硅集成電路技術(shù)及發(fā)展趨勢

2019-11-03 10:02:38

字體：大中小

供稿：網(wǎng)友

柯之江

中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所

江蘇無錫 214035

　　摘要：本文介紹了國際上硅集成電路技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展?fàn)顩r，闡述了硅集成電路關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)發(fā)展趨勢。

　　關(guān)鍵詞：硅；集成電路；技術(shù)；發(fā)展趨勢

　　中圖分類號：TN401 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

　　1 前言

　　信息技術(shù)是國民經(jīng)濟(jì)的核心技術(shù)，它服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，微電子技術(shù)是信息技術(shù)的關(guān)鍵。整機(jī)系統(tǒng)中集成電路采用多少是其系統(tǒng)先進(jìn)性的直接表征。在集成電路產(chǎn)業(yè)中，硅技術(shù)是主流技術(shù)，硅集成電路產(chǎn)品是主流產(chǎn)品，占集成電路產(chǎn)業(yè)的90％以上。正因?yàn)楣杓呻娐返闹匾裕鲊己苤匾暎蚨偁幖ち摇?br>
　　21世紀(jì)上半葉，微電子技術(shù)仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術(shù)為主流。盡管微電子學(xué)在化合物半導(dǎo)體和其它新材料方面的研究及在某些領(lǐng)域的應(yīng)用取得了很大進(jìn)展，但遠(yuǎn)不具備替代硅基工藝的條件。硅集成電路技術(shù)發(fā)展至今，全世界以萬億美元的設(shè)備和技術(shù)投人，已使硅基工藝形成非常強(qiáng)大的產(chǎn)業(yè)能力。同時(shí)，長期的科研投入已使人們對硅及其工藝的了解，達(dá)到十分深入、十分透徹的地步，這是非常寶貴的知識積累。產(chǎn)業(yè)能力和知識積累決定了硅基工藝起碼將在100年內(nèi)仍起主要作用。

　　2 世界硅集成電路現(xiàn)狀及發(fā)展?fàn)顩r

　　2.1 硅集成電路的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展

　　現(xiàn)今，世界IC特征線寬，批量生產(chǎn)的已達(dá)到0．18-0．13μm，芯片的集成度達(dá)到108-109量級，研究成果已提高到0．1μm技術(shù)。預(yù)計(jì)到2006年，單片系統(tǒng)集成芯片將達(dá)到如下指標(biāo)：最小特征尺寸0．09μm、芯片集成度達(dá)2億個(gè)晶體管、芯片面積520mm2、7-8層金屬連線、管腳數(shù)4000個(gè)、工作電壓0．9-1．2V、工作頻率2-2．5GHz，功率160瓦。到2010年，將提高到0．07μm的水平。而硅IC晶片直徑尺寸，2000年-2005年將從200mm轉(zhuǎn)向300mm，2006-2010年又將轉(zhuǎn)向400mm。單片硅集成技術(shù)最小特征尺寸的發(fā)展?fàn)顩r列于表1。

　　為適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，極限紫外線、X射線、準(zhǔn)分子激光等超微細(xì)圖形曝光技術(shù)等將成為今后幾年主要的工藝技術(shù)而獲得更廣泛的應(yīng)用，先進(jìn)的集群式全自動(dòng)智能化綜合加工系統(tǒng)將成為新一代的IC制造設(shè)備。

　　在電路設(shè)計(jì)中更重視系統(tǒng)設(shè)計(jì)、ip的開發(fā)與復(fù)用、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、先進(jìn)設(shè)計(jì)語言的推廣、設(shè)計(jì)流程與工具的開發(fā)、SOC設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)、低功耗設(shè)計(jì)、可測性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等。

　　為了在一塊芯片上實(shí)現(xiàn)完整的系統(tǒng)，需要各種兼容技術(shù)。包括常規(guī)CMOS 數(shù)字電路與存儲(chǔ)器(如RRPROM、Flash memory、DRAM等)的兼容技術(shù)；CMOS與雙極的兼容技術(shù)；高壓與低壓兼容技術(shù)、數(shù)字與模擬兼容技術(shù)、高頻與低頻兼容技術(shù)等。

