2003 ITRS新版评介
2003ITRS(International Technology Roadmap For Semiconductors—2003年国际半导体技术发展路线图)已是第6版。自1999年起每逢单年ITRS进行修订，双年则仅对部分表格中的数字进行更新。ITRS 2003年版的修订工作于去年年初即已开始进行，经过三次大会的广泛讨论，于2003年底发表。
ITRS 2003年版与2001年版相比，参与人数由839名增加至936名，篇幅也增加不少，由487页增加至661页。新版内容反映了近两年来研发工作的进展，同时提示产业界人士面对新的强大挑战要具有清醒的头脑。
ITRS 2003年版共分16章，它们是：综述；系统驱动；设计；测试与测试设备；RF与混合信号技术；前端工艺；光刻；工厂集成；环境，安全和保健；计量；设计；工艺集成；器件与结构；新型器件研究；互连；装配与封装；成品率的提高；建模与模拟。与21001年版相比增加了“RF与混合信号技术”和“新型器件研究”两章。
RF集成电路引人注目
现在无线技术应用的RF集成电路包罗万象，例如：Si CMOS, Si BiCMOS, Si LDMOS, GaAs MESFET, GaAs PEMT, GaAs HBT, InP HEMT, InP HBT，等等。它们在结构、工作原理、制作材料等方面各不相同，各有优势。相对优势又随着研究工作的进展而在不断变化，封装结构也不相同，很难理出一条清晰的线索。
ITRS 2003版将应用分为四部分：①0.8~10 GHz频率范围的模拟混合信号集成电路；②0.8~10 GHz频率范围的收发器；③0.8~10 GHz频率范围的功率放大器件与功率管理器件；④毫米波器件(10~100 GHz)。
总的来说，无线通信系统对RF器件的要求有价格、上市时间和产品性能等；具体技术要求则包括：频带、功率、功能、外形大小、是否适合大规模生产等。
硅器件经常是依靠缩小几何尺寸来改进器件的性能，而III-V族化合物器件则主要通过选择材料和改变材料禁带结构优化载流子的传输性能来改进的。硅器件适合大规模生产，价格比较低；而III-V族化合物器件则在性能方面占有优势。至于III-V族化合物器件内部，GaAs生产比较成熟，而InP的性能则更显优越。
按照频率划分，Si CMOS, SiGe, GaAs, InP器件的可使用频率依次往上递增。目前Si和SiGe的界限大约在5 GHz;SiGe和GaAs的界限大约在20 GHz;虽然SiGe的频率可以达到40 GHz，但是在噪音和功率方面无法和GaAs比；GaAs和InP的界限大约在70GHz附近。但在将来，Si和GaAs的界限将往上移，而GaAs和InP的界限将往下移。估计在相当长的一段时间里，一个应用领域会出现好几种产品长期并存的局面。当前在无线电话手机领域，BiCMOS和CMOS并存， BiCMOS略占上风；将来CMOS有可能超越BiCMOS而居首位。在终端功率放大器模块方面目前GaAs HBT和LDMOS在市场份额上相差不多，未来Si有可能超过GaAs。在毫米波接收器领域，目前主要是GaAs PHEMT和InP HEMT,不久将形成SiGe HBT, GaAs MHEMT, InP HEMT三足鼎立的局面。
新型器件希望殷殷
虽然在2009年以前普遍认为摩尔定律依然有效，但此后CMOS的进一步发展已经微乎其微了，当然，CMOS产品可能仍会存在相当一段时间。ITRS 2003年版具有“两条腿走路的精神”。一方面继续加强研究开发传统CMOS结构，力争在保持成本降低或维持不变的情况下继续按比例缩小，早日实现90nm以下的65nm,45nm,32nm,22nm等各个技术节点的生产。后期如果同时采取几项“技术推动力”，例如同时采用应力硅、超薄SOI硅体、金属栅电极和双栅结构，是有可能再将技术节点推进一步，进入16nm节点的。同时也预示在65nm节点以后，在每个节点之间的时间段内，有必要同时采用两项技术推动力。
