董 樂 王建霞

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450002）

HKMG技術(shù)全球相關(guān)專利分析

董 樂 王建霞

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南 鄭州 450002）

本文從專利文獻(xiàn)的角度對(duì)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管中HKMG技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，介紹了HKMG技術(shù)的專利布局情況，為國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供參考。

HKMG；CMOS；柵極漏電流；專利分析

1 引言

金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）領(lǐng)域，2007年Intel在45nm工藝時(shí)率先啟用了高介電常數(shù)金屬柵極（High-k/Metal Gate，HKMG）技術(shù)[1]，即采用基于金屬鉿（Hafnium)的氧化物作為柵極電介質(zhì)，TiN替代傳統(tǒng)的多晶硅柵極作為金屬柵極。HKMG技術(shù)，有效支持由NMOS晶體管和PMOS晶體管共同構(gòu)成的互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體(CMOS，complementary metal oxide semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)向28nm及以下技術(shù)代前進(jìn)，并成為CMOS器件結(jié)構(gòu)的新分水嶺。本文以基于HKMG技術(shù)的晶體管的全球?qū)＠墨I(xiàn)作為分析對(duì)象，對(duì)該行業(yè)的專利技術(shù)進(jìn)行研究，梳理了小尺寸CMOS器件的關(guān)鍵技術(shù)HK?MG的發(fā)展脈絡(luò)。

2 HKMG申請(qǐng)數(shù)據(jù)分析

2.1 歷年專利申請(qǐng)量狀況分析

圖1示出了關(guān)于HKMG技術(shù)的國(guó)內(nèi)專利申請(qǐng)、國(guó)外專利申請(qǐng)以及全球總申請(qǐng)的歷年專利申請(qǐng)量的分布情況。由上圖可看出，自1998年出現(xiàn)HKMG的第一項(xiàng)專利起至2004年，處于該技術(shù)的萌芽期。隨著半導(dǎo)體器件尺寸的不斷縮小對(duì)新材料、新結(jié)構(gòu)的需求，業(yè)內(nèi)人士開始尋找代替二氧化硅柵介質(zhì)層的絕緣材料，以更好地適應(yīng)柵極和晶體管的其他部分，因此在2004年到2006年出現(xiàn)了一個(gè)申請(qǐng)量的小高峰，進(jìn)入了該技術(shù)的緩慢發(fā)展期，且在該階段研究發(fā)現(xiàn)，基于金屬鉿的氧化物具有高k的潛質(zhì)，不過這種材料作為新的柵極介質(zhì)層和原來的作為柵極的多晶硅并不兼容，于是在2007年的申請(qǐng)量出現(xiàn)了一個(gè)略下降。但在2007年，Intel首次推出金屬柵極與高k介質(zhì)層結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用于45nm的制備工藝中，使得2007年成為HKMG里程碑式的一年，并在從2007年之后的數(shù)年中，HKMG領(lǐng)域的申請(qǐng)量都處于快速增長(zhǎng)狀態(tài)，即從2007年至2014年，進(jìn)入了HKMG技術(shù)的快速發(fā)展期，在這個(gè)階段中，業(yè)內(nèi)從高k介質(zhì)層材料、金屬柵極的種類，各種改進(jìn)結(jié)構(gòu)，以及各種具體的工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并推動(dòng)工藝代從45nm進(jìn)入28nm，22nm。同時(shí)可以看出2015年的申請(qǐng)量相對(duì)于2014年的有不小幅度的下降，這一方面是由于專利申請(qǐng)18個(gè)月公開的影響，另一方面可能也暗示了該領(lǐng)域可能已進(jìn)入發(fā)展的平緩期。

圖1 HKMG歷年專利申請(qǐng)量分布

圖1同樣示出了HKMG在中國(guó)歷年專利申請(qǐng)量以及國(guó)外申請(qǐng)量的分布情況。從上圖中可以看出，中國(guó)專利歷年申請(qǐng)量呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后降低的趨勢(shì)，與國(guó)外專利申請(qǐng)量的發(fā)展走勢(shì)基本相同。但我國(guó)在2002年才開始對(duì)HK?MG技術(shù)進(jìn)行研究，相比于全球申請(qǐng)量萌芽期的1998年，晚了4年。之后也開始在該領(lǐng)域投入研發(fā)精力，呈現(xiàn)了從2008年到2012年的快速增長(zhǎng)，并在2012年達(dá)到申請(qǐng)量的頂峰。從圖1還可看出，國(guó)外專利的申請(qǐng)數(shù)量從1998年出現(xiàn)開始，一直到2014年都處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，2015年略有下降，這可能是受18個(gè)月公開的影響，國(guó)外申請(qǐng)目前處于發(fā)展比較平穩(wěn)的狀態(tài)，單從檢索時(shí)大部分的專利還處于18個(gè)月的公開期內(nèi)可以判斷，2015年的國(guó)外申請(qǐng)量應(yīng)該不會(huì)比2014年的少，即目前國(guó)外關(guān)于HKMG的申請(qǐng)應(yīng)該還不至于在2015年開始下降。由上述分析可看出，國(guó)內(nèi)對(duì)HKMG技術(shù)的專利申請(qǐng)的退潮比國(guó)外要早兩到三年，這可能是因?yàn)閲?guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的掌控能力依然不如國(guó)外，且目前的研發(fā)改進(jìn)暫時(shí)達(dá)到技術(shù)改進(jìn)的瓶頸期。同時(shí)從圖1還可看出，正是因?yàn)閲?guó)內(nèi)申請(qǐng)量從2012年開始下降，導(dǎo)致全球申請(qǐng)量的下降。