　　另外，從MPU工藝技術(shù)的演進(jìn)來看，從表2可知，目前整個(gè)MOS產(chǎn)品工藝技術(shù)在從0．35μm大幅進(jìn)步到0．18μm之后，已邁向0．13μm，整個(gè)技術(shù)仍繼續(xù)朝著柵長與連線間距進(jìn)一步微細(xì)化方向發(fā)展。

　　整個(gè)半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展隨著晶體管柵長及光刻間距持續(xù)地縮小，使得芯片能夠在面積越來越小的同時(shí)，獲得較快的運(yùn)行速度，同時(shí)也使得一個(gè)晶圓所能產(chǎn)出的芯片數(shù)目越來越多，大幅提高晶圓工藝的生產(chǎn)力。整個(gè)半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展仍是呈現(xiàn)持續(xù)加速的狀態(tài)，特別是在DRAM、MPU等領(lǐng)域，而光刻等微細(xì)加工技術(shù)則呈現(xiàn)出穩(wěn)定的發(fā)展。

　　隨著微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，半導(dǎo)體工藝結(jié)構(gòu)發(fā)生了深刻的變化。設(shè)計(jì)、制造、封裝三業(yè)鼎業(yè)，集成器件制造商專注于加強(qiáng)力量，減小產(chǎn)品門類。代工(foundry)模式不斷發(fā)展，無生產(chǎn)線(fabless)公司溽現(xiàn)，無芯片(chipless)設(shè)計(jì)公司激增。

　　晶圓代工服務(wù)的作用正在發(fā)生變化。在早期，晶圓代工公司尚無財(cái)力和技術(shù)能力來支持前沿技術(shù)的開發(fā)。然而，到上世紀(jì)九十年代后期，較大的晶圓代工公司成長壯大，今天，他們已在進(jìn)行前沿技術(shù)的并發(fā)。他們已有廣泛的客戶基礎(chǔ)，要求開展更多的服務(wù)，包括設(shè)計(jì)服務(wù)和交鑰匙制造服務(wù)。晶圓代工公司曰作用的變化表現(xiàn)為：在1987-1997年，產(chǎn)能集中于通用IC；在1997-2001年，工作集中在ASIC技術(shù)和生產(chǎn)能力的提高；自2001年后，總體解決方案集中在SOC、其于互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)服務(wù)、交鑰匙制造和后端服務(wù)。到2004年，晶圓代公司的生產(chǎn)能力將占世界總生產(chǎn)能力的20％。

　　2．2 硅集成電路的市場需求及對世界經(jīng)濟(jì)的重大影響

　　在上世紀(jì)八十年代初期，消費(fèi)類電子產(chǎn)品是半導(dǎo)體需求的主要推動(dòng)力。立體聲收音機(jī)、彩色電視機(jī)和盒式錄相機(jī)(VCR)成為普遍的家用電器。從八十年代末開始，個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)成為強(qiáng)大的推動(dòng)力。今天，PC仍然是重要的，并將繼續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體的需求。同時(shí)，消費(fèi)類電子產(chǎn)品已更加復(fù)雜化。然而，主要的推動(dòng)力是信息技術(shù)的爆炸性發(fā)展。

　　從九十年代至今，通信與計(jì)算機(jī)一起占世界半導(dǎo)體需求的2/3。通信是增長最快的門類。信息技術(shù)正在改變我們生活的方方面面，影響著我們的工作和生活。信息技術(shù)也將對生產(chǎn)力產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并成為世界經(jīng)濟(jì)增長的推動(dòng)力。最近發(fā)表的2000年美國商類調(diào)研報(bào)告顯示出信息技術(shù)已成為美國經(jīng)濟(jì)的第一推動(dòng)力。

　　世界各地區(qū)半導(dǎo)體市場如表3所示，以2000年和2001年為基礎(chǔ)，展望2004年亞太地區(qū)已經(jīng)成為最大的半導(dǎo)體市場，而且增長速度也最快，其主要的推動(dòng)力是中國國內(nèi)需求的增長和中國作為世界生產(chǎn)基地帶來的需求增長。