另一方面，则加紧进行其它新型器件的研究与评估。在新增加的“新型器件研究”一章分为非传统CMOS、存储器、逻辑器件和新型信息处理结构四个部分。对于非传统CMOS、存储器和逻辑器件详细介绍了它们各自的工作原理、优缺点和成熟程度；此外，还对它们刚进入生产时期可能达到的性能进行了预测，也对最终能够达到的极限性能进行了估计。
而对于新型信息处理结构，采取了“撒下天罗地网，不让鱼儿溜掉”的办法，对所有新型结构的可能方案进行对比，分析比较了它们的可能性与最难于解决的挑战。
值得注意的几个问题
中近期应用热点
渡过了这次持续最长的低迷时期以后，以下几方面的应用受到关注：
产品应用驱动技术发展
近年引入的新技术解决方案越来越多地受到应用的驱动。例如，用于个人计算机的微处理器日益紧密地和各种模拟与混合信号集成电路结合在一起，为无线通信，为各种嵌入式产品服务。过去一直通过插头取得电源，现在纷纷使用电池，因此需要考虑电源的控制与管理问题。芯片设计过去习惯于自成体系，一切从头开始，现在则必须尽可能采用来自其它不同来源的IP。SOC(系统芯片)不一定非要做成单芯片，单芯片在某些条件下也并不是最好的解决方案，倒是采用SIP(system in-a-packge—封装系统)方式的多芯片封装，不但可以显著降低成本，而且便于采用最新技术，易于将来的技术更新，性能也可能更好。市场发展要求设计开发人员必须转变思维方法，采用各方面的最新适用技术，将各种不同技术结合一起，提出最佳的解决方案。
迎接后CMOS时代
不论再能延长多久，CMOS总归要走向尽头，达到发展的终点。现在已经不再能依靠缩小加工尺寸来提高产品性能，也不能单纯依靠提高集成度来增加产品功能了。这种事实需要我们认真面对，早做准备。MEMS以及MOEMS(微光机电系统)已经登台。将来谁担纲，该向哪个方向发展？目前还不清楚，需要在发展中认识。即使硅CMOS退出舞台，估计硅还很有用武之地。因为硅资源极其丰富，材料的综合性能优秀，不论物理性能，光学性能，热学性能，电性能都很不错。看来在MEMS，MOEMS中也可以作为很好的衬底材料。
连接、互连将成为产品中的主要问题。金属连线早就占据了芯片上的大部分面积，虽然不断增加金属化层数，还是满足不了连接线的要求。采用别的互连手段也已经开始，光传输、电磁耦合已经开始步入集成电路领域。
单纯依靠增大晶圆直径来提高生产效率，降低成本看来也走到了尽头。这次修订ITRS并未提出450毫米直径晶圆的后续一代。按照惯例，如果需要在2018年实现，就应该在2009年着手开发，但在2003ITRS中并未安排。
降低成本受到高度重视
近数十年来集成电路的发展之所以能够取得如此惊人成绩，一个原因就是芯片的集成度每18个月翻一番，同时加工成本降低或至少维持不增加。进入上世纪90年代，人们对摩尔定律的继续有效性进行了探索，但大多是从物理限制去研究的。近年来继续在缩小加工尺寸方面努力，尺寸缩小往往是通过采用新材料、改用新结构以及提高加工精度等方式。但是，这些措施往往导致成本增加，市场对成本增加是难以接受的。能否在提高单位芯片面积上的功能数的同时而又维持成本不变，甚至有所降低，这将是考验摩尔定律能否继续有效的试金石。现在这方面开始遇到了困难。
总之，从各方面的情况来看，这个新版路线图将是各种技术百花齐放，争奇斗妍的时代，让我们满怀热情地张开双臂，去迎接这一辉煌时代的到来吧！■
评论