先进集成电路技术展望
- 格式:docx
- 大小:2.13 MB
- 文档页数:14
集成电路发展历史和未来趋势集成电路(Integrated Circuit,简称IC)是一种在单个芯片上集成了多个电子元件(例如晶体管、电阻、电容等)的电路。
集成电路的发展历史可以追溯到20世纪50年代末至60年代初,随着技术的进步和需求的增长,集成电路在电子领域中得到了广泛应用。
本文将介绍集成电路发展的历史,并展望未来的趋势。
集成电路的发展历史:1. 创世纪(1958-1962):美国史景迁(Jack Kilby)和法国的尤·赖希特(Jean Hoerni)几乎同时独立发明了集成电路。
他们分别在半导体材料上制备出来离散元件,并将它们集成到单个芯片上。
这一时期的集成电路规模较小,仅有几个晶体管和少量的电子元件。
2. 第一代(1962-1969):美国的弗吉尼亚公司(Fairchild)和德国的西门子公司率先推出了第一代集成电路,包括了数百个晶体管和其他元件。
这使得集成电路在通信、航空航天和计算机领域得到了广泛应用。
3. 第二代(1970-1979):集成电路的规模和性能进一步提高,由数千个晶体管和其他元件组成。
大型集成电路纳入了多个功能模块,使电子设备更加紧凑和高效。
4. 第三代(1980-1989):CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)技术的引入,使得集成电路在功耗和成本上有了显著改善。
CMOS技术还带来了更高的集成度和更快的开关速度,使集成电路能够应用于更广泛的领域。
5. 第四代(1990-1999):集成电路的规模进一步增加,上千万个晶体管集成在一个芯片上。
这一时期也见证了数字信号处理器(DSP)、可编程逻辑器件(PLD)和ASIC等特定用途集成电路的快速发展。
6. 第五代(2000至今):随着纳米技术的推进,集成电路规模进一步增加。
先进的制造工艺使得晶体管的结构更小,电路速度更快,功耗更低。
同时,集成电路的应用领域也更加多样化,包括通信、计算机、医疗、汽车等。
集成电路行业的现状和前景引言集成电路(Integrated Circuit, IC)是现代电子技术的核心和基础,广泛应用于通信、计算机、消费电子、汽车等各个领域。
随着科技的不断进步和社会的发展,集成电路行业也面临着新的变革和挑战。
本文将探讨当前集成电路行业的现状,并展望其未来的前景。
现状分析市场规模扩大随着全球经济的发展,各个国家对于信息通信技术的需求不断增长,集成电路作为信息技术的重要支撑,市场规模不断扩大。
据统计,全球集成电路市场规模在近年稳步增长,预计未来仍将保持良好的发展态势。
技术创新驱动集成电路行业的发展离不开技术创新的推动。
随着科学技术的进步和研发投入的增加,集成电路技术不断突破传统的限制,实现了更高的集成度、更低的功耗和更高的性能。
例如,先进的制程技术(如7nm、5nm)的应用,使得芯片的性能得到了显著提升。
企业竞争加剧集成电路行业是一个充满竞争的行业,各个企业都在尽力提高市场份额。
国内外的龙头企业通过技术创新和资本优势,不断推出具有竞争力的产品,并积极开拓全球市场。
同时,新兴企业也迅速崛起,加剧了市场的竞争压力。
产业链协同发展集成电路产业链的协同效应也在不断显现。
芯片设计、制造、封测以及应用领域的企业相互合作,推动着整个产业链的发展。
在全球范围内,不同国家和地区的企业都在加强合作,形成良好的产业生态,共同推动集成电路行业的进步。
前景展望5G技术的推动随着全球范围内5G网络的建设和商用,集成电路行业迎来了新的机遇。
5G技术对于集成电路的需求更高,包括高性能的处理器、高速的通信芯片等。
因此,5G的发展将催生集成电路行业的快速发展,为企业提供更多商机。
人工智能的兴起人工智能是当今科技领域的热点话题,也是集成电路行业的重要驱动力之一。
