全球半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖

　　一、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境

　　半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)誕生于上世紀(jì)70年代，當(dāng)時主要受兩大因素驅(qū)動：一是為計算機(jī)行業(yè)提供更符合成本效益的存儲器;二是為滿足企業(yè)開發(fā)具備特定功能的新產(chǎn)品而快速生產(chǎn)的專用集成電路。

　　到了80年代，系統(tǒng)規(guī)范牢牢地掌握在系統(tǒng)集成商手中。存儲器件每3年更新一次半導(dǎo)體技術(shù)，并隨即被邏輯器件制造商采用。

　　在90年代，邏輯器件集成電路制造商加速引進(jìn)新技術(shù)，以每2年一代的速度更新，緊跟在內(nèi)存廠商之后。技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品性能增強(qiáng)之間不尋常的強(qiáng)相關(guān)性，使得相當(dāng)一部分系統(tǒng)性能和利潤的控制權(quán)轉(zhuǎn)至集成電路(IC)制造商中。他們利用這種力量的新平衡，使整個半導(dǎo)體行業(yè)收入在此期間年均增速達(dá)到17%。

　　21世紀(jì)的前十年，半導(dǎo)體行業(yè)全新的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)形成：

　　一是每2年更新一代的半導(dǎo)體技術(shù)，導(dǎo)致集成電路和數(shù)以百萬計的晶體管得以高效率、低成本地生產(chǎn)，從而在一個芯片上或同一封裝中，可以以較低的成本整合極為復(fù)雜的系統(tǒng)。此外，封裝技術(shù)的進(jìn)步使得我們可以在同一封裝中放置多個芯片。這類器件被定義為系統(tǒng)級芯片(system on chip，SOC)和系統(tǒng)級封裝(system in package， SIP)。

　　二是集成電路晶圓代工商能夠重新以非常有吸引力的成本提供“新一代專用集成電路”，這催生出一個非常有利可圖的行業(yè)——集成電路設(shè)計。

　　三是集成電路高端設(shè)備的進(jìn)步帶動了相鄰技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，大大降低了平板顯示器、微機(jī)電系統(tǒng)傳感器、無線電設(shè)備和無源器件等設(shè)備的成本。在此條件下，系統(tǒng)集成商再次控制了系統(tǒng)設(shè)計和產(chǎn)品集成。

　　四是互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和移動智能終端的崛起，帶動了光纖電纜的廣泛部署和多種無線技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)前所未有的全球移動互聯(lián)。這個生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造了“物聯(lián)網(wǎng)”這一新興的市場，而創(chuàng)新的產(chǎn)品制造商、電信公司、數(shù)據(jù)和信息分銷商以及內(nèi)容提供商正在爭奪該市場的主導(dǎo)權(quán)。

　　半導(dǎo)體是上述所有應(yīng)用的基石，所有的創(chuàng)新離不開半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的支持。

　　二、全球半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線

　　上世紀(jì)60年代后期，硅柵自對準(zhǔn)工藝的發(fā)明奠定了半導(dǎo)體規(guī)格的根基。摩爾1965年提出的晶體管每兩年一次的更新?lián)Q代的“摩爾定律”，以及丹納德1975年提出的“丹納德定律”，促進(jìn)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的成長，一直到21世紀(jì)初，這是傳統(tǒng)幾何尺寸的按比例縮小(Classical Geometrically Driven Scaling)時代。進(jìn)入等效按比例縮小(Equivalent Scaling)時代的基礎(chǔ)是應(yīng)變硅、高介電金屬閘極、多柵晶體管、化合物半導(dǎo)體等技術(shù)，這些技術(shù)的實現(xiàn)支持了過去十年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并將持續(xù)支持未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　(一)器件

　　信息處理技術(shù)正在推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入更寬廣的應(yīng)用領(lǐng)域，器件成本和性能將繼續(xù)與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor， CMOS)的維度和功能擴(kuò)展密切相關(guān)。

　　應(yīng)變硅、高介電金屬閘極、多柵晶體管現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集成電路的制造，進(jìn)一步提升器件性能的重點將在III-V族元素材料和鍺。與硅器件相比，這些材料將使器件具有更高的遷移率。為了利用完善的硅平臺的優(yōu)勢，預(yù)計新的高遷移率材料將在硅基質(zhì)上外延附生。