　　從歷史上看，半導(dǎo)體工業(yè)一直是周期性的發(fā)展。2001年是下滑最嚴(yán)重的一年，銷售額下降32％，為1390億美元。然而，在2001年第4季度銷售額已回升。2002年增長6％，SIA預(yù)測，2003年和2004年兩年將增長21％。

　　從表3中也可看出2001年需求下降的深度。亞太地區(qū)的下降顯著地小于其他地區(qū)，而亞太市場在2001年占世界市場的28％，成為份額最大的地區(qū)市場。電子終端產(chǎn)品的生產(chǎn)將不斷從日本和亞洲其他地區(qū)轉(zhuǎn)移到中國。

　　3 硅集成電路技術(shù)的主要發(fā)展方向和趨勢

　　硅集成電路沿著按比例縮小原理，以摩爾定律所預(yù)測的時(shí)間表向前推進(jìn)，隨著集成方法學(xué)和微細(xì)加工技術(shù)的持續(xù)成熟和不斷發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，其技術(shù)的主要發(fā)展方向?yàn)椋?br>
　　3．1 器件的特征尺寸不斷縮小

　　自1965年提出摩爾定律近40年來，集成電路持續(xù)地按此定律增長，即集成電路中晶體管的數(shù)目每18個(gè)月增加一倍。每2-3年制造技術(shù)更新一代，這是基于柵長不斷縮小的結(jié)果，器件柵長的縮小又基本上依照等比例縮小的原則，促進(jìn)其它工藝參數(shù)的提高。預(yù)計(jì)未來10-15年摩爾定律仍將是集成電路發(fā)展所遵循的一條定律(見表4)，按此規(guī)律，在21世紀(jì)初集成電路的基本單元CMOS器件將從亞半微米進(jìn)入納米時(shí)代(即器件的柵長小于100nm，2010年后將小于50nm)。

　　3．2系統(tǒng)集成芯片(SOC)

　　沿著上述持續(xù)縮小尺寸途徑發(fā)展、隨著集成方法學(xué)和微細(xì)加工技術(shù)的持續(xù)成熟，應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，因此，不同類型的集成電路相互鑲嵌，形成了各種嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)和片上系統(tǒng)(System on Chip即SOC)技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)從集成電路(IC)到系統(tǒng)集成(IS)過渡中，“硅知識產(chǎn)權(quán)(IP)模塊”和“軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)”技術(shù)興起，可以將一個(gè)電子子系統(tǒng)或整個(gè)電子系統(tǒng)“集成”在一個(gè)硅芯片上，完成信息加工與處理的功能。

　　集成系統(tǒng)芯片(SOC)，主要有三個(gè)關(guān)鍵的支持技術(shù)：①軟、硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)：面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論，硬件和軟件更加緊密結(jié)合不僅是SOC的重要特點(diǎn)，也是21世紀(jì)IT業(yè)發(fā)展的一大的趨勢；②IP模塊庫：IP模塊有三種，即軟核(主要是功能描述)、固核(主要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))和硬核(基于工藝的物理設(shè)計(jì)，與工藝相關(guān)，并經(jīng)過工藝和實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)過的)。其中以硬核使用價(jià)值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和Flash Memory以及A/D、D/A等都可以成為硬核，其中尤以基于超深亞微米的器件模型和電路模擬基礎(chǔ)上在速度與功耗上經(jīng)過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價(jià)值；③模塊界面間的綜合分析技術(shù)：這主要包括IP模塊間的膠聯(lián)邏輯技術(shù)和IP模塊綜合分析及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)等。

　　通過以上三個(gè)支持技術(shù)的創(chuàng)新，必將導(dǎo)致又一次以系統(tǒng)芯片為特色的信息技術(shù)上的革命。目前SOC技術(shù)已經(jīng)嶄露頭角，21世紀(jì)將是SOC技術(shù)真正快速發(fā)展的時(shí)期。

　　3．3 微電子與其它學(xué)科結(jié)合，帶動(dòng)一系列交叉學(xué)科及相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

　　由于微細(xì)加工不斷成熟和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，帶動(dòng)一系列交叉學(xué)科及其有關(guān)技術(shù)的發(fā)展，例如微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)、微光電系統(tǒng)(MOES)、DNA芯片、二元光學(xué)、化學(xué)分析芯片以及作為電子科學(xué)和生物科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物——生物芯片的研究開發(fā)等都將取得明顯進(jìn)展。

