２００７年国际半导体技术发展路线图摘要介绍

2007年版的国际半导体技术发展路线图，是ITRS面世之后的第5次全面修订，于2008年2月正式在世界范围内发布其最后定稿。本文将向读者介绍本版路线图一些新的重要理念，以及对未来十五年内半导体行业面临的严峻挑战进行的汇总。

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。绝大部分的改进和提高都是由一个特征表示，即制造集成电路的最小尺寸它可以不断地呈指数性地迅速缩小。显然，我们最常引用的发展趋势就是摩尔提出来并以他的名字命名的“摩尔定律”。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。

自从集成电路诞生的那一天起，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，同时扩展半导体集成电路的市场。在高度竞争的半导体市场，从业者无不思考着这样一个问题：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？

为了回答这个问题，美国半导体工业协会（the Semiconductor Industry Association，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、韩国和中国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。

1发展的两个重要方向：

“More Moore”与“More Than Moore”

这两个发展的重要方向,在2007年的修订过程中经过讨论,可以说是更加明确了。

传统上看，国际半导体技术发展路线图主要专注于CMOS（互补金属氧化物硅）技术的按比例缩小。然而，从2001年版的ITRS开始，我们遇到了这样的挑战：即使是对CMOS工艺按比例缩小的最乐观的估计也会遇到麻烦，比如MOS管的沟道长度能否小于9纳米这样的水平？同样，对半导体工业界的绝大多数人士来说很难想象目前工艺设备和工厂成本的发展趋势还能继续支撑15年！因此，路线图必须要考虑“后CMOS器件”问题。对这些器件来说，路线图就更加多种多样，范围包括从大家较为熟悉的非平面CMOS器件到更新奇的器件，例如自旋器件等。无论是CMOS技术的延伸，还是更为激进的新方法，后CMOS技术必须要进一步降低单位功能的成本，并提高集成电路的性能。此外，产品的性能不仅随器件数量而提升，还与由设计和工艺选择相关的一系列复杂参数有关。这样，新的技术可能不仅会包括新器件，还包括制造方法的彻底革新。

微处理器、存储器和逻辑器件需要基于硅的CMOS技术。最小尺寸的进一步按比例缩小，使得越来越多的晶体管可以集成到一个芯片中，正如摩尔定律所描述的那样。这样的系统级芯片（System-on-chip，SoC）的基本功能是数据存储和数字信号处理。然而，很多功能性的需求，例如功耗、通信带宽（例如RF）以及其它很多功能性需求，例如由无源器件、传感器和激励器实现的功能，以及生物功能等，都无法实现摩尔定律那样的按比例缩小。在很多情况下，需要使用非CMOS的解决方案。此外SoC和SiP未必会是你死我活的相互竞争。在未来，将基于CMOS的技术和非CMOS的技术集成在一个封装内（System-in-package，SiP），会变得越来越重要。SoC和SiP可以实现互补共存，所以它们未必是相互竞争的技术。最初由非CMOS实现的技术，可能会在后期和基于核心CMOS技术集成在一起形成混合技术实现CMOS SoC。这样，在SoC和SiP之间以及内部的系统级功能划分很可能会随着时间而动态变化。这将需要跨学科领域内的创新，例如纳米电子器件、纳米热机械器件、纳米生物学等。对于SiP应用，封装将成为一个功能性元件并成为关键的差异化因素。这些发展趋势在图1中展示的十分清楚。

2005年版的路线图中介绍了“摩尔定律以外的发展（More than Moore）”的概念，这在2007年版的路线图中进行了进一步的讨论和提高。特别地，对以下定义取得了共识（见图1）：

图1 摩尔定律发展方向

1）按比例缩小（“在摩尔定律的方向上进一步发展(More Moore)：”，竖直轴）

1a．几何尺寸（恒场）按比例缩小指的是片上的逻辑电路和存储器电路的水平和竖直方向上的物理特征尺寸的持续缩小，以便改善密度（功能电路的成本降低）和性能（速度、功耗）以及可靠性，为应用和终端客户提供增值。

1b．等效的按比例缩小与几何尺寸的按比例缩小同时发生，并对后者有促进作用，它指的是：（a）三维的器件结构（“设计因子”）的改善，加上其它非几何方面的工艺技术改进和新材料的使用，对芯片的性能有所改善。（b）新的设计技术，例如多核设计。等效按比例缩小的目标是使“摩尔定律”继续延伸下去。

2）功能的多样化（“在摩尔定律以外更多的发展(More than Moore)”，水平轴）

功能的多样化指的是加入无法按照“摩尔定律”的规律按比例缩小但是却能够以不同的方式为终端客户提供附加价值。“More than Moore”的方法通常允许使用非数字功能（例如射频通讯、功率控制、无源元件、传感器和激励器），以便能够从系统板级实现向特定的封装级（SiP）或芯片级（SoC）实现方式过渡。此外，复杂的嵌入式软件越来越紧密地集成到SoC和SiP中去，因此，软件可能需要成为直接影响性能提升的基本因素。“More than Moore”的目标是将数字和非数字的功能加入到紧凑的系统中去。

在工业界发展过程中，预计“More than Moore”的相对比重将随时间而越来越大。这个相对比重的增加导致了科学领域的多样化发展，研究必须要能够涵盖这些领域，以便能够保持创新的步伐，同时，资金方面的限制将变得越来越严格。因此，ITRS扮演的对研究进行指导的角色，是非常重要的。考虑到这一点，ITRS的不同的技术工作组已经开始了对各自领域内“More than Moore”的趋势的研究。这些研究的结果，将会在未来变得越来越重要，并且在各自的ITRS章节中得以体现。

2007版的国际半导体技术发展路线图详细讨论了各种CMOS集成电路所需要的工艺需求，包括无线通信和计算机产品。这些电路占有目前75%以上的世界半导体消费份额。显然，大部分CMOS集成电路制造工艺技术也同样被用于制造化合物半导体，分立器件，光学器件和微机械系统（MEMS）。因此，在很大程度上这个路线图也包含了对以集成电路工艺为基础的很多其它微米/纳米技术需求的讨论，即使这些技术未必明确是本路线图的研究对象。

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