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半导体技术进步呼唤高性能材料

  
  进入21世纪,人类步入电子信息时代。多功能化、便携化、迅捷化已经成为电子产品发展趋势,数字化、网络化等已经成为信息技术发展方向。作为信息产业基石的半导体产业的技术进步,无疑会很大程度上决定着信息化速度和电子产品更新换代进程。半导体产业技术进步,是以新材料和器件技术推进为前提的,往往是新的功能需要技术进步,技术进步又呼唤新高性能材料出现。 

  半导体技术进步 

  与材料息息相关 

  如今,器件早以由分立迈入集成。集成电路芯片的出现,给人们生活带来了深刻变化,出于更快信息处理能力、更大容量信息存贮需要,集成电路技术进步正以更高的速度进行着。根据摩尔定律,每隔18个月,集成电路芯片单位面积上集成晶体管个数会翻一番,性能也会提高一倍,价格也将下降一半。目前,集成电路技术已经发展到100nm以下,90nm已经实现产业化,Intel公司的65nm产品已经展示。这里的集成电路百纳米以下技术不同于通常说的"研究电子、原子和分子运动规律和特性"的纳米技术,纳米级的芯片制造工艺实际只是晶体管间的连线宽度的减小。与此同时,用于制造芯片的硅抛光片、外延片主流尺寸也正由8英寸向12英寸过渡。18英寸由于投资回收期太长,所以能不能发展、在何时发展还是个未知数。当芯片线宽尺寸降低到50nm以下时,集成电路将进入SoC(systemonchip)阶段。 

  芯片制造领域的90纳米与当前*流行的0.13微米工艺之间的差别,并不仅仅是数字上的差别,而且也是技术与材料差别。英特尔在90纳米工艺中,引入了应变硅(StrainedSilicon)、高速铜互连以及新型低介电质(Low-K)绝缘材料等*技术,同时也带来了更高性能、更低功耗的晶体管。其中,颇为关键的低介电质材料能提高芯片中的信号速度和减少芯片功耗,甚至被认为是采用90纳米技术的芯片厂商能否生存的*大挑战。 

  应变硅技术也是90纳米工艺中*主要的特色技术,英特尔通过这种材料影响电流以提高晶体管的运行速度、提高芯片的工作频率。 

  集成电路线宽的降低,对硅材料杂质含量等提出了更高要求,根据ITRS所载,以12英寸115nm和100nm技术比较为例:边缘扣除从3mm发展到2mm,微区平面度从≤115nm提高到≤100nm,金属和颗粒含量等要求也有所提高。 

  同时对集成电路制造中所需光刻胶、超净高纯试剂等提出了更高规格的要求,也推动了封装技术的发展,出现了一批新的封装形式和封装材料,可见,半导体技术进步是与材料性能提高和新高性能材料出现息息相关的。 

  发展IC制造用材料 

  促进集成电路产业健康发展 

  世界集成电路还主要以硅集成电路为主,SOI、SiGe、GaAs等集成电路所占比例还不是很大。目前,硅集成电路正向大尺寸、窄线宽方向发展,现已发展到12英寸90nm水平。12英寸生产线在全世界已有40多条,而我国只有中芯国际在北京的1条生产线。根据SEMI资料,2004年世界不同国家及地区12英寸线生产能力比例,见图1。 

  当今,世界集成电路制造业以8英寸线的投片量(按平方英寸计算)为*大,2004年世界不同尺寸集成电路生产线的月投片量,见图2。 

  截至2004年,我国8英寸生产线有10条,主要集中在上海、苏州等地,月投片量已经接近30万片。但8英寸、12英寸抛光片、外延片基本从国外进口,*次高纯试剂、光刻胶也要从国外进口,无形中提高了制造成本,不利于芯片制造业发展。 

  从整个集成电路产业发展来看,除2001年跌入低谷后,一直快速发展。因此,上游硅片行业出货量正反映了下游集成电路的发展。 

  从集成电路芯片行业来说,更高性能追求似乎是永无止境的。尤其是操作系统升级,多媒体应用的增强,网络游戏、3D游戏的兴起,无不对集成电路性能提出更高要求。因此,许多新技术、新材料被应用到设计、芯片制造、封装中,集成电路进入了百纳米以下,封装也进入高密度封装时代。在集成电路进入了百纳米以下后,体硅材料和工艺正接近它们的物理极限,要进一步提高芯片的集成度和运行速度,需要研制和生产出新的具有更高性能的材料。SOI材料具有电路速度高、高密度、抗辐射、低功耗、耐高温等特点,同时具有简化工艺流程、提高集成密度、减小软误差等优势,是解决超大规模集成电路功耗危机的关键技术,被誉为"21世纪的新型硅基集成电路技术",国际上已有直径8英寸的SOI材料出售。IBM、Intel公司已在其130纳米技术代集成电路产品中开始采用SOI技术。可以看出,绝缘体上硅(SOI)晶圆现在已成为一种很好的技术选择,SOI技术有望在45nm以下技术中取代体硅技术成为集成电路的主流技术。 

  总之,集成电路行业发展材料无疑占有很关键地位,是基础和先导。只有集成电路制造所用材料配套速度跟上来,集成电路产业才能健康、快速发展,否则总会出现受制于人的局面,不利于整个产业链的良性发展。 

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