柯之江
中国电子科技集团公司第五十八研究所
江苏 无锡 214035
摘要：本文介绍了国际上硅集成电路技术和产品的发展状况，阐述了硅集成电路关键技术及发发展趋势。
关键词：硅；集成电路；技术；发展趋势
中图分类号：TN401 文献标识码：A
1 前言
信息技术是国民经济的核心技术，它服务于国民经济各个领域，微电子技术是信息技术的关键。整机系统中集成电路采用多少是其系统先进性的直接表征。在集成电路产业中，硅技术是主流技术，硅集成电路产品是主流产品，占集成电路产业的90％以上。正因为硅集成电路的重要性，各国都很重视，因而竞争激烈。
21世纪上半叶，微电子技术仍将以尺寸不断缩小的硅基CMOS工艺技术为主流。尽管微电子学在化合物半导体和其它新材料方面的研究及在某些领域的应用取得了很大进展，但远不具备替代硅基工艺的条件。硅集成电路技术发展至今，全世界以万亿美元的设备和技术投人，已使硅基工艺形成非常强大的产业能力。同时，长期的科研投入已使人们对硅及其工艺的了解，达到十分深入、十分透彻的地步，这是非常宝贵的知识积累。产业能力和知识积累决定了硅基工艺起码将在100年内仍起主要作
用。
2 世界硅集成电路现状及发展状况
2.1 硅集成电路的技术现状和发展
现今，世界IC特征线宽，批量生产的已达到0．18-0．13μm，芯片的集成度达到108-109量级，研究成果已提高到0．1μm技术。预计到2006年，单片系统集成芯片将达到如下指标：最小特征尺寸0．09μm、芯片集成度达2亿个晶体管、芯片面积520mm2、7-8层金属连线、管脚数4000个、工作电压0．9-1．2V、工作频率2-2．5GHz，功率160瓦。到2010年，
将提高到0．07μm的水平。而硅IC晶片直径尺寸，2000年-2005年将从200mm转向300mm，2006-2010年又将转向400mm。单片硅集成技术最小特征尺寸的发展状况列于表1。
为适应技术的发展，极限紫外线、X射线、准分子激光等超微细图形曝光技术等将成为今后几年主要的工艺技术而获得更广泛的应用，先进的集群式全自动智能化综合加工系统将成为新一代的IC制造设备。
在电路设计中更重视系统设计、IP的开发与复用、软硬件协同设计、先进设计语言的推广、设计流程与工具的开发、SOC设计平台的开发、低功耗设计、可测性设计、可靠性设计等。
为了在一块芯片上实现完整的系统，需要各种兼容技术。包括常规CMOS 数字电路与存储器(如RRPROM、Flash memory、DRAM等)的兼容技术；CMOS与双极的兼容技术；高压与低压兼容技术、数字与模拟兼容技术、高频与低频兼容技术等。
另外，从MPU工艺技术的演进来看，从表2可知，目前整个MOS产品工艺技术在从0．35μm大幅进步到0．18μm之后，已迈向0．13μm，整个技术仍继续朝着栅长与连线间距进一步微细化方向发展。
整个半导体工艺技术的发展随着晶体管栅长及光刻间距持续地缩小，使得芯片能够在面积越来越小的同时，获得较快的运行速度，同时也使得一个晶圆所能产出的芯片数目越来越多，大幅提高晶圆工艺的生产力。整个半导体工艺技术的发展仍是呈现持续加速的状态，特别是在DRAM、MPU等领域，而光刻等微细加工技术则呈现出稳定的发展。
随着微电子产业的发展，半导体工艺结构发生了深刻的变化。设计、制造、封装三业鼎业，集成器件制造商专注于加强力量，减小产品门类。代工(foundry)模式不断发展，无生产线(fabless)公司溽现，无芯片(chipless)设计公司激增。