人工智能应用对于计算能力和数据处理速度的要求极高,因此对高性能、低功耗的芯片需求量大。
随着人工智能技术的普及和应用场景的扩大,集成电路行业将迎来更广阔的发展空间。
集成电路国内外技术现状及发展摘要:随着科技的快速发展,集成电路的应用越来越广泛,提升了各领域的效率和质量。
本文探讨了集成电路在国内外的技术现状和发展。
首先介绍了集成电路的基本概念和分类,然后分别从国内外两方面对集成电路技术的发展状况进行了分析。
在国内方面,讨论了我国集成电路行业的现状和发展趋势,包括技术创新、市场规模和企业布局等方面。
在国外方面,则介绍了国外集成电路的技术状况,主要包括先进制程、先进封装和新型器件等领域的研发现状。
最后,文章还对未来集成电路技术的发展方向进行了展望。
关键词:集成电路;技术现状;发展趋势;国内外比较正文:一、集成电路的基本概念和分类集成电路是指将半导体器件、电路元件和相关配件等多种组件,组合成一个整体的电路芯片。
它可以承载多个电路和功能,充分利用半导体器件所具有的高速度、小规模、低功耗等特点,广泛应用于通讯、计算机、工业控制、汽车等领域。
集成电路可分为数字电路、模拟电路和混合电路三类。
其中,数字电路是一种基于数字信号处理的电路,可以实现数字逻辑运算、信息传输等功能;模拟电路则是基于模拟信号处理的电路,可以实现电压传输、电流计、温度计等功能;混合电路则是将数字电路和模拟电路相结合,实现数字与模拟信号的转换和处理。
二、国内集成电路技术的发展现状和趋势随着我国经济的快速发展,集成电路产业也在迅速壮大。
目前,我国的集成电路产业已经迈入了快速发展的新阶段。
我国顶尖厂商如中芯、国际光电、长电科技等已经构建了一套完整的集成电路技术链和产业链。
在技术方面,我国的集成电路技术在某些领域方面取得了重大突破。
如合肥微尘科技的天元芯片,可实现“万物互联”;长电科技成功研制出128层3D NAND闪存;像湖畔微电子等公司研制出8位MCU等。
在市场方面,我国集成电路市场规模也在逐年扩大。
数据显示,2019年我国集成电路市场规模已达到7492亿元,预计到2025年将超过1.4万亿元。
我国政府也在加大对集成电路产业的支持力度,鼓励技术创新和人才培养。
集成电路装备发展趋势集成电路(Integrated Circuit,简称IC)是当代电子技术的核心和基石,广泛应用于各个领域。
随着科技的不断进步和市场的需求变化,集成电路装备作为对集成电路生产的核心环节,在不断演化和发展。
本文将探讨集成电路装备的发展趋势,分析其对行业和技术的影响。
1. 背景介绍集成电路是在单块半导体芯片上集成数百甚至数千个微电子元件,是当今电子行业的核心技术之一。
集成电路装备则是指用于制造集成电路的工艺和设备,包括材料处理、晶圆制备、掩膜光刻、离子注入、薄膜沉积、金属化、封装测试等工序。
2. 发展趋势2.1 先进制程随着技术的发展,先进制程是集成电路装备发展的重要方向。
目前,14纳米、7纳米制程已经实现量产,而5纳米、3纳米制程也在紧锣密鼓地研发中。
先进制程不仅可以提高集成电路的性能和能效,还能满足更多应用领域的需求。
在制程方面,装备需要提高精度和稳定性,以满足制程要求。
2.2 多功能集成多功能集成是未来集成电路装备的另一大趋势。
随着物联网、人工智能等技术的发展,对集成电路的功能多样性提出了更高的要求。
未来的集成电路装备需要具备更多的功能,例如集成测试、故障诊断等。
装备还需要具备更好的适应性和灵活性,以应对不同应用领域的需求。
2.3 智能制造智能制造是目前装备制造业的热点和发展趋势之一,集成电路装备也不例外。
智能制造可以通过数据采集、分析和智能化决策,提高装备的自动化和效率。
在集成电路装备中,智能制造可以帮助提高生产效率、降低成本,提高产品质量和一致性。
