路文明 劉強(qiáng)

摘要：集成電路（IC）產(chǎn)業(yè)是知識密集型、技術(shù)密集型和資本密集型產(chǎn)業(yè)。集成電源的出現(xiàn)給電子行業(yè)帶來了新的機(jī)遇。集成電路產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和主導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性和綜合性，已經(jīng)滲透到人們的生活、生產(chǎn)和國防安全中。憑借強(qiáng)大的集成電路技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，它已經(jīng)成為邁向創(chuàng)新型國家的重要標(biāo)志。

關(guān)鍵詞：集成電路器件工藝;鰭式場效應(yīng)晶體管;CMOS;

我國集成電路技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了最新一輪的攻關(guān)，已經(jīng)形成了較為系統(tǒng)的體系。分析了國內(nèi)外集成電路制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢以及中國集成電路制造技術(shù)研發(fā)布局，概述了22～14 nm節(jié)點(diǎn)工藝研發(fā)成果、7 nm節(jié)點(diǎn)工藝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展以及5 nm以下節(jié)點(diǎn)工藝新結(jié)構(gòu)、新材料技術(shù)研發(fā)情況。

一、先導(dǎo)技術(shù)研究布局

先導(dǎo)計(jì)劃布局從互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件工藝關(guān)鍵技術(shù)（22/14 nm，7-5-3 nm）到新型存儲器技術(shù)。IMECAS聯(lián)合國內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)開展的CMOS器件工藝先導(dǎo)研究，主要圍繞CMOS晶體管微縮過程中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)開展工作，包括納米圖形制造難度大、短溝道效應(yīng)嚴(yán)重惡化、器件漏電大幅度增加、驅(qū)動電流明顯減少等問題，在大路徑下提出一些相應(yīng)解決方案。開始做22 nm先導(dǎo)技術(shù)研發(fā)時，發(fā)明創(chuàng)新22～14nm器件的新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝來突破挑戰(zhàn)，并形成了22～14 nm核心技術(shù)：高K/金屬柵工藝和三維鰭型柵器件。基于應(yīng)用需求確立“專利導(dǎo)向戰(zhàn)略”，競爭激烈的主戰(zhàn)場，形成了很高的專利壁壘，2009年發(fā)明專利申請已分別超過3500項(xiàng)和2700項(xiàng);確定“專利導(dǎo)向下的研發(fā)戰(zhàn)略”，研究“專利地圖”，有目標(biāo)地突破壁壘，確立專利質(zhì)量與數(shù)量同步目標(biāo)，尋求局部特色的解決方案，占據(jù)自己的位置，為產(chǎn)業(yè)提供支撐。在集成電路這個行業(yè)里，主要的競爭手段就是專利，也就是創(chuàng)新技術(shù)，載體就在IP上，IP現(xiàn)在主要體現(xiàn)在專利上。以FinFET為例，做一些研究希望可以與產(chǎn)業(yè)界互有幫助，需要完成兩件事情：能幫助企業(yè)把事情做成;當(dāng)事情做成后，有自己的IP保護(hù)，而不是說全都是別人的東西。一邊鼓勵企業(yè)做自己的專利，一邊做研究能夠在一些未知的新領(lǐng)域上找到自己的地盤：首先就要分析整個行業(yè)的專利地圖，發(fā)現(xiàn)有哪些機(jī)會，哪些可以做;然后制定研究方案，甚至開始就把專利慢慢寫出來，再通過研究驗(yàn)證這些專利，有些淘汰了，有些完善了;最后研究結(jié)果與方案吻合，繼續(xù)推進(jìn)下去。面向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的先導(dǎo)研究與純粹自由探索的研究的差異在于：先導(dǎo)研究用戶力很強(qiáng)，IP先行，基礎(chǔ)研究就是走到哪兒算哪兒。圖1為先導(dǎo)專項(xiàng)分析國際集成電路專利地圖之后，指定出的研究方案。