晶圆代工服务的作用正在发生变化。在早期，晶圆代工公司尚无财力和技术能力来支持前沿技术的开发。然而，到上世纪九十年代后期，较大的晶圆代工公司成长壮大，今天，他们已在进行前沿技术的并发。他们已有广泛的客户基础，要求开展更多的服务，包括设计服务和交钥匙制造服务。晶圆代工公司曰作用的变化表现为：在1987-1997年，产能集中于通用IC；在1997-2001年，工作集中在ASIC技术和生产能力的提高；自2001年后，总体解决方案集中在SOC、其于互联网的设计、设计服务、交钥匙制造和后端服务。到2004年，晶圆代公司的生产能力将占世界总生产能力的20％。
2．2 硅集成电路的市场需求及对世界经济的重大影响
在上世纪八十年代初期，消费类电子产品是半导体需求的主要推动力。立体声收音机、彩色电视机和盒式录相机(VCR)成为普遍的家用电器。 从八十年代末开始，个人计算机(PC)成为强大的推动力。今天，PC仍然是重要的，并将继续推动半导体的需求。同时，消费类电子产品已更加复杂化。然而，主要的推动力是信息技术的爆炸性发展。
从九十年代至今，通信与计算机一起占世界半导体需求的2/3。通信是增长最快的门类。信息技术正在改变我们生活的方方面面，影响着我们的工作和生活。信息技术也将对生产力产生深远影响，并成为世界经济增长的推动力。最近发表的2000年美国商类调研报告显示出信息技术已成为美国经济的第一推动力。
世界各地区半导体市场如表3所示，以2000年和2001年为基础，展望2004年亚太地区已经成为最大的半导体市场，而且增长速度也最快，其主要的推动力是中国国内需求的增长和中国作为世界生产基地带来的需求增长。
从历史上看，半导体工业一直是周期性的发展。2001年是下滑最严重的一年，销售额下降32％，为1390亿美元。然而，在2001年第4季度销售额已回升。2002年增长6％，SIA预测，2003年和2004年两年将增长21％。
从表3中也可看出2001年需求下降的深度。亚太地区的下降显著地小于其他地区，而亚太市场在2001年占世界市场的28％，成为份额最大的地区市场。电子终端产品的生产将不断从日本和亚洲其他地区转移到中国。
3 硅集成电路技术的主要发展方向和趋势
硅集成电路沿着按比例缩小原理，以摩尔定律所预测的时间表向前推进，随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟和不断发展，应用领域的不断扩大，其技术的主要发展方向为：
3．1 器件的特征尺寸不断缩小
自1965年提出摩尔定律近40年来，集成电路持续地按此定律增长，即集成电路中晶体管的数目每18个月增加一倍。每2-3年制造技术更新一代，这是基于栅长不断缩小的结果，器件栅长的缩小又基本上依照等比例缩小的原则，促进其它工艺参数的提高。预计未来10-15年摩尔定律仍将是集成电路发展所遵循的一条定律(见表4)，按此规律，在21世纪初集成电路的基本单元CMOS器件将从亚半微米进入纳米时代(即器件的栅长小于100nm，2010年后将小于50nm)。
3．2系统集成芯片(SOC)
沿着上述持续缩小尺寸途径发展、随着集成方法学和微细加工技术的持续成熟，应用领域的不断扩大，因此，不同类型的集成电路相互镶嵌，形成了各种嵌入式系统(Embedded System)和片上系统(System on Chip即SOC)技术，在实现从集成电路(IC)到系统集成(IS)过渡中，“硅知识产权(IP)模块”和“软、硬件协同设计”技术兴起，可以将一个电子子系统或整个电子系统“集成”在一个硅芯片上，完成信息加工与处理的功能。
