2003 ITRS新版評介

新版簡況
2003ITRS(International Technology Roadmap For Semiconductors—2003年國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖)已是第6版。自1999年起每逢單年ITRS進(jìn)行修訂，雙年則僅對部分表格中的數(shù)字進(jìn)行更新。ITRS 2003年版的修訂工作于去年年初即已開始進(jìn)行，經(jīng)過三次大會的廣泛討論，于2003年底發(fā)表。
ITRS 2003年版與2001年版相比，參與人數(shù)由839名增加至936名，篇幅也增加不少，由487頁增加至661頁。新版內(nèi)容反映了近兩年來研發(fā)工作的進(jìn)展，同時提示產(chǎn)業(yè)界人士面對新的強(qiáng)大挑戰(zhàn)要具有清醒的頭腦。
ITRS 2003年版共分16章，它們是：綜述；系統(tǒng)驅(qū)動；設(shè)計(jì)；測試與測試設(shè)備；RF與混合信號技術(shù)；前端工藝；光刻；工廠集成；環(huán)境，安全和保??；計(jì)量；設(shè)計(jì)；工藝集成；器件與結(jié)構(gòu)；新型器件研究；互連；裝配與封裝；成品率的提高；建模與模擬。與21001年版相比增加了“RF與混合信號技術(shù)”和“新型器件研究”兩章。

RF集成電路引人注目
現(xiàn)在無線技術(shù)應(yīng)用的RF集成電路包羅萬象，例如：Si CMOS, Si BiCMOS, Si LDMOS, GaAs MESFET, GaAs PEMT, GaAs HBT, InP HEMT, InP HBT，等等。它們在結(jié)構(gòu)、工作原理、制作材料等方面各不相同，各有優(yōu)勢。相對優(yōu)勢又隨著研究工作的進(jìn)展而在不斷變化，封裝結(jié)構(gòu)也不相同，很難理出一條清晰的線索。
ITRS 2003版將應(yīng)用分為四部分：①0.8~10 GHz頻率范圍的模擬混合信號集成電路；②0.8~10 GHz頻率范圍的收發(fā)器；③0.8~10 GHz頻率范圍的功率放大器件與功率管理器件；④毫米波器件(10~100 GHz)。
總的來說，無線通信系統(tǒng)對RF器件的要求有價格、上市時間和產(chǎn)品性能等；具體技術(shù)要求則包括：頻帶、功率、功能、外形大小、是否適合大規(guī)模生產(chǎn)等。
硅器件經(jīng)常是依靠縮小幾何尺寸來改進(jìn)器件的性能，而III-V族化合物器件則主要通過選擇材料和改變材料禁帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化載流子的傳輸性能來改進(jìn)的。硅器件適合大規(guī)模生產(chǎn)，價格比較低；而III-V族化合物器件則在性能方面占有優(yōu)勢。至于III-V族化合物器件內(nèi)部，GaAs生產(chǎn)比較成熟，而InP的性能則更顯優(yōu)越。
按照頻率劃分，Si CMOS, SiGe, GaAs, InP器件的可使用頻率依次往上遞增。目前Si和SiGe的界限大約在5 GHz;SiGe和GaAs的界限大約在20 GHz;雖然SiGe的頻率可以達(dá)到40 GHz，但是在噪音和功率方面無法和GaAs比；GaAs和InP的界限大約在70GHz附近。但在將來，Si和GaAs的界限將往上移，而GaAs和InP的界限將往下移。估計(jì)在相當(dāng)長的一段時間里，一個應(yīng)用領(lǐng)域會出現(xiàn)好幾種產(chǎn)品長期并存的局面。當(dāng)前在無線電話手機(jī)領(lǐng)域，BiCMOS和CMOS并存， BiCMOS略占上風(fēng)；將來CMOS有可能超越BiCMOS而居首位。在終端功率放大器模塊方面目前GaAs HBT和LDMOS在市場份額上相差不多，未來Si有可能超過GaAs。在毫米波接收器領(lǐng)域，目前主要是GaAs PHEMT和InP HEMT,不久將形成SiGe HBT, GaAs MHEMT, InP HEMT三足鼎立的局面。

新型器件希望殷殷
雖然在2009年以前普遍認(rèn)為摩爾定律依然有效，但此后CMOS的進(jìn)一步發(fā)展已經(jīng)微乎其微了，當(dāng)然，CMOS產(chǎn)品可能仍會存在相當(dāng)一段時間。ITRS 2003年版具有“兩條腿走路的精神”。一方面繼續(xù)加強(qiáng)研究開發(fā)傳統(tǒng)CMOS結(jié)構(gòu)，力爭在保持成本降低或維持不變的情況下繼續(xù)按比例縮小，早日實(shí)現(xiàn)90nm以下的65nm,45nm,32nm,22nm等各個技術(shù)節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)。后期如果同時采取幾項(xiàng)“技術(shù)推動力”，例如同時采用應(yīng)力硅、超薄SOI硅體、金屬柵電極和雙柵結(jié)構(gòu)，是有可能再將技術(shù)節(jié)點(diǎn)推進(jìn)一步，進(jìn)入16nm節(jié)點(diǎn)的。同時也預(yù)示在65nm節(jié)點(diǎn)以后，在每個節(jié)點(diǎn)之間的時間段內(nèi)，有必要同時采用兩項(xiàng)技術(shù)推動力。
另一方面，則加緊進(jìn)行其它新型器件的研究與評估。在新增加的“新型器件研究”一章分為非傳統(tǒng)CMOS、存儲器、邏輯器件和新型信息處理結(jié)構(gòu)四個部分。對于非傳統(tǒng)CMOS、存儲器和邏輯器件詳細(xì)介紹了它們各自的工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)和成熟程度；此外，還對它們剛進(jìn)入生產(chǎn)時期可能達(dá)到的性能進(jìn)行了預(yù)測，也對最終能夠達(dá)到的極限性能進(jìn)行了估計(jì)。
而對于新型信息處理結(jié)構(gòu)，采取了“撒下天羅地網(wǎng)，不讓魚兒溜掉”的辦法，對所有新型結(jié)構(gòu)的可能方案進(jìn)行對比，分析比較了它們的可能性與最難于解決的挑戰(zhàn)。

