国际半导体技术路线图 [国际半导体技术发展路线图(ITRS)2009年版综述(1)]

　　1概述 　　 　　四十年来,半导体工业最明显的特征之一,就是它的产品的更新换代非常迅速。重要的改进趋势,每种趋势的典型范例如表A所示。绝大部分的改进和提高都是由一个重要特征决定的,即:制造集成电路的最小尺寸可以不断地呈指数性地迅速缩小。显然,我们最常引用的趋势就是集成度,也就是通常所说的摩尔提出来并以他的名字命名的“摩尔定律”(每个芯片上的元件数目每隔二十四个月增加一倍)。对于社会来讲,最为重要的发展趋势是降低单位功能的成本,使人们可以享用到更多的计算机、电子通讯产品和消费电子产品,从而大幅度提高了劳动生产率和人们的生活质量。
　　
　　所有上述改进趋势,有时候被称为“按比例缩小趋势(scaling)”,已经通过巨额研发投资实现。在过去的三十年中,投资需求的不断增长促进了工业界的联盟,并促进了大量的研发合作、协会和其它种种合作形式的诞生。为了指导这些研发项目,美国半导体工业协会(SIA)发起编写了美国国家半导体技术发展路线图(National Technology Roadmap for Semiconductor,NTRS),共发表了1992年、1994年和1997年三个版本。在1998年,由美国半导体工业协会提议,邀请了欧洲、日本、韩国和台湾等国家和地区的人士参加,对路线图进行了更新,最终形成了1999年的第一版国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)。在此之后,国际半导体技术发展路线图在每偶数年份进行更新,每单数年份进行全面修订。ITRS的整体目标是提供被工业界广泛认同的对未来十五年内研发需求的最佳预测。因此,对公司、研发团体和政府都有指导作用。路线图对提高各个层次上研发投资的决策质量都有重要意义,并且帮助将研究方向引导至最需要突破的领域中去。
　　 从路线图文件的发展来看,可以很明显地感觉到,路线图的编纂是一个动态的过程。路线图反映了半导体工业正在从几何尺寸的按比例缩小(geometrical scaling)向等效的按比例缩小(equivalent scaling)的方向上发展。几何尺寸的按比例缩小(例如根据摩尔定律的按比例缩小)已经在以前的三十年中成为业界的指导目标,并将继续在芯片制造的很多方面起着指导作用。等效按比例缩小的目标,例如通过创新设计、软件解决方案和创新的工艺改进性能,将继续指导半导体工业在这个十年期和未来十年的发展。自从2001年以来,路线图通过引入新的章节,例如“系统驱动”(2001年)、“新兴器件研究”和“用于无线通信的模拟/混合信号技术”(2005年),以及2007年的“新兴材料研究”,来更好地反映半导体工业的这一趋势。
　　 自从1992年开始制订这个路线图的时候,就有一个基本的假设:微电子器件可以继续按比例缩小并进而降低单位功能的成本(历史上每年大约为25%-29%),同时扩展半导体集成电路的市场(历史上平均每年17%左右,但是最近由于发展不断成熟,增长速度开始放慢)。这样,这个路线图就在一个挑战中诞生:究竟需要研发出什么样的技术才能继续沿着摩尔定律指引的方向前进?