3. 影响与挑战3.1 技术创新集成电路装备的发展需要不断的技术创新。
新材料、新工艺、新设备的引入是推动集成电路装备发展的重要因素。
技术创新还需要充分的研发投入和合作,以解决新技术带来的挑战和问题。
3.2 人才培养集成电路装备的发展离不开人才的培养和引进。
需要培养具备专业知识和实践经验的技术人才,以应对不断变化的市场需求和技术挑战。
集成电路的现状及其发展趋势一、概述集成电路(Integrated Circuit,简称IC)是将多个电子元件集成在一块衬底上,完成一定的电路或系统功能的微型电子部件。
自20世纪50年代诞生以来,集成电路已经经历了从小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)到甚大规模集成电路(ULSI)的发展历程。
如今,集成电路已经成为现代电子设备中不可或缺的核心部件,广泛应用于计算机、通信、消费电子、汽车电子、工业控制等领域。
随着科技的快速发展,集成电路的设计、制造和应用技术也在不断进步。
在设计方面,随着计算机辅助设计(CAD)技术的发展,集成电路设计的复杂性和精度不断提高,使得高性能、低功耗、高可靠性的集成电路得以实现。
在制造方面,集成电路的生产线越来越自动化、智能化,纳米级加工技术、三维堆叠技术等新兴技术也在不断应用于集成电路的制造过程中。
在应用方面,集成电路正向着更高集成度、更小尺寸、更低功耗、更高性能的方向发展,以满足不断增长的市场需求。
集成电路的发展也面临着一些挑战。
随着集成电路尺寸的不断缩小,传统的制造方法已经接近物理极限,这使得集成电路的进一步发展变得更为困难。
同时,随着全球经济的不断发展和市场竞争的加剧,集成电路产业也面临着巨大的竞争压力。
探索新的制造技术、开发新的应用领域、提高产业竞争力成为集成电路产业未来的重要发展方向。
总体来说,集成电路作为现代电子技术的核心,其发展现状和趋势直接影响着整个电子产业的发展。
未来,随着技术的不断进步和市场的不断变化,集成电路产业将继续保持快速发展的势头,为全球经济和社会的发展做出更大的贡献。
1. 集成电路的定义与重要性集成电路(Integrated Circuit,简称IC)是一种微型电子器件或部件,采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起,制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上,然后封装在一个管壳内,成为具有所需电路功能的微型结构。
电子信息工程中的关键技术研究综述与展望在电子信息工程领域,关键技术的研究和发展一直是推动行业前进的重要动力。
本文将对电子信息工程中的关键技术进行综述,同时展望未来的发展方向。
1. 集成电路技术集成电路技术是电子信息工程的核心技术之一,它是将大量的电子元器件集成在一块芯片上,实现电路功能的高度集成。
目前,集成电路技术已经实现了微纳米级的制程,从而大大提高了芯片的功耗性能和集成度。
在未来的发展中,集成电路技术有望实现更高的集成度和更低的功耗,以满足日益增长的计算和存储需求。
2. 通信技术通信技术是电子信息工程中的另一个重要领域,它涵盖了无线通信、光纤通信、卫星通信等多种技术。
近年来,5G通信技术的发展引起了广泛关注。
5G通信技术具有更高的传输速率、更低的时延和更多的连接数等特点,将为人们带来更快、更稳定的通信服务。
未来,无人驾驶、物联网等领域的发展将进一步推动通信技术的创新,为数字化社会的建设提供坚实的基础。
3. 人工智能与大数据人工智能和大数据技术在电子信息工程中的应用越来越广泛。
人工智能技术可以通过模拟人脑的思维过程实现智能决策和自主学习,已经在图像识别、语音识别、自然语言处理等领域取得了显著的进展。
同时,大数据技术可以处理和分析海量的数据,挖掘其中的隐藏信息和规律。
