2003 ITRS新版評介

新版簡況
2003ITRS(International Technology Roadmap For Semiconductors—2003年國際半導體技術發展路線圖)已是第6版。自1999年起每逢單年ITRS進行修訂，雙年則僅對部分表格中的數字進行更新。ITRS 2003年版的修訂工作于去年年初即已開始進行，經過三次大會的廣泛討論，于2003年底發表。
ITRS 2003年版與2001年版相比，參與人數由839名增加至936名，篇幅也增加不少，由487頁增加至661頁。新版內容反映了近兩年來研發工作的進展，同時提示產業界人士面對新的強大挑戰要具有清醒的頭腦。
ITRS 2003年版共分16章，它們是：綜述；系統驅動；設計；測試與測試設備；RF與混合信號技術；前端工藝；光刻；工廠集成；環境，安全和保健；計量；設計；工藝集成；器件與結構；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”和“新型器件研究”兩章。

RF集成電路引人注目
現在無線技術應用的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。它們在結構、工作原理、制作材料等方面各不相同，各有優勢。相對優勢又隨著研究工作的進展而在不斷變化，封裝結構也不相同，很難理出一條清晰的線索。
ITRS 2003版將應用分為四部分：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，無線通信系統對RF器件的要求有價格、上市時間和產品性能等；具體技術要求則包括：頻帶、功率、功能、外形大小、是否適合大規模生產等。
硅器件經常是依靠縮小幾何尺寸來改進器件的性能，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構優化載流子的傳輸性能來改進的。硅器件適合大規模生產，價格比較低；而III-V族化合物器件則在性能方面占有優勢。至于III-V族化合物器件內部，GaAs生產比較成熟，而InP的性能則更顯優越。
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。估計在相當長的一段時間里，一個應用領域會出現好幾種產品長期并存的局面。當前在無線電話手機領域，BiCMOS和CMOS并存， BiCMOS略占上風；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年以前普遍認為摩爾定律依然有效，但此后CMOS的進一步發展已經微乎其微了，當然，CMOS產品可能仍會存在相當一段時間。ITRS 2003年版具有“兩條腿走路的精神”。一方面繼續加強研究開發傳統CMOS結構，力爭在保持成本降低或維持不變的情況下繼續按比例縮小，早日實現90nm以下的65nm,45nm,32nm,22nm等各個技術節點的生產。后期如果同時采取幾項“技術推動力”，例如同時采用應力硅、超薄SOI硅體、金屬柵電極和雙柵結構，是有可能再將技術節點推進一步，進入16nm節點的。同時也預示在65nm節點以后，在每個節點之間的時間段內，有必要同時采用兩項技術推動力。
另一方面，則加緊進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CMOS、存儲器、邏輯器件和新型信息處理結構四個部分。對于非傳統CMOS、存儲器和邏輯器件詳細介紹了它們各自的工作原理、優缺點和成熟程度；此外，還對它們剛進入生產時期可能達到的性能進行了預測，也對最終能夠達到的極限性能進行了估計。
而對于新型信息處理結構，采取了“撒下天羅地網，不讓魚兒溜掉”的辦法，對所有新型結構的可能方案進行對比，分析比較了它們的可能性與最難于解決的挑戰。

值得注意的幾個問題
中近期應用熱點
渡過了這次持續最長的低迷時期以后，以下幾方面的應用受到關注：

產品應用驅動技術發展
近年引入的新技術解決方案越來越多地受到應用的驅動。例如，用于個人計算機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合在一起，為無線通信，為各種嵌入式產品服務。過去一直通過插頭取得電源，現在紛紛使用電池，因此需要考慮電源的控制與管理問題。芯片設計過去習慣于自成體系，一切從頭開始，現在則必須盡可能采用來自其它不同來源的IP。SOC(系統芯片)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)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，易于將來的技術更新，性能也可能更好。市場發展要求設計開發人員必須轉變思維方法，采用各方面的最新適用技術，將各種不同技術結合一起，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，達到發展的終點。現在已經不再能依靠縮小加工尺寸來提高產品性能，也不能單純依靠提高集成度來增加產品功能了。這種事實需要我們認真面對，早做準備。MEMS以及MOEMS(微光機電系統)已經登臺。將來誰擔綱，該向哪個方向發展？目前還不清楚，需要在發展中認識。即使硅CMOS退出舞臺，估計硅還很有用武之地。因為硅資源極其豐富，材料的綜合性能優秀，不論物理性能，光學性能，熱學性能，電性能都很不錯。看來在MEMS，MOEMS中也可以作為很好的襯底材料。
連接、互連將成為產品中的主要問題。金屬連線早就占據了芯片上的大部分面積，雖然不斷增加金屬化層數，還是滿足不了連接線的要求。采用別的互連手段也已經開始，光傳輸、電磁耦合已經開始步入集成電路領域。
單純依靠增大晶圓直徑來提高生產效率，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一代。按照慣例，如果需要在2018年實現，就應該在2009年著手開發，但在2003ITRS中并未安排。

降低成本受到高度重視
近數十年來集成電路的發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。進入上世紀90年代，人們對摩爾定律的繼續有效性進行了探索，但大多是從物理限制去研究的。近年來繼續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、改用新結構以及提高加工精度等方式。但是，這些措施往往導致成本增加，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的同時而又維持成本不變，甚至有所降低，這將是考驗摩爾定律能否繼續有效的試金石。現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！■