值得注意的幾個問題
中近期應(yīng)用熱點(diǎn)
渡過了這次持續(xù)最長的低迷時期以后，以下幾方面的應(yīng)用受到關(guān)注：

產(chǎn)品應(yīng)用驅(qū)動技術(shù)發(fā)展
近年引入的新技術(shù)解決方案越來越多地受到應(yīng)用的驅(qū)動。例如，用于個人計(jì)算機(jī)的微處理器日益緊密地和各種模擬與混合信號集成電路結(jié)合在一起，為無線通信，為各種嵌入式產(chǎn)品服務(wù)。過去一直通過插頭取得電源，現(xiàn)在紛紛使用電池，因此需要考慮電源的控制與管理問題。芯片設(shè)計(jì)過去習(xí)慣于自成體系，一切從頭開始，現(xiàn)在則必須盡可能采用來自其它不同來源的IP。SOC(系統(tǒng)芯片)不一定非要做成單芯片，單芯片在某些條件下也并不是最好的解決方案，倒是采用SIP(system in-a-packge—封裝系統(tǒng))方式的多芯片封裝，不但可以顯著降低成本，而且便于采用最新技術(shù)，易于將來的技術(shù)更新，性能也可能更好。市場發(fā)展要求設(shè)計(jì)開發(fā)人員必須轉(zhuǎn)變思維方法，采用各方面的最新適用技術(shù)，將各種不同技術(shù)結(jié)合一起，提出最佳的解決方案。

迎接后CMOS時代
不論再能延長多久，CMOS總歸要走向盡頭，達(dá)到發(fā)展的終點(diǎn)?，F(xiàn)在已經(jīng)不再能依靠縮小加工尺寸來提高產(chǎn)品性能，也不能單純依靠提高集成度來增加產(chǎn)品功能了。這種事實(shí)需要我們認(rèn)真面對，早做準(zhǔn)備。MEMS以及MOEMS(微光機(jī)電系統(tǒng))已經(jīng)登臺。將來誰擔(dān)綱，該向哪個方向發(fā)展？目前還不清楚，需要在發(fā)展中認(rèn)識。即使硅CMOS退出舞臺，估計(jì)硅還很有用武之地。因?yàn)楣栀Y源極其豐富，材料的綜合性能優(yōu)秀，不論物理性能，光學(xué)性能，熱學(xué)性能，電性能都很不錯?？磥碓贛EMS，MOEMS中也可以作為很好的襯底材料。
連接、互連將成為產(chǎn)品中的主要問題。金屬連線早就占據(jù)了芯片上的大部分面積，雖然不斷增加金屬化層數(shù)，還是滿足不了連接線的要求。采用別的互連手段也已經(jīng)開始，光傳輸、電磁耦合已經(jīng)開始步入集成電路領(lǐng)域。
單純依靠增大晶圓直徑來提高生產(chǎn)效率，降低成本看來也走到了盡頭。這次修訂ITRS并未提出450毫米直徑晶圓的后續(xù)一代。按照慣例，如果需要在2018年實(shí)現(xiàn)，就應(yīng)該在2009年著手開發(fā)，但在2003ITRS中并未安排。

降低成本受到高度重視
近數(shù)十年來集成電路的發(fā)展之所以能夠取得如此驚人成績，一個原因就是芯片的集成度每18個月翻一番，同時加工成本降低或至少維持不增加。進(jìn)入上世紀(jì)90年代，人們對摩爾定律的繼續(xù)有效性進(jìn)行了探索，但大多是從物理限制去研究的。近年來繼續(xù)在縮小加工尺寸方面努力，尺寸縮小往往是通過采用新材料、改用新結(jié)構(gòu)以及提高加工精度等方式。但是，這些措施往往導(dǎo)致成本增加，市場對成本增加是難以接受的。能否在提高單位芯片面積上的功能數(shù)的同時而又維持成本不變，甚至有所降低，這將是考驗(yàn)?zāi)柖赡芊窭^續(xù)有效的試金石?，F(xiàn)在這方面開始遇到了困難。
總之，從各方面的情況來看，這個新版路線圖將是各種技術(shù)百花齊放，爭奇斗妍的時代，讓我們滿懷熱情地張開雙臂，去迎接這一輝煌時代的到來吧！■