未来,人工智能和大数据技术将进一步结合,实现更多智能化的应用,如智能交通、智能家居等。
4. 光电子技术光电子技术是将光学和电子技术相结合的一门交叉学科,具有广泛的应用前景。
光电子技术可以实现信息的高速传输、存储和处理,目前已经广泛应用于光纤通信、激光器、光电器件等领域。
未来,光电子技术有望实现更高的传输速率和更小的器件尺寸,为高性能计算和互联网服务提供更优质的支持。
5. 物联网技术物联网是指通过互联网将普通物体与网络连接起来,实现物与物之间的互联互通。
物联网技术对电子信息工程的发展具有重要意义,它将促进各类设备和系统的智能化、网络化和自动化。
集成电路设计技术的发展与应用前景展望近年来,随着科技的飞速发展,集成电路设计技术也取得了长足的进步。
集成电路设计技术是现代电子工程的重要组成部分,它对于电子产品的研发、生产和应用起到了至关重要的作用。
在未来,随着人工智能、物联网等新兴技术的兴起,集成电路设计技术将继续迎来更多的发展机遇和广阔的应用前景。
首先,大规模集成电路设计技术将逐渐向超大规模集成电路(VLSI)设计技术发展。
随着电子产品体积的不断缩小和功能的不断增强,对集成电路的集成度要求越来越高。
超大规模集成电路设计技术通过优化电路结构、减少功耗和提高性能等手段,实现了更高的集成度和更低的功耗,为电子产品的创新和发展提供了强有力的支持。
未来,在超大规模集成电路设计技术的推动下,电子产品将能够实现更强大的计算能力和更丰富的功能,开创更多的应用领域。
其次,多核集成电路设计技术将得到更广泛的应用。
随着人工智能、大数据和云计算等技术的快速发展,对高性能计算和并行计算能力的需求不断增加。
多核集成电路设计技术可以将多个处理核心集成在一个芯片上,实现并行计算和高效的数据处理能力。
未来,多核集成电路技术将有望广泛应用于人工智能、图像处理、大数据分析等领域,为这些领域的发展带来更多的可能性。
此外,全球封装先进技术的发展将进一步促进集成电路设计技术的发展。
集成电路的封装是保护和连接芯片的重要环节,它对电路的性能和可靠性具有关键影响。
随着电子产品的小型化和高性能化,对封装技术的要求也越来越高。
全球封装先进技术的不断研发和应用,将推动集成电路设计技术向更高的集成度和更高的性能发展。
未来,随着3D封装、片上封装等先进封装技术的广泛应用,集成电路的可靠性将得到更好的保障,为电子产品的创新和发展提供更稳定的支持。
最后,集成电路设计技术将与人工智能、物联网等新兴技术相结合,为新一轮科技革命提供强大的驱动力。
人工智能的快速发展正在改变人们的生活方式和工作方式,而物联网的兴起则将实现万物互联。
射频集成电路的发展与展望射频集成电路(RFIC)是一种用于无线通信系统的关键技术,主要用于处理、调制和解调射频信号。
随着无线通信技术的发展,RFIC也在不断进步和演化,以满足更高性能、更小体积和更低功耗的需求。
下面将从发展历程和展望两个方面来详细介绍。
一、射频集成电路的发展历程射频集成电路的发展可以追溯到20世纪60年代,当时射频电路还主要采用离散元件进行实现。
1965年,M. M. Horenstein发表了关于射频集成电路的第一篇论文,标志着射频集成电路的起源。
70年代末80年代初,随着微电子工艺的发展和集成电路技术的进步,射频电路开始逐渐实现集成化。
1982年,射频带宽、功率插图宽度和性能的提高推动了第一代射频集成电路(RFIC-1)的研发和商业应用,主要应用于无线电通信领域。
90年代,随着射频集成电路技术的不断发展,出现了第二代射频集成电路(RFIC-2),其主要特点是小型化、低功耗和低噪声特性。
2000年以后,第三代射频集成电路(RFIC-3)应运而生,该技术主要针对多频段、宽带化和高性能要求。