　　2D Scaling最終將在2013國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)期間達(dá)到其基本限制，無論是邏輯器件還是存儲器件正在探索如何使用垂直維度(3D)。3D設(shè)備架構(gòu)和低功率器件的結(jié)合將開啟“3D 能耗規(guī)?；?Power Scaling)”時代，單位面積上晶體管數(shù)量的增加將最終通過多層堆疊晶體管來實現(xiàn)。

　　遺憾的是，互連方面沒有新的突破，因為尚無可行的材料具有比銅更低的電阻率。然而，處理碳納米管、石墨烯組合物等無邊包裹材料(edgeless wrapped materials)方面的進(jìn)展為“彈道導(dǎo)體”(ballistic conductor)的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障，這可能將在未來十年內(nèi)出現(xiàn)。

　　多芯片的三維封裝對于減少互聯(lián)電阻提供了可能的途徑，主要是通過增加導(dǎo)線截面(垂直)和減少每個互連路徑的長度。

　　然而，CMOS或目前正在研究的等效裝置(equivalent device)的橫向維度擴(kuò)展最終將達(dá)到極限。未來半導(dǎo)體產(chǎn)品新機(jī)會在于：一是通過新技術(shù)的異構(gòu)集成，擴(kuò)展CMOS平臺的功能;二是開發(fā)支持新一代信息處理范式的設(shè)備。

　　(二)系統(tǒng)集成

　　系統(tǒng)集成已從以數(shù)據(jù)運(yùn)算、個人電腦為中心的模式轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨榷鄻踊囊苿油ㄐ拍Ｊ?。集成電路設(shè)計正從以性能驅(qū)動為目標(biāo)向以低耗驅(qū)動為目標(biāo)轉(zhuǎn)變，使得多種技術(shù)在有限空間內(nèi)(如GPS、電話、平板電腦、手機(jī)等)可以異構(gòu)集成，從而徹底改變了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。簡言之，過去，性能是獨(dú)一無二的目標(biāo);而今，最小化功耗的目標(biāo)引領(lǐng)集成電路設(shè)計。

　　系統(tǒng)級芯片和系統(tǒng)級封裝的產(chǎn)品已成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主要驅(qū)動力。過去的幾年，智能手機(jī)和平板電腦的產(chǎn)量已經(jīng)超過微處理器的產(chǎn)量。異構(gòu)集成的基礎(chǔ)依賴于“延伸摩爾”(More Moore， MM)設(shè)備與“超越摩爾”(More than Moore， MtM)元素的集成。

　　舉例來說，目前，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備被集成到汽車、視頻投影儀、平板電腦、智能手機(jī)和游戲平臺等各種類型系統(tǒng)中。一般情況下，MEMS設(shè)備為系統(tǒng)添加了有用的功能，增強(qiáng)系統(tǒng)的核心功能。例如，智能手機(jī)上的MEMS加速度計可檢測手機(jī)的垂直方向，并旋轉(zhuǎn)圖像顯示在屏幕上。通過MEMS引入的附加功能改善了用戶界面，但手機(jī)沒有它仍然可以運(yùn)行。相比之下，如果沒有MEMS設(shè)備，基于數(shù)字光投影技術(shù)(digital light projector， DLP)的錄像機(jī)和噴墨打印機(jī)將無法正常工作。多模傳感技術(shù)也已成為移動設(shè)備的組成部分，成為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵推動力量。

　　數(shù)字型數(shù)據(jù)(digital data)和連接技術(shù)的迅速進(jìn)步為醫(yī)療服務(wù)帶來變革。硅、微機(jī)電系統(tǒng)和光學(xué)傳感技術(shù)正在使這一革命成為可能。

　　移動手機(jī)已經(jīng)可以提供大量的健康信息。加速度計可以跟蹤運(yùn)動和睡眠，當(dāng)用戶觸摸手機(jī)時，內(nèi)置光傳感器可以感知心臟速率。在手機(jī)的攝像頭可以被用于不同的目的，比如檢查食品的卡路里含量，或基于人臉表情識別自己的情緒。廣泛的手機(jī)應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到能夠分析這些數(shù)據(jù)，并用易于理解和操作的方式反饋給消費(fèi)者。