　　 预计在下一个十年期的末期,将需要通过引入多种新型器件来增强CMOS工艺的能力,并希望能够实现超越CMOS器件的某些性能。然而,这些新器件很可能无法拥有CMOS器件的全部性能,因此,预期芯片级或封装级的异质混合集成将能够在CMOS核心周围集成这些新的能力。
　　 来自美国、欧洲、日本、韩国和中国台湾的半导体专家们的不懈努力使得2009年版的路线图继续成为指导半导体界研发方向的权威论述,引导半导体技术和集成电路市场继续不断地飞速发展。
　　
　　2路线图的整体进程与结构
　　
　　 2.1 路线图进程
　　 国际半导体技术发展路线图的工作进程是由“国际路线图委员会(International Roadmap Committee,IRC)”来进行协调的,每一个参与地区(包括欧洲,日本,韩国,中国台湾,和美国)都有2-4名成员入选。国际路线图委员会的主要职责包括以下几方面:对各国际技术工作组(ITWG)提供指导和协调;主持和召开ITRS研讨会;编辑出版ITRS路线图。
　　 路线图中各项技术的有关各章都是由相应的国际技术工作组(International Technology Working Group,ITWG)来编写的。国际技术工作组可以分为两类,一类叫焦点工作组(Focus ITWG),一类叫横向工作组(Crosscut ITWG)。焦点工作组的活动通常按照集成电路生产流程的顺序来划分,包括设计、工艺、测试和封装;而横向工作组则涉及重要的支持活动,这些支持活动在产品生产流程中往往在多个关键步骤上产生影响。
　　 2007年版国际半导体技术发展路线图的焦点工作组如下:系统驱动;设计;测试和测试设备;工艺集成、器件和结构;用于无线通信的射频和模拟/混合信号技术;新兴器件研究;前端工艺;光刻;互连;工厂集成;封装和装配等。横向工作组包括:新兴材料研究;环境,安全与保健;成品率的提高;计量;建模和模拟等。
　　 国际技术工作组由来自工业界(包括芯片生产商,设备和材料供应商)、政府研究机构和大学的专家组成。路线图技术工作组成员的地理分布与他们在工业界擅长的领域密切相关。例如,“新兴器件研究”工作组是一个比较远期关注的领域,因此来自研究机构的参与者就多于来自供应商的参与者。在工艺技术的“前端工艺”、“光刻”和“互连”等领域,来自供应商的参与者较多,反映了由于近期有很多需求必须要尽快解决,因此设备/材料供应商的参与程度就很高。
　　 对2009年版的路线图,一共召开了三次世界范围的会议,分别在比利时的布鲁塞尔(由ESIA赞助,NXP Semiconductors主持),美国的旧金山(由SIA赞助,SEMATECH和SEMI北美分会主持),以及中国台湾的新竹(由TSIA和TSMC赞助并主持)。这些会议给每个技术工作组的成员提供了面对面的讨论机会,并促成不同的技术工作组之间的合作。此外,路线图团队每两年开一次公开的国际半导体技术发展路线图会议,向公众发布最新的路线图信息,并向半导体工业界征集反馈信息。
　　 国际半导体技术发展路线图每年进行更新和更正,在奇数年份(例如2001年,2003年,2005年,2007年和2009年),发布一个全新的版本,而在偶数年份(如2000年,2002年,2004年和2006年和2008年)对数据表格进行修订。路线图的这种修订方式可以保证对半导体工业的近期和远期发展连续地进行评估。同时,它还使得工作组可以将最新的、可以作为技术需求的解决方案的研发突破及时反映在路线图中。
　　 2.2 路线图内容
　　 国际半导体技术发展路线图指出了用于指导共享研究的主要技术,显示了需要被满足的“目标”。这些目标尽可能地被量化并且使用表格的形式表示,显示了随时间变化的关键指标的演进。相应的文字解释和澄清了表中数字的涵义。
　　
　　 ITRS通过在表中使用不同的颜色,进一步区分了这些目标成熟度的不同或信心程度的差异:
