摩尔定律之外，未来的微/纳米电子器件的技术挑战

在过去的几十年里，微电子产业已经花费了巨大的努力来发展和推动摩尔定律，这不仅促使信息通信技术领域出现了许多突破和革新，也明显改变了人们的生活方式。这种趋势仍将持续，正如新摩尔定律和后摩尔定律计算机^[1]技术领域所反映的那样。在这种情况下，不断增长的意识、研发努力和经济推动力会推动超摩尔技术的发展和应用，超越摩尔技术基于或源于硅技术，但又不只是简单遵循摩尔定律，超越摩尔技术能在电子器件中实现多种非数字功能。未来的商机和技术挑战将是摩尔定律和超越摩尔技术的集成，其中前者集成致力于数字功能，而后者则主要致力于通过异质系统集成而实现非数字功能（见图23.1）。这种发展趋势伴随着如下技术挑战^[7]：

图23.1 遵循摩尔定律和超越摩尔定律的集成

（1）异质集成水平增加

未来的微/纳米电子器件将由不同材料制造，尽管这些材料有不同的特性（热膨胀率、生物化学相互作用），它们必须能够共存。微/纳米电子器件的组成元件需要通过满足各类环境约束的多种工艺来制备。其使用情景迥异也将导致对通信连接的异质集成要求，而这些通信连接又建立在各种不同的无线标准之上。最后，系统级封装的射频元件自身也需要实时优化至最佳的空中接口，以满足目标应用的要求。

（2）复杂度

大部分这些系统的设计和制造中，都嵌入了智能元件，使产品能对环境做出反应并向其用户提供相关的和人体工程方面的信息。系统需要处理大量的多种模式数据。当考虑使用环境和快速变化的用户行为时，用户界面必须处理复杂的和多变的环境。

（3）自主方案

系统中嵌入的大部分基本功能必须依据大功率要求设计，这种要求充分利用了大部分相关的能源。在许多应用中，能源通常是主要的瓶颈，并阻止工业和消费者自主化产品的市场扩大。(www.xing528.com)

（4）多尺度性

多尺度特性（在几何和时域上）会强烈影响产品价值创造过程的价值链，从技术开发到工业化。系统级封装的不同构成元件包括了从纳米到毫米的、大小迥异的几何特征。从微米到纳米和从纳米到多尺度的变化将伴随着一种范式转变。的确，每一代惯性传感器的演化过程可以说明：小型化的每一步都可能需要设计、技术的改变，甚至是探测原理的改变。

（5）多学科

微/纳米电子的革新需要许多技术。以生物传感器SiP为例，它不仅需要电子工程知识，还需要化学和生物工程领域的知识。化学、热学、冶金学、物理学、电学、机械学、光学、电磁学和生物学等学科专业知识都可能在未来产品的设计和制造中享有一席之地，且未来产品的设计和制造会同时需要硬件工程和软件工程。

（6）随机性

以确定的性能设计、制造和加工微/纳米电子产品几乎是不可能的。微/纳米电子产品的设计参数，如材料/界面性质、几何尺寸、工艺窗口和加载强度，会不可避免地发生偏差，尽管这些偏差可以通过不同的统计指标和绝对数值来表示。随着IC技术快速发展到后CMOS技术领域，控制不同尺度的多元变异性变得至关重要，尤其是必须采用原子级的性能来满足微观或宏观要求时。

需要注意的是，上述所有这些特性之间存在固有的非线性相互作用，但是技术开发和对这些相互作用的本质理解之间尚存在巨大的差距。因而，需要通过集成方法来找出最优的方案，这会塑造接下来20年里的技术环境，并为科学界提供新的研究领域。