　　綜觀未來7-15年(到2020年以后)設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)展，基于全新原理的設(shè)備將支持全新的架構(gòu)。例如，自旋波設(shè)備(spin wave device， SWD)是一種磁邏輯器件，利用集體旋轉(zhuǎn)振蕩(自旋波)進(jìn)行信息傳輸和處理。自旋波設(shè)備將輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成的自旋波，計算自旋波，將自旋波輸出轉(zhuǎn)換成電壓信號。在一個單核心結(jié)構(gòu)中，對多重頻率的大規(guī)模并行數(shù)據(jù)處理能通過開辟每個頻率為不同的信息通道，以非常低的功率來進(jìn)行。此外，一些新設(shè)備推動新架構(gòu)的創(chuàng)造。例如，存儲級存儲器(storage-class memory，SCM)是一種結(jié)合固態(tài)存儲器(高性能和魯棒性)、歸檔功能和常規(guī)硬盤磁存儲的低成本優(yōu)點的設(shè)備。這樣一個設(shè)備需要一個非易失性存儲器(nonvolatile memory，NVM)技術(shù)，能以一個非常低的成本制造每比特儲存空間。

　　(三)制造

　　受維度擴(kuò)展的驅(qū)動，集成電路制造的精度將在未來15年內(nèi)達(dá)到幾納米級別。運(yùn)用任何技術(shù)測量晶片上的物理特性已經(jīng)變得越來越困難，通過關(guān)聯(lián)工藝參數(shù)和設(shè)備參數(shù)將基本實現(xiàn)這個任務(wù)。通過控制設(shè)備穩(wěn)定性和工藝重現(xiàn)性，對特征尺寸等過程參數(shù)的精確控制已經(jīng)能夠完成。

　　晶圓廠正在持續(xù)地受數(shù)據(jù)驅(qū)動，數(shù)據(jù)量、通信速度、數(shù)據(jù)質(zhì)量、可用性等方面的要求被理解和量化。晶圓片由300毫米向450毫米轉(zhuǎn)型面臨挑戰(zhàn)。應(yīng)著眼于對300毫米和450毫米共性技術(shù)的開發(fā)，450毫米技術(shù)的晶圓廠將因適用300毫米晶圓片的改進(jìn)技術(shù)而受益。

　　系統(tǒng)級芯片和系統(tǒng)級封裝集成將持續(xù)升溫。集成度的提高推動測試解決方案的重新整合，以保持測試成本和產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)格。優(yōu)化的測試解決方案可能需要訪問和測試嵌入式模塊和內(nèi)核。提供用于多芯片封裝的高品質(zhì)晶粒的已知好芯片(KGD)技術(shù)也變得非常重要，并成為測試技術(shù)和成本折中的重要部分。

　　三、重大挑戰(zhàn)

　　(一)短期挑戰(zhàn)(現(xiàn)在到2020年)：性能提升

　　1、邏輯器件

　　平面型互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的傳統(tǒng)擴(kuò)展路徑將面臨性能和功耗方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

　　盡管有高介電金屬閘極(high-k/metalgate,HKMG)的引入，等效柵氧化層厚度(equivalent gate oxide thickness,EOT)的減少在短期內(nèi)仍具有挑戰(zhàn)性。高介電材料集成，同時限制由于帶隙變窄導(dǎo)致的柵極隧穿電流增加，也將面臨挑戰(zhàn)。完整的柵極堆疊材料系統(tǒng)需要優(yōu)化，以獲取最佳的器件特性(功率和性能)和降低成本。

　　新器件結(jié)構(gòu)，如多柵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)和超薄全耗盡型絕緣層上硅(FD-SOI)將出現(xiàn)，一個極具挑戰(zhàn)性的問題是這些超薄金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)的厚度控制。解決這些問題應(yīng)與電路設(shè)計和系統(tǒng)架構(gòu)的改進(jìn)并行進(jìn)行。

　　一些高遷移率材料，如鍺和III-V族元素已被認(rèn)為是對CMOS邏輯應(yīng)用中硅通道的升級或替換。具有低體陷阱和低電能漏損，非釘扎費(fèi)米能級(unpinned Fermi level)、低歐姆接觸電阻的高介電金屬柵極介質(zhì)是面臨的主要挑戰(zhàn)。

　　2、存儲器件

　　動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)的挑戰(zhàn)在于，在特征尺寸減少、高介電介質(zhì)應(yīng)用、低漏電存取器件設(shè)計，以及用于位線和字線的低電阻率材料條件下，具有合適的存儲電容。為了增加位元密度和降低生產(chǎn)成本，4F型單元的驅(qū)動器需要高縱橫比和非平面晶體管結(jié)構(gòu)。