　　 第一种情况,“制造方案存在,并已经得到优化”,表明目标是可以通过当前可用的技术和工具,并以值得生产的成本和性能实现的。当需要更多的开发才能实现目标的时候,使用黄色(在本书中使用30%灰度来表示)填充的表格。在这种情况下,必须是解决方案已经找到并且专家们对于展示用于生产开始所需的能力有足够的信心。在“过渡解决方案已知”的情况下,可用解决方案的限制将不会延迟生产的开始,而变通的方法暂时先被使用,随后会有方法来提高并弥补实现量产所需的任何差距,例如:工艺控制、成品率和生产率等等。第四种即最后一种情况在本文献的表格中用红色(本书由于黑白印刷,因此改用黑色。)单元标明,从国际半导体技术发展路线图开始编纂的那一天起,它就被称为“红色壁垒(Red Brick Wall)”。(这个红色是一种警告,它表明,假如没有什么实质性突破的话,那么历史发展趋势将停滞不前。)红色区域内的数字,仅意味着一种警告,而不能被认为是路线图的“目标”。对于一些读者来说,红色的指示(在本译文中以黑色表示)或许还不能充分地表明挑战的严峻性,可能有人会忽视红色的警示意义,想当然地认为图表中的数字“都会顺利实现”。这种想法是非常错误的。
　　 分析一下红色区域的使用我们可以将其分为如下两类:
　　 1.尽管大家一致同意该数值无论如何,最终一定能够被实现(或许在晚一些的时候),但是根据目前的工业水平还没有信心提出适当的解决方案;
　　 2.一致同意该数值无论如何也将不能实现。(例如某些“变通方案”的出现,使该方案变得无关紧要;或者发展到此终于停止不前。)
　　 为了实现第一类中的红色指标,需要在研发工作中取得突破。希望这些突破会把红色变为黄色(被定义为“制造解决方案已知”),并且,最终会变为白色(被定义为“制造解决方案已知并且已经得到优化”)。
　　 正如概述中所指出,本着为工业界定义保持摩尔定律及其它重要趋势所需开发的技术能力,及其实现的时间的目的,编纂了这本路线图。因此,ITRS并非是为了指出为保持摩尔定律的实现所需的研发重点的预测行为。本着“挑战”的精神,路线图技术特征总表编写组更新了关键的高层次技术需求,为不同的章节提供了一个共同的参考基准点。在路线图技术特征总表中表述的高层次目标,在某种程度上是由于保持集成电路技术的较高的历史发展速度的经济战略的推动下形成的。
　　 然而,近年来路线图一直被视作一个自我实现的预言。在某种程度上看,这也确实是一个事实。随着业界的公司将路线图视作一个基准,它越来越被证明是对研究活动的一个有效激励。因此,当制造解决方案或可接受的过渡方案已知时,使用路线图目标作为预测的指导,并非是不合理的。
　　 然而,这些路线图目标绝不应该被用作商业争端或其它类似情形的法律维权依据。特别是,参与ITRS路线图编纂的公司,在任何情况下不会承诺保证路线图目标的实现。我们再次强调,国际半导体技术发展路线图仅适用于技术评估,并且和任何与产品或设备相关的商业行为无关。
　　 2.3 技术特征/需求表
　　 正如上文所述,国际路线图委员会(IRC)的中心指导/协调工作就是草拟(并继续更新)一套“路线图技术特征总表(Overall Roadmap Technology Characteristics,OTRC)”。每个国际技术工作组所负责的章节都包含了几个主要的表。它们都是根据路线图技术特征总表编制的各个技术工作组的技术需求。对于2007年版的国际半导体技术发展路线图,无论是近期的年份(从2009、2010直至2016年),还是远期的年份(2017、2018直至2024年),在路线图技术特征总表和技术需求表中,都提供了每一年的数据。这个格式如表B所示,它包含了与光刻有关的路线图技术特征总表中的几行关键内容。表1a和表1b,包括新的闪存产品的非接触多晶硅半节距技术趋势线项目。在2005年版的路线图中,DRAM交错接触的M1半节距线用于所有ITRS国际技术工作组表的标准表头,然而,从2007年版的路线图开始,国际路线图委员会要求只使用最先开始生产的年份作为标准表头。根据国际技术工作组的决策,其它产品技术趋势驱动线可以从路线图技术总表的表1a和表1b中选取,用于各自技术工作组表格,作为指示关键驱动因素的表头。