至今,射频集成电路已经成为无线通信系统的核心部件,并在移动通信、卫星通信、雷达和无线电广播等领域得到广泛应用。
二、射频集成电路的发展展望1.高频率和大带宽:未来射频集成电路将面临更高频率和更大带宽的需求。
随着5G通信技术的发展,超高频、毫米波和太赫兹射频集成电路将成为研究热点。
同时,射频集成电路需要支持更宽的带宽,以满足高速数据传输和多用户连接的要求。
2.小型化和低功耗:随着无线设备的小型化和便携性要求的增强,射频集成电路也需要更小体积和更低功耗。
未来的射频集成电路将需要采用新材料和新工艺,以减小电路的尺寸和功耗。
3.高性能和可靠性:射频集成电路需要更高的性能和可靠性,以应对复杂的通信环境和多种无线通信标准。
因此,新的射频集成电路需要支持更高的动态范围、更低的噪声系数和更高的工作温度范围。
4.集成度和功能多样性:未来射频集成电路将更加强调集成度和功能多样性。
文章摘要集成电路被誉为现代信息社会的基石,推动了各个产业的发展和进步,深刻影响着人们的生活习惯、工作方式、思维模式。
集成电路以摩尔定律为导向发展了60多年,随着工艺节点的不断演进,电路制造和设计成本大幅攀升,产品良率和生产效率开始出现下降的苗头。
近年来,一系列新工艺、新材料、新技术被引入集成电路领域,形成了新的应用方式、使用场景、发展路径,为集成电路发展注入强心剂,集成电路后摩尔时代悄然而至。
因此,对后摩尔时代先进集成电路主要技术路径及其特点进行梳理具有重要的研究意义和应用价值。
文章总结了集成电路沿摩尔定律发展面临的技术困境以及后摩尔时代集成电路的基本特征,归纳了集成电路领域的国内外新近学术进展和研究成果,分析了中国在相关技术路径上的潜力与不足,并提出相应发展对策和可行措施。
最后,总结和展望了后摩尔时代先进集成电路技术的未来发展趋势。
1集成电路发展概述作为信息社会的基石,集成电路正越来越深刻地影响着人们的生活。
在消费电子、汽车、医疗、航天、军事、人工智能、物联网、通信等领域,集成电路都扮演着举足轻重的角色。
集成电路发展遵循着一定的规律,其中最著名的是摩尔定律。
摩尔定律是美国英特尔公司创始人之一戈登·摩尔先生于1965年提出的经验式总结。
该定律描述了集成电路的发展趋势:从性价比的角度,集成电路芯片上可容纳元器件的数目,约每隔2年翻一番,电路性能也将提升一倍,而价格下降一半。
简而言之,即通过缩小集成电路元器件的面积,在相同尺寸的晶圆上制造出更多的电路和芯片,从而达到降低成本和提升性能的目的。
在高κ金属栅、应变硅、鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor, FinFET)等新材料和新器件结构技术的支撑下,摩尔定律延续了近60年,集成电路也进入到5 nm技术节点,并向着3 nm节点迈进。
集成电路沿摩尔定律发展终将面临器件尺寸无法持续缩小的问题。
特别是在引入FinFET技术之后,更为复杂的器件结构使得集成电路的制造难度大幅提高、良率明显下降,导致制造和设计成本大幅攀升,给产品研发带来风险。
这也成为限制集成电路发展的重要因素之一。
此外,集成电路制造涉及的设备、材料等方面正在逼近物理极限,电路性能逐渐触及瓶颈。
因此,探索引领集成电路走出尺寸缩小困境的技术路径在实际生产和学术研究等方面都具有非常深远的意义。
近年来,一系列新工艺、新材料、新技术的引入为集成电路的发展注入了活力,例如三维集成、芯粒(Chiplet)、类脑芯片等技术,使集成电路在更多维度上取得了令人耳目一新的进展,形成了新的发展路径、应用方式、使用场景,进入了“后摩尔时代”。
中国是集成电路需求和生产大国,2021年集成电路进口量为6354.8亿块,其中净进口量(进口量˗出口量)超3240亿块。