二、22～14 nm器件工藝先導(dǎo)研究成果

22～14 nm器件工藝先導(dǎo)研究完成3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：高K/金屬柵多元新材料、疊層結(jié)構(gòu)及調(diào)控和全后柵集成技術(shù);22 nm CMOS器件溝道應(yīng)變、摻雜改性和低阻接觸新技術(shù);14 nm三維FinFET金屬柵材料、溝道結(jié)構(gòu)和自隔離新技術(shù)。突破了一系列器件結(jié)構(gòu)和工藝實(shí)現(xiàn)方法，建立了22～14 nm新器件、新工藝的“局部”創(chuàng)新體系，形成了自己的特色;獲得發(fā)明專利授權(quán)435項(xiàng)，包括美國專利192項(xiàng)，形成了系統(tǒng)性的自主知識產(chǎn)權(quán)體系。2012年，國內(nèi)首次建立22 nm高K/金屬柵CMOS器件先導(dǎo)工藝，成功研制出良好性能的22 nm CMOS器件，與國際同類技術(shù)參數(shù)對比，等效柵介質(zhì)厚度（EOT）、器件閾值電壓（V）、t PMOS驅(qū)動電流等參數(shù)占優(yōu)，其他參數(shù)相當(dāng)。14 nm器件集成驗(yàn)證結(jié)果顯示：與國際同類先進(jìn)技術(shù)相比，硅Fin三維尺寸、柵長、亞閾值開關(guān)電學(xué)特性等達(dá)到同一水平;新結(jié)構(gòu)MSD FOI FinFET的電流開關(guān)比具有明顯優(yōu)勢。22～14 nm關(guān)鍵工藝成果在國內(nèi)主要企業(yè)中芯國際、武漢新芯12寸生產(chǎn)線進(jìn)行了驗(yàn)證開發(fā)，多項(xiàng)發(fā)明進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用。

三、集成電路技術(shù)發(fā)展的方向

最近幾年，業(yè)界一直在討論摩爾定律是否會終止，后摩爾時代將要到來。嚴(yán)格來講，摩爾定律從來不是一個科學(xué)定律，它只是一個預(yù)測，是一個路線圖。等比縮小定律提出來之后，器件尺寸等比縮到1/3，就可以將集成度提高10倍，因此逐漸將摩爾定律等同于等比例縮小定律，其實(shí)并非如此。摩爾定律是對性能的要求，當(dāng)然提到器件性能，集成度是第一位的，也就是功能集成，當(dāng)然還包括速度要提高、功耗要降低，相關(guān)性能都要往前發(fā)展。多年前，等比例縮尺寸在1μm都可能是一個極限，亞微米都會讓人感覺很神秘。后來認(rèn)為100、20 nm會是一個極限，也均被超越了。尺寸微縮是一條路，但其實(shí)摩爾最早提出的非縮比驅(qū)動（non-scaling driven），也即從應(yīng)用角度增加人與環(huán)境的交互的多種非數(shù)字功能，例如光電子、模擬器件，正走向另一個應(yīng)用的路徑，芯片之外的系統(tǒng)級集成（SiP）也開始在做功能的提升。微電子學(xué)家胡正明曾指出集成電路還可持續(xù)發(fā)展100年。未來，在集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑上，有可能會繼續(xù)等比例縮下去，縮到了極限便從平面發(fā)展到三維。會不會有一種新的路徑、新的器件出來能夠替代現(xiàn)在的微電子器件，2000年左右，時任美國總統(tǒng)克林頓提議發(fā)展納米技術(shù)，從而引發(fā)了納米器件會不會替代現(xiàn)在微電子器件的熱議。

總之，未來挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存，因?yàn)閺V度、深度、復(fù)雜度俱在，此時無論做哪一點(diǎn)，集中精力、保持定力，一代一代做下去，一定會有自己的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張?jiān)?我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路.2019.

[2]王永萍，淺談集成電路器件工藝先導(dǎo)技術(shù)研究進(jìn)展.2020.