技术、纳米材料、纳米器件和现代集成电路的发展与应用有了初步的认识，体会到了解现代科学技术的重要性。在学习中，不能按部就班局限自我视野，对现代科技的了解是开拓视野的有效形式，不能局限于专业知识，否则只会对科技社会只知一面。