2.2 主要申請(qǐng)人狀況分析

2.2.1 國(guó)外專利申請(qǐng)主要申請(qǐng)人狀況分析

圖2給出了HKMG技術(shù)領(lǐng)域國(guó)外專利申請(qǐng)中申請(qǐng)量排名前10位的申請(qǐng)人。在該技術(shù)領(lǐng)域的842篇文獻(xiàn)中，上述10位申請(qǐng)人所占申請(qǐng)量為323篇，只占總申請(qǐng)的38%，說明國(guó)外關(guān)于該技術(shù)領(lǐng)域的申請(qǐng)人較為分散。原因可能是HKMG技術(shù)的出現(xiàn)，引起了業(yè)內(nèi)各技術(shù)人員的強(qiáng)烈關(guān)注以及相繼嘗試，可見新技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)整個(gè)社會(huì)所具有的強(qiáng)大推動(dòng)力。但這些申請(qǐng)人的申請(qǐng)量都在6篇以下，且這樣的申請(qǐng)人多達(dá)300位以上，這可能是因?yàn)樵摷夹g(shù)的實(shí)現(xiàn)成本較高，導(dǎo)致這些分散的申請(qǐng)人只能在邊緣技術(shù)逗留且申請(qǐng)量很少。在這10位申請(qǐng)人中，格羅方德公司申請(qǐng)量高居榜首，是該技術(shù)領(lǐng)域中的主導(dǎo)企業(yè)，但格羅方德首次申請(qǐng)的時(shí)間是2008年，雖說起步晚，但后期資金注入、研究人員注入都較多，使得其后來者居上，專利布局占據(jù)了很大一部分。其次，IBM，臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司僅隨其后，這些企業(yè)在全球范圍內(nèi)都具備一定的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。但首次在產(chǎn)業(yè)上采用該技術(shù)的Intel的申請(qǐng)量并不多，這可能是因?yàn)槠湟恢碧幱谛袠I(yè)的領(lǐng)頭地位，前期的專利已占領(lǐng)，后續(xù)將主要精力放在新的技術(shù)上。

圖2 國(guó)外申請(qǐng)的主要申請(qǐng)人分布

入圍前10名的申請(qǐng)人中，美國(guó)7位、臺(tái)灣2位，韓國(guó)1位，表明在半導(dǎo)體電子器件領(lǐng)域，美國(guó)、臺(tái)灣、韓國(guó)的金三角組合。圖3示出了上述3個(gè)國(guó)家中各個(gè)國(guó)家的專利申請(qǐng)量所占比例，可看出美國(guó)的申請(qǐng)量占比最大，在HKMG技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)水平遙遙領(lǐng)先，上述美國(guó)的申請(qǐng)人多為半導(dǎo)體領(lǐng)域的國(guó)際大企業(yè)，且為該行業(yè)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)的領(lǐng)頭人。

圖3 國(guó)外關(guān)于HKMG專利申請(qǐng)量排名前10位的申請(qǐng)人的地域分布

2.2.2 國(guó)內(nèi)申請(qǐng)主要申請(qǐng)人狀況分析

從圖4可看出，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)中，中芯國(guó)際（上海）有限公司的申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先，而隨后的是臺(tái)積電、中科院微電子所?？梢钥闯?，上述10位申請(qǐng)人中，中國(guó)4位，美國(guó)4位，臺(tái)灣2位。本土的企業(yè)申請(qǐng)人在國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量位于前10為的重要申請(qǐng)人中僅占到4成，可見國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的掌控能力依然比較弱。但國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人在該領(lǐng)域內(nèi)涉及較晚的情況下，依然保持著較高的發(fā)展勁頭