集成电路产业已成为国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性产业,在国家政策的大力支持下,近些年中国大陆集成电路企业在设计、制造、封装、测试、材料、设备等环节都取得了长足进步,与国外及中国台湾地区先进水平的差距正在逐步缩小。
此外,中国经济发展平稳向上、集成电路消费市场发展前景乐观、政策持续性强、工科人才储备量大,这些都为集成电路产业的良性发展提供了坚实的物质基础。
然而,我们也应清楚地认识到,后摩尔时代是机遇与挑战共存的时代,集成电路的发展也面临着极大的技术挑战,例如先进工艺的研发、材料及设备的获取、跨领域技术的整合、设计软件的国产化等。
因此,非常有必要对后摩尔时代集成电路技术研究进展进行总结并对其发展趋势进行研判。
2集成电路主要技术路径及发展现状实际生产制造中,集成电路按技术节点分为2类:成熟工艺和先进工艺。
28 nm及以上节点的集成电路研发时间久、产品良率高、技术积累丰富,称为“成熟工艺”;22 nm及以下节点的集成电路研发较晚,技术仍在不断完善,称为“先进工艺”。
其中,先进工艺包括FinFET技术和三维集成技术。
此外,基础性研究也是集成电路技术的重要组成部分,包括技术创新和技术融合等内容。
2.1 成熟工艺——金属氧化物半导体场效应晶体管技术发展现状在28 nm节点以前,集成电路制造以平面型工艺为主,最基本的器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),其结构如图1所示。
通过缩小MOSFET特征尺寸,包括沟道长度和宽度,可提升电路集成度。
MOSFET有开启和关断2种工作状态,对应于数字逻辑1和0。
该器件比较理想的工作状态是:在开启状态,流经器件的电流尽量大;在关断状态,流经器件的电流尽量小。
美国加利福尼亚大学伯克利分校胡正明(Chenming Hu)教授曾做过一个经典比喻,将沟道看成一根扁平水管,通过按压水管的方式控制水管的流通和截止,在MOSFET栅电极施加的电压就相当于按压水管的力量。
因此,将沟道长度做得越短,则单位时间内流经器件的电流越大;器件对导电沟道的控制能力越强,则截止状态的关断电流越小。
平面型MOSFET即是按照这个思路演变,等比例缩小、应变硅、高κ金属栅等技术的引入,保证了器件在特征尺寸缩小的情况下,维持良好的开启和关断状态,使集成电路不断优化升级。
图1 平面型MOSFET器件结构近年来,智慧城市、智慧医疗、物联网等新兴技术的兴起为集成电路产业提供了巨大的潜在市场。
这些应用领域具有碎片化的特点,使用场景范围广、硬件需求量大,并且对集成电路计算能力不做过高要求,所以对先进工艺的需求并不强烈,适合于成本和风险可控、安全性较高的成熟工艺。
因此,成熟工艺仍是未来集成电路产业非常重要的组成部分。
在2020年晶圆代工市场中,28 nm及以上节点的成熟工艺占集成电路市场份额为66%,未来5年成熟工艺市场份额仍将不低于50%,占据市场的半壁江山。
成熟工艺是中国大陆晶圆代工企业的主要营收项目之一,中芯国际、华虹半导体、晶合集成等多家公司都具备成熟工艺的代工能力。
2021年中国大陆晶圆代工企业营收额继续高速增长,占全球总体份额的8.5%,并且中芯国际和华虹半导体成功跻身全球晶圆代工企业十强。
2.2 先进工艺——FinFET技术发展现状1999年美国加利福尼亚大学伯克利分校在国际电子器件会议(IEDM)首次报道了FinFET技术,论证了实现20 nm以下节点硅基集成电路的可行性。
2012年,美国英特尔发布了采用FinFET技术的22 nm节点芯片产品,此后中国台湾积体电路制造股份有限公司(简称台积电)、韩国三星公司等代工企业均将FinFET技术作为各自主流的先进工艺。
FinFET器件结构如图2所示,其特征是将扁平的导电沟道沿垂直方向竖立起来,使得MOSFET由平面结构转变为立体结构。