　　閃存已成為關(guān)鍵尺寸縮放、材料和加工(光刻、腐蝕等)技術(shù)等前端工藝(Front End Of Line, FEOL)技術(shù)的新驅(qū)動力。短期內(nèi)，閃存密度的持續(xù)發(fā)展依賴于隧道氧化層(Tunnel Oxide)的厚度變薄以及電介質(zhì)集成度。

　　為了保證電荷維持和耐久的要求，引進(jìn)高介電材料將是必要的。超過256 GB的3-D NAND閃存維持性價比的同時保證多層單元(Multi Level Cell, MLC)和一定的可靠性能，仍然是一個艱巨的挑戰(zhàn)。新的挑戰(zhàn)還包括新內(nèi)存類型制造的演進(jìn)，以及新的存儲器概念，比如磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)、相變存儲器(PCM)、電阻式隨機(jī)存取存儲器(ReRAM)和鐵電式隨機(jī)存取存儲器(FeRAM)。

　　3、高性能、低成本的射頻和模擬/混合信號解決方案

　　推動無線收發(fā)器集成電路和毫米波應(yīng)用中采用CMOS技術(shù)(高介電介質(zhì)和應(yīng)變工程)可能需要保持器件失配和1/f噪聲在可接受范圍的技術(shù)。其他挑戰(zhàn)還有整合更便宜且高密度集成的無源組件，集成有效硅和片外無源網(wǎng)絡(luò)工藝的MEMS，基于低成本非硅(氮化鎵)器件的開發(fā)。

　　隨著芯片復(fù)雜性和操作頻率的增加而電源電壓的降低，芯片上數(shù)字和模擬區(qū)域的信號隔離變得越來越重要。降噪可能需要更多創(chuàng)新，例如通過技術(shù)設(shè)計，解決每厘米千歐姆級別的高電阻率基底的電源供應(yīng)和連接地線問題。

　　許多材料導(dǎo)向和結(jié)構(gòu)的變化，例如數(shù)字路線圖中多柵和絕緣體硅薄膜(silicon on insulator, SOI)衰減，或者轉(zhuǎn)而改變射頻和模擬器件的行為。在優(yōu)化射頻、高頻和AMS性能，以及供應(yīng)電壓的穩(wěn)步下降等方面存在著復(fù)雜的權(quán)衡，為集成電路設(shè)計帶來巨大的挑戰(zhàn)。

　　4、32,22納米半間距及更低

　　光刻正變得非常昂貴和最具挑戰(zhàn)性的技術(shù)。對22納米半間距光刻而言，采用間隔件光刻或多個模式的193納米浸入式光刻機(jī)，將被應(yīng)用于克服單一模式的限制，但具有非常大的掩模誤差增強(qiáng)因子(mask error enhancement factor, MEEF)、晶片線邊緣粗糙度(line edge roughness, LER)、設(shè)計規(guī)則限制和更高的成本。波長為13.5納米深紫外光刻(Extreme-UV lithography, EUVL)是行業(yè)官方推動摩爾定律的期望。

　　深紫外光刻的挑戰(zhàn)是：缺乏高功率源、高速光刻膠、無缺陷而高平整度的掩模帶來的延時。進(jìn)一步的挑戰(zhàn)包括提高深紫外系統(tǒng)的數(shù)值孔徑到超過0.35，以及提高增加成像系統(tǒng)反射鏡數(shù)量的可能性。

　　多電子束無掩模光刻技術(shù)(Multiple-e-beam maskless lithography)具備繞過掩模難題，去除設(shè)計規(guī)則的限制，并提供制造靈活性的潛力。在顯示高分辨率影像和CD控制方面已經(jīng)取得了進(jìn)展。制造工具的時機(jī)掌握、成本、瑕疵、準(zhǔn)確套印、光刻膠是其他有待進(jìn)一步發(fā)展的領(lǐng)域。

　　直接自組裝(Direct Self-Assembly,DSA)技術(shù)有新的進(jìn)展，但瑕疵和定位精度亟待改善。

　　其他挑戰(zhàn)包括：微影蝕刻法(lithography and etching)中發(fā)光電阻器(LER)的柵極長度CD控制和抑制，對新柵極材料、非平面晶體管結(jié)構(gòu)、光刻膠的發(fā)光電阻器以及深紫外光刻的測量。