　　4 硅集成電路技術(shù)突破的關(guān)鍵點(diǎn)

　　按照目前預(yù)測，15年之后半導(dǎo)體上一個(gè)實(shí)體的柵長將只有9nm，這就需要更微細(xì)且精確的技術(shù)突破，這首先將會(huì)集中在生產(chǎn)材料的物理性質(zhì)和工藝設(shè)計(jì)等能力上。

　　依照ITRS所公布的內(nèi)容可知，包括DRAM的半間距、MPU柵長、金屬層間介電質(zhì)k、結(jié)深等等方面的挑戰(zhàn)，將會(huì)在2005-2007年間遇到發(fā)展的“紅磚墻”(見表5)，能否順利突破這些障礙將影響晶圓制造工作能否達(dá)到更進(jìn)一步的微細(xì)化與精細(xì)化的關(guān)鍵，也對半導(dǎo)體工藝技術(shù)與后續(xù)的研發(fā)方向有著深遠(yuǎn)的影響。

　　其技術(shù)突破的關(guān)鍵點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

　　(1)納米級光刻及微細(xì)加工技術(shù)

　　器件特征尺寸的縮小，取決于曝光技術(shù)的進(jìn)步，在0．07μm階段，曝光技術(shù)還是一個(gè)問題，預(yù)計(jì)再有1—2年左右時(shí)間可獲突破。在65nm以下是采用Extra UV還是采用電子束的步進(jìn)光刻機(jī)，還正在研究之中。

　　(2)銅互連技術(shù)

　　銅互連技術(shù)已在0．18μm和0．13μm技術(shù)代中使用，但是在0．10μm以后，銅互連與低介電常數(shù)絕緣材料共同使用時(shí)的可靠性問題還有待研究開發(fā)。

　　(3)20nm以下淺結(jié)與摻雜工程技術(shù)

　　(4)亞50納米半導(dǎo)體器件的器件模型和新型器件結(jié)構(gòu)

　　(5)工藝集成技術(shù)

　　包括工藝流程方法學(xué)、不同工藝兼容，不同電路嵌入技術(shù)、工藝參數(shù)與微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)等。

　　

　　(6)設(shè)計(jì)與測試技術(shù)

　　包括SOC所涉及的設(shè)計(jì)方法學(xué)、軟、硬件協(xié)同技術(shù)、寄生效應(yīng)、散熱模擬、可測性設(shè)計(jì)、IP庫及各種內(nèi)核和復(fù)用技術(shù)等。

　　(7)組裝和封裝技術(shù)

　　包括系統(tǒng)級芯片封裝的結(jié)構(gòu)學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)及3D封裝等。

　　5 結(jié)束語

　　集成電路技術(shù)的發(fā)展，并不意味著一代淘汰一代。實(shí)際上是多代并存，以成本最低，收益/投人比最大的原則各自占領(lǐng)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。例如：目前300mm硅片已開始使用，但生產(chǎn)上仍使用150mm、200mm硅圓片，實(shí)際上150mm和200mm硅片的生產(chǎn)量幾乎相等。100mm硅片的產(chǎn)量仍有一定的比例。而且特征加工尺寸≥0．5μm的在200mm硅片生產(chǎn)中仍占有21％的比例。

　　未來十幾年，是我國微電子發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。充分利用我國經(jīng)濟(jì)調(diào)整發(fā)展和巨大市場的優(yōu)勢，精心規(guī)劃，重點(diǎn)扶持，力爭通過10年或略長一些時(shí)間的努力，掌握集成電路設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，提高國內(nèi)外市場占有率和國內(nèi)市場的自給率，滿足國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)對集成電路的需求，形成良性循環(huán)的科研、生產(chǎn)體系，把我國微電子產(chǎn)業(yè)推進(jìn)到一個(gè)嶄新的階段。

摘自《電子與封裝》

上一篇：如何避免以太網(wǎng)供電方式的缺陷

下一篇：通信電源技術(shù) 發(fā)展趨勢及標(biāo)準(zhǔn)