该结构主要有以下2个优势:①可以更灵活地调整沟道特征尺寸,包括沟道长度、宽度和高度,以便在提升电路集成度的情况下维持开启电流,保证器件的驱动能力;②显著增加器件栅电压的控制面积,提高器件的栅控能力,从而减小器件的泄漏电流,更好地控制MOSFET关断状态,这是FinFET技术的核心作用。
结合应变硅和高κ栅介质等工艺,FinFET技术已经发展出Enhanced FinFET、SuperFin等先进结构和制造工艺(图3)。
在台积电、三星、英特尔等晶圆代工企业的共同推动下,FinFET技术已从22 nm节点发展到5 nm节点。
台积电日前宣布,未来3 nm节点芯片产品继续使用FinFET技术。
因此,FinFET技术仍是未来集成电路先进工艺的主流技术之一。
图2 FinFET器件结构图3 英特尔集成电路晶体管发展情况汇总随着FinFET技术的成熟度不断提升,其生产成本将持续降低,先进工艺占集成电路市场的比例也将不断提高。
从技术更迭角度,先进工艺的持续性研发投入对中国集成电路企业保持市场竞争力起着至关重要的作用。
值得一提的是,与成熟工艺相比,先进工艺具有高利润率的优势。
例如,以成熟工艺为主要营收项目的中芯国际,2020年营收额为274.7亿元,净利润为43.32亿元,利润率为16%;与之对比的是以先进工艺为主要营收项目的台积电,2020年营收额为3100亿元,净利润为1200亿元,利润率为39%。
由此可知,攻克先进工艺是中国集成电路产业通往技术高地和利润高地的必由之路,晚攻克不如早攻克。
目前,台积电、三星、英特尔是最主要的先进工艺晶圆代工企业,都具备5 nm节点先进工艺的生产能力;中国大陆企业具备14 nm节点先进工艺的代工能力,但在10 nm及以下节点先进工艺的生产能力上,与国外及中国台湾地区企业相比还有一定的技术差距。
2.3 先进工艺——三维集成技术发展现状自FinFET技术开始,集成电路在物理上的第三个维度成为研究人员重点开拓的领域,已发展出器件级三维集成、电路级三维集成、芯片级三维集成等方向。
2.3.1 器件级三维集成——环栅场效应晶体管FinFET技术已经发展接近10年,推动集成电路进入5 nm先进工艺节点。
然而该技术对维持MOSFET器件的正常工作却越发“力不从心”,尤其是难以较好地控制泄漏电流。
为了进一步提升栅电压对沟道电流的控制能力,一个必然的趋势是将MOSFET扁平的沟道“悬空”,再次提升栅电压的控制面积(图4(a)),并彻底切断来自硅衬底区域的泄漏电流。
这种结构的MOSFET称之为“纳米片晶体管”。
纳米片晶体管延伸出的另一种结构是“纳米线晶体管”,该结构将扁平的沟道制成圆柱形(图4(b))。
通常,纳米片晶体管和纳米线晶体管统称为环栅场效应晶体管(Gate-All-Around Field-Effect Transistor, GAAFET)。
图4 纳米片晶体管器件结构(a)与纳米线晶体管器件结构(b)MOSFET包含N型(NMOS)和P型(PMOS)晶体管2种类型,N型和P型晶体管构成反向器单元,在此基础上通过反相器和晶体管的复杂组合最终形成集成电路。
GAAFET技术为集成电路布局提供了另一种方式:将N型和P型晶体管沿垂直方向堆叠,以器件级三维集成的方式形成反向器,或堆叠多层,形成更为复杂的结构单元(图5(a)),这样既可以显著提升电路集成度,又可以提升电路性能(图5(b))。
图5 英特尔三维堆叠互补金属氧化物半导体(CMOS)反相器透射电子显微镜图(a)与电学特性以及NMOS和PMOS晶体管电学性能(b)三星和英特尔将GAAFET技术作为下一代芯片的技术选择;台积电宣布3 nm节点仍采用FinFET技术,但未来2 nm节点也将采用GAAFET技术。
虽然台积电、三星、英特尔都已完成GAAFET技术的前期论证,但是该技术最终能否实现量产化,还取决于芯片制造的技术难题能否被全部攻克,特别是芯片良率问题。