3 主要申請(qǐng)人在各技術(shù)分支的專利布局

3.1 中芯國(guó)際中國(guó)專利申請(qǐng)的技術(shù)分支布局

圖4 國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的主要申請(qǐng)人分布

HKMG技術(shù)存在的技術(shù)問題主要有：器件穩(wěn)定性、界面陷阱、費(fèi)米釘扎效應(yīng)及其他問題等，這些問題嚴(yán)重影響著HKMG器件性能的提高。關(guān)于HKMG的專利申請(qǐng)幾乎都涉及提高器件性能方面的改進(jìn)。針對(duì)這些技術(shù)問題及器件性能改進(jìn)，主要的技術(shù)手段分為以下幾種：器件穩(wěn)定性（A1），其主要包括器件閾值電壓方面的改進(jìn)，BTI、TDDB方面的改進(jìn)，EOT方面，其他穩(wěn)定性方面改進(jìn)；界面陷阱方面（A2）；費(fèi)米釘扎方面（A3）；其他（A4，如涉及溝道中應(yīng)力改進(jìn)、降低接觸電阻、降低寄生電容、器件性能測(cè)試類等）。并按照上述七個(gè)技術(shù)分支對(duì)主要申請(qǐng)人的專利布局進(jìn)行分析。具體分析結(jié)果如圖5。

比較A1、A2、A3的申請(qǐng)量可看出，對(duì)于A1改進(jìn)的申請(qǐng)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于A2、A3，可確定上述關(guān)于HK?MG的改進(jìn)最重要的是器件的穩(wěn)定性問題。從圖5中還可以看出，因A4包括了除去A1、A2、A3之外的其他所有申請(qǐng)，且HKMG工藝有很多改進(jìn)點(diǎn)，A4的申請(qǐng)量比A1的要多，也可看出HKMG的改進(jìn)技術(shù)較為分散。

3.2 格羅方德專利申請(qǐng)的技術(shù)分支布局

從圖6可以看出，格羅方德于2008年開始有關(guān)于HKMG的申請(qǐng)，可見其也屬于起步較晚的公司，但在全球的申請(qǐng)量卻很靠前，這說明其在后期的關(guān)注度較高。因在其申請(qǐng)中，僅有2篇是采用先柵工藝制備的（未給出示圖），因此可看出格羅方德在進(jìn)入該領(lǐng)域的研究時(shí)，已經(jīng)意識(shí)到后柵工藝所具有的巨大潛力，即先柵工藝在越來越小的器件制備中沒有競(jìng)爭(zhēng)力，故而將幾乎所有的研發(fā)重點(diǎn)都放在的后柵工藝中。

同時(shí)從圖6可以看出，在2009-2011年，對(duì)A1器件穩(wěn)定性方面的研究要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)于界面陷阱、費(fèi)米釘扎效應(yīng)的研究，可以看出器件穩(wěn)定性在尺寸縮小的晶體管中所占據(jù)的重要地位。跟中芯國(guó)際相似，A4的申請(qǐng)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于A1、A2、A3的申請(qǐng)量，這是因?yàn)锳4包括了除去A1、A2、A3之外的所有申請(qǐng)，可看出HKMG的改進(jìn)技術(shù)點(diǎn)較多，分散到很多個(gè)技術(shù)分支點(diǎn)。

4 總結(jié)

本文通過對(duì)國(guó)內(nèi)外主要專利申請(qǐng)人、主要的技術(shù)分支進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)的HK?MG技術(shù)相對(duì)于國(guó)外還有很大的差距，且主要重點(diǎn)申請(qǐng)人75%分布在美國(guó)；并且HKMG目前主要采用后柵工藝，且采用的是后柵工藝中的后高k后柵極工藝；在HKMG性能改進(jìn)方面主要集中在器件穩(wěn)定性方面的改進(jìn)。通過上述HKMG相關(guān)專利的分析，對(duì)采用HKMG技術(shù)進(jìn)行制造的電子器件行業(yè)行業(yè)提供參考。

圖5 中芯國(guó)際歷年各技術(shù)分支申請(qǐng)量分析

圖6 格羅方德全球申請(qǐng)歷年各技術(shù)分支布局

［1］K.Mistry et al.A 45nm Logic Technology with High-k+ Metal gate Transistors,Strained Silicon,9 Cu Interconnect Layers, 193nm Dry Patterning,and 100%Pb-free Packaging［J］.IEEE Int Electron Dev Meet，2007：247-250

［2］Tallarico AN,Cho M,Franco J,Ritzenthaler R,Togo M, Horiguchi N,Groeseneken G,Crupi F.Impact of the substrate ori?entation on CHC reliability in n-FinFETs—separation of the vari?ous contributions［J］.IEEE Trans Device Mater Reliab，2014（14）：52-56.

Global Patent Analysis of HKMG Technology

Dong Le Wang Jianxia
(Patent Examination Cooperation Center of the Patent office,SIPO,Zhengzhou Henan 450002)

The development of HKMG technology of MOSFETs was analyzed from the perspective of patent literature in this paper,and the patent portfolio of HKMG technology was introduced,which is hoped for providing reference for relevant industries in our country.

HKMG;CMOS;gate leakage current;patent analysis

F426.6

A

1003-5081（2017）02-0051-03

2017-1-29

董樂（1980-），女，本科，主任科員，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)；王建霞（1986-），女，博士研究生，助理研究員，研究方向：半導(dǎo)體器件的制備方法及設(shè)備（等同于第一作者）。