　　5、引入新材料

　　由于低介電材料(包括多孔材料和空氣間隙)必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以經(jīng)受切割、封裝和組裝，考慮到蝕刻和化學(xué)機(jī)械拋光(chemico-mechanical polishing, CMP)工藝，低介電材料的介電損害減少變得更加重要。金屬方面，超薄、共形低電阻率勢壘金屬需要與銅集成，以實現(xiàn)低電阻率和高可靠性。

　　6、電源管理

　　大多數(shù)應(yīng)用階段，電源管理是時下的首要問題。因為每一代晶體管數(shù)量會成倍增加，然而封裝芯片中，具有成本效益的散熱性能仍幾乎保持不變。為了維持系統(tǒng)活躍和降低漏電功耗，相應(yīng)電路技術(shù)的實現(xiàn)將擴(kuò)展到對系統(tǒng)設(shè)計的要求、計算機(jī)輔助設(shè)計工具(computer aided design, CAD)的改進(jìn)、漏電功耗降低和新器件架構(gòu)性能要求的層面。

　　(二)短期挑戰(zhàn)(現(xiàn)在到2020年)：成本效益

　　1、光刻

　　雖然波長為13.5納米的深紫外光刻是行業(yè)官方的目標(biāo)，但是深紫外光刻必須達(dá)到很高的源功率才能在10納米及以上水平的技術(shù)中具有成本競爭力。如果多電子束無掩模光刻技術(shù)可以保持每通曝光、工藝成本和與基于掩模曝光工具相似的蹤跡，它可能是最經(jīng)濟(jì)的選擇。工藝中引入更少的掩模數(shù)量后，193納米浸入式光刻機(jī)的數(shù)位儲存器架構(gòu)(DSA)變得廣受歡迎。

　　2、前端工藝

　　我們需要實現(xiàn)低寄生效應(yīng)、繼續(xù)縮小柵極間距、下一代基板的面積調(diào)整(調(diào)整為450毫米晶片)，并采用突破性技術(shù)以應(yīng)對光刻的挑戰(zhàn)。

　　3、工廠集成

　　面臨的挑戰(zhàn)主要包括：一是應(yīng)對快速變化的、復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求;二是管理工廠不斷增加的復(fù)雜性;三是邊際效益下降的同時實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長目標(biāo);四是滿足工廠和設(shè)備可靠性、功能、效率和成本的要求;五是跨邊界交叉利用工廠集成技術(shù)，如300毫米和450毫米搭配，以實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì);六是解決遷移到450毫米晶圓上的獨(dú)特挑戰(zhàn)。

　　4、滿足市場不斷變化的成本要求

　　組裝和包裝的挑戰(zhàn)包括三維集成芯片堆疊(測試：存取、成本和已知良好芯片，三維封裝和包裝，測試訪問單個晶圓或芯片)。

　　5、環(huán)境、安全、健康

　　環(huán)境安全和健康領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)是：化學(xué)品和原材料的管理與效率;工藝和設(shè)備管理;設(shè)施技術(shù)要求;產(chǎn)品管理;報廢產(chǎn)品的再利用/再回收/再生產(chǎn)。

　　6、測量

　　工廠級別和公司層面的測量集成：測量方面應(yīng)慎重選擇，抽樣必須經(jīng)過統(tǒng)計優(yōu)化，以滿足基于擁有者成本的工藝控制(cost of ownership, CoO)。

　　(三)長期挑戰(zhàn)(2021到2028年)：性能提升

　　1、非典型互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體通道材料的實現(xiàn)

　　為高度微縮的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFETs)提供足夠的驅(qū)動電流，具備增強(qiáng)熱速度和在源端注入的準(zhǔn)彈道操作似乎是必要的。因此，高速傳輸通道材料，如III-V族化合物或硅基質(zhì)上的鍺元素窄通道，甚至半導(dǎo)體納米線、碳納米管、石墨烯或其它材料都將有待開發(fā)。非典型互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件需要物理上或功能上地集成在一個CMOS平臺上。這種集成要求外來半導(dǎo)體在硅基底上外延生長，這富有挑戰(zhàn)性。理想的材料或器件性能必須在通過高溫和腐蝕性化學(xué)加工后仍能維持。在技術(shù)開發(fā)的早期，可靠性問題就應(yīng)被確立并解決。