集成系统芯片(SOC)，主要有三个关键的支持技术：①软、硬件的协同设计技术：面向不同系统的软件和硬件的功能划分理论，硬件和软件更加紧密结合不仅是SOC的重要特点，也是21世纪IT业发展的一大的趋势；②IP模块库：IP模块有三种，即软核(主要是功能描述)、固核(主要为结构设计)和硬核(基于工艺的物理设计，与工艺相关，并经过工艺和实际应用考验过的)。其中以硬核使用价值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和Flash Memory以及A/D、D/A等都可以成为硬核，其中尤以基于超深亚微米的器件模型和电路模拟基础上在速度与功耗上经过优化并有最大工艺容差的模块最有价值；③模块界面间的综合分析技术：这主要包括IP模块间的胶联逻辑技术和IP模块综合分析及其实现技术等。
通过以上三个支持技术的创新，必将导致又一次以系统芯片为特色的信息技术上的革命。目前SOC技术已经崭露头角，21世纪将是SOC技术真正
快速发展的时期。
3．3 微电子与其它学科结合，带动一系列交叉学科及相关技术和产业的发展
由于微细加工不断成熟和应用领域不断扩大，带动一系列交叉学科及其有关技术的发展，例如微电子机械系统(MEMS)、微光电系统(MOES)、DNA芯片、二元光学、化学分析芯片以及作为电子科学和生物科学结合的产物——生物芯片的研究开发等都将取得明显进展。
4 硅集成电路技术突破的关键点
按照目前预测，15年之后半导体上一个实体的栅长将只有9nm，这就需要更微细且精确的技术突破，这首先将会集中在生产材料的物理性质和工艺设计等能力上。
依照ITRS所公布的内容可知，包括DRAM的半间距、MPU栅长、金属层间介电质k、结深等等方面的挑战，将会在2005-2007年间遇到发展的“红砖墙”(见表5)，能否顺利突破这些障碍将影响晶圆制造工作能否达到更进一步的微细化与精细化的关键，也对半导体工艺技术与后续的研发方向有着深远的影响。
其技术突破的关键点有以下几个方面：
(1)纳米级光刻及微细加工技术
器件特征尺寸的缩小，取决于曝光技术的进步，在0．07μm阶段，曝光技术还是一个问题，预计再有1—2年左右时间可获突破。在65nm以下是采用Extra UV还是采用电子束的步进光刻机，还正在研究之中。
(2)铜互连技术
铜互连技术已在0．18μm和0．13μm技术代中使用，但是在0．10μm以后，铜互连与低介电常数绝缘材料共同使用时的可靠性问题还有待研究开发。
(3)20nm以下浅结与掺杂工程技术
(4)亚50纳米半导体器件的器件模型和新型器件结构
(5)工艺集成技术
包括工艺流程方法学、不同工艺兼容，不同电路嵌入技术、工艺参数与微结构分析技术等。
(6)设计与测试技术
包括SOC所涉及的设计方法学、软、硬件协同技术、寄生效应、散热模拟、可测性设计、IP库及各种内核和复用技术等。
(7)组装和封装技术
包括系统级芯片封装的结构学、热学、力学及3D封装等。
5 结束语
集成电路技术的发展，并不意味着一代淘汰一代。实际上是多代并存，以成本最低，收益/投人比最大的原则各自占领相关应用领域。例如：目前300mm硅片已开始使用，但生产上仍使用150mm、200mm硅圆片，实际上150mm和200mm硅片的生产量几乎相等。100mm硅片的产量仍有一定的比例。而且特征加工尺寸≥0．5μm的在200mm硅片生产中仍占有21％的比例。
未来十几年，是我国微电子发展的关键时期。充分利用我国经济调整发展和巨大市场的优势，精心规划，重点扶持，力争通过10年或略长一些时间的努力，掌握集成电路设计、生产的关键技术，提高国内外市场占有率和国内市场的自给率，满足国民经济和国防工业对集成电路的需求，形成良性循环的科研、生产体系，把我国微电子产业推进到一个崭新的阶段。
摘自《电子与封装》
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