　　 2.4 技术步伐
　　 在以前版本的ITRS中,“技术节点(technology node)”(或称为“hpXX节点”)这个术语被用来为整个产业进程提供集成电路特征尺寸按比例缩小的唯一的、简单的指标。从历史上,DRAM是在给定时间内展示最严格的接触金属半节距的产品,因此,它设定了路线图技术节点的发展步伐。然而,我们现在处于一个新的时代,有多个按比例缩小的重要驱动因素,如果继续使用单一的重要驱动指标(包括DRAM),则会产生误导。
　　
　　 例如,随着半节距的发展,在闪存单元设计中的设计因子也开始快速地发展,这使得功能密度的发展产生了新的加速。闪存技术同时也加快了具有电学上双倍比特密度的技术的应用,使得增加的功能密度不再依赖于光刻半节距驱动因素。另一个例子来自于MPU/ASIC产品,隔离栅长的特征尺寸将继续是这类产品的速度性能驱动因素,它需要使用最先进的光刻技术,以及新增的刻蚀技术来形成最终的物理尺寸。
　　 历史上的路线图节点的定义所产生的混淆已经反映在很多版本之中,还有很多文件根据一些其它的(通常是未经定义的)标准提出所谓“节点加速(node acceleration)”的概念。因此,我们现在希望不同的IC参数能够以不同的速度进行按比例缩小,并且显然应该认识到,很多参数事实上是有特定的产品背景的。在2009年版的路线图中,我们继续取消对“技术节点”这个术语的使用。正如上文所述,国际路线图委员会推荐标准表头为第一年开始生产的年份,而DRAM M1半节距仅作为历史上量度IC按比例缩小程度的几个指标之一。在对标准的路线图表格格式进行了这个最终修订之后,我们希望ITRS不再给工业界带来与“技术节点”这个概念相关的混淆。当然,“节点”这个术语还将继续被一些人使用。我们希望使用这个术语的人将在使用的条件下对其进行定义,使其对应于特定产品的技术应用。
　　 作为参考,2009年版路线图将M1半节距和闪存的多晶半节距作为所有产品的共同定义,如图1所示。
　　
　　 2.5 ITRS中引入时间的含义
　　 路线图技术特征总表和技术需求表是用来对某特工艺需求引进的时间做出的最优估计。理想的情况时,路线图对每一个需求都沿着“研发-样品-生产”周期标出多个时间点。但是为了简单起见,通常只给出一个时间点。在路线图中缺省的“引入时间”指的是“生产年份”,如图2所定义。
　　 对2007版路线图的图2a进行了修改,由于不同产品的第一次生产目标的产品芯片尺寸差异的变化较大,因此,不再包括每月的数量的参考值。因此,只在2009年路线图中保留了典型的工业界高产量量产规模。
　　 此外,应新兴器件研究(ERD)和新兴材料研究(ERM)工作组的要求增加了一个图释,以强调需要早期开展应对路线图工作组所提出的严峻挑战的可能解决方案的研究。在包括第一个制造商α设备和材料开始之前以及传统的路线图15年时间框架内(甚至框架外)的范围内进行广泛地沟通,已经变得越来越重要。需要做好从第1篇科技会议论文到开发开始(即通常从ERD/ERM工作组向PIDS/FEP工作组转移的时间点)之前的前期准备工作。
　　 为了解释得更清楚,请看图2b,图中显示了一个有可能在2019年实现量产的可能的新的栅结构解决方案的示例。在这个例子中,第一篇研究文章出现在2007年,可能的解决方案计划将在2011年路线图工作中转入PIDS工作组,届时将会有更加清楚的特征定义。
　　 国际半导体技术发展路线图中谈到的“生产时间”指的是第一个公司将一项技术引入生产的时间,而且第二个公司在三个月内也投入生产,然而,有些时候第二个公司所需的量产时间要更长一些。“生产”的意思是要完成工艺和产品的质量认证。产品的质量认证的意思是客户同意交付产品的运输,这可能需要在客户接受样品的质量认证之后还要经过1到12个月的时间。在生产之前,需要完成工艺的认证和工具的开发。通常需要在生产之前有12到24个月的时间来开发生产工具。这意味着需要在开发生产工具之前先后开发“α工具”和“β工具”。
　　 图2a和b中的产量的跃升时间点可以看作开始整个晶圆量产的时间点。对于一个起始产能为每月两万片的工厂,从每月二十片到全产能生产的时间大约是9到12个月。如果芯片的尺寸是140 mm2,那么这段时间也就相当于从每月生产六千个芯片到每月六百万个芯片的上升过程。(每个12英寸晶圆可容纳430个原始管芯×2万片/月×70%总成品率=6百万个元件/月)。
　　 此外,注意到在这个例子中的路线图量产提升时间是以给定晶圆代的技术周期的量产提升为参考的。既然向新的晶圆技术代(450 mm晶圆技术代)的转移已经越来越近,我们必须要对可能出现的领先技术公司在两个晶圆代上同时出现量产提升的情况给予特别的关注,这是因为历史上曾经出现过这种情况(请见本版路线图“450 mm晶圆”一节中的图5)。在两个晶圆代共存的过渡时期,需要仔细研究经济有效的生产率提升的建模问题。
　　
　　 2.6 2009年SICAS工业制造技术能力更新
　　 要注意的是,国际半导体技术发展路线图注重领先的半导体制造技术最早引入的时间,这些最领先的半导体制造技术支持了选定的领先的技术驱动产品市场的生产,例如DRAM、闪存、MPU和高性能ASIC。然而,在实践上,很多公司出于不同的原因,选择在相对较晚的时间引入领先的技术,因此在实际生产中既可以看到最先进的技术,也可以看到逐渐走向衰退的技术。
　　 此外,我们已经观察到一些公司仅对他们的部分产品类别有意识地、激进地选择使用领先工艺,这是因为领先工艺并非对所有产品都有经济方面的吸引力。有些公司决定放慢脚步甚至对某些产品仍然使用快被淘汰的工艺,这是因为进一步按比例缩小对这些产品意义不大。因此,工艺的多样化的范围或许变得越来越宽。
　　 图3(根据SICAS 09年第2季度的数据更新)显示的柱形图(根据柱形图的面积和整体MOS集成电路工业硅加工能力的比进行归一化)是实际情况下世界晶圆产量和特征尺寸的关系。整体工业技术能力的分类是根据特征尺寸来分类的,可以看到,其分布是相当离散的。
　　 使用DRAM金属1(M1)半节距来量度的ITRS的技术周期,如黄色标记所示(即历史上实际发生的时间点),是根据ITRS的技术工作组组织的调研结果报道的。这些调研结果在2003年、2005年和2007年进行,结果显示:先进的DRAM M1半节距的首次生产时间以2年为一个周期(每技术代0.71×缩减量),从1998年的250纳米一直到2004年的90纳米。然而,最近的调查表明,DRAM的历史趋势与ITRS的MPU趋势越来越接近。这在2007年版中进行了进一步的研究并在2008年更新版中进行了报道。
　　 表ORTC1在2008年更新版中进行了修订,即DRAM M1接触的半节距已经和MPU接触的M1半节距目标一样,处于2.5年/代的周期上。对2009年版路线图的表ORTC1来说,DRAM接触的M1半节距目标未变,仍然保持为2.5年一个技术代,直至2010年/45 nm技术代。从2010年直至2024年,DRAM M1目标仍然保持为3年期的技术代。对2009年路线图表ORTC1来说,闪存的未接触多晶半节距目标继续以2年一代的速度发展至2010年/32 nm技术代,然后转化为3年/代。对2009年路线图表ORTC1来说,MPU接触的M1半节距目标也延续2年一代的步伐并在2010年/45 nm处穿越DRAM M1技术发展曲线。2年一代的发展速度将持续到2013年,然后将和DRAM和闪存的3年一技术代的发展速度相平行。
　　
　　 图3中的蓝色标记显示了2009版ITRS的下一个目标,即在2010年实现45 nm技术,然后再次恢复到3年一代直至2013年。在更新的图3中还包括了MPU发展趋势(蓝色圆圈)和闪存发展趋势(紫色方块)的数据点。
　　 注意到先进特征尺寸芯片的第一次生产在一年内上升到工业产能的20%-30%,并且这20%-30%产能的份额所处的时间点和历史上以两年为一周期的第1次生产的时间点处于同一个循环周期之内。然而,对“