HKMG技術全球相關專利分析

董 樂 王建霞

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450002）

HKMG技術全球相關專利分析

董 樂 王建霞

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450002）

本文從專利文獻的角度對金屬氧化物半導體場效應晶體管中HKMG技術的發展進行了統計分析，介紹了HKMG技術的專利布局情況，為國內相關行業提供參考。

HKMG；CMOS；柵極漏電流；專利分析

1 引言

金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）領域，2007年Intel在45nm工藝時率先啟用了高介電常數金屬柵極（High-k/Metal Gate，HKMG）技術[1]，即采用基于金屬鉿（Hafnium)的氧化物作為柵極電介質，TiN替代傳統的多晶硅柵極作為金屬柵極。HKMG技術，有效支持由NMOS晶體管和PMOS晶體管共同構成的互補金屬-氧化物-半導體(CMOS，complementary metal oxide semiconductor)場效應晶體管技術向28nm及以下技術代前進，并成為CMOS器件結構的新分水嶺。本文以基于HKMG技術的晶體管的全球專利文獻作為分析對象，對該行業的專利技術進行研究，梳理了小尺寸CMOS器件的關鍵技術HK?MG的發展脈絡。

2 HKMG申請數據分析

2.1 歷年專利申請量狀況分析

圖1示出了關于HKMG技術的國內專利申請、國外專利申請以及全球總申請的歷年專利申請量的分布情況。由上圖可看出，自1998年出現HKMG的第一項專利起至2004年，處于該技術的萌芽期。隨著半導體器件尺寸的不斷縮小對新材料、新結構的需求，業內人士開始尋找代替二氧化硅柵介質層的絕緣材料，以更好地適應柵極和晶體管的其他部分，因此在2004年到2006年出現了一個申請量的小高峰，進入了該技術的緩慢發展期，且在該階段研究發現，基于金屬鉿的氧化物具有高k的潛質，不過這種材料作為新的柵極介質層和原來的作為柵極的多晶硅并不兼容，于是在2007年的申請量出現了一個略下降。但在2007年，Intel首次推出金屬柵極與高k介質層結合的技術應用于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年之后的數年中，HKMG領域的申請量都處于快速增長狀態，即從2007年至2014年，進入了HKMG技術的快速發展期，在這個階段中，業內從高k介質層材料、金屬柵極的種類，各種改進結構，以及各種具體的工藝進行了優化，并推動工藝代從45nm進入28nm，22nm。同時可以看出2015年的申請量相對于2014年的有不小幅度的下降，這一方面是由于專利申請18個月公開的影響，另一方面可能也暗示了該領域可能已進入發展的平緩期。

圖1 HKMG歷年專利申請量分布

圖1同樣示出了HKMG在中國歷年專利申請量以及國外申請量的分布情況。從上圖中可以看出，中國專利歷年申請量呈現先增長后降低的趨勢，與國外專利申請量的發展走勢基本相同。但我國在2002年才開始對HK?MG技術進行研究，相比于全球申請量萌芽期的1998年，晚了4年。之后也開始在該領域投入研發精力，呈現了從2008年到2012年的快速增長，并在2012年達到申請量的頂峰。從圖1還可看出，國外專利的申請數量從1998年出現開始，一直到2014年都處于增長趨勢，2015年略有下降，這可能是受18個月公開的影響，國外申請目前處于發展比較平穩的狀態，單從檢索時大部分的專利還處于18個月的公開期內可以判斷，2015年的國外申請量應該不會比2014年的少，即目前國外關于HKMG的申請應該還不至于在2015年開始下降。由上述分析可看出，國內對HKMG技術的專利申請的退潮比國外要早兩到三年，這可能是因為國內對該技術的掌控能力依然不如國外，且目前的研發改進暫時達到技術改進的瓶頸期。同時從圖1還可看出，正是因為國內申請量從2012年開始下降，導致全球申請量的下降。

2.2 主要申請人狀況分析

2.2.1 國外專利申請主要申請人狀況分析

圖2給出了HKMG技術領域國外專利申請中申請量排名前10位的申請人。在該技術領域的842篇文獻中，上述10位申請人所占申請量為323篇，只占總申請的38%，說明國外關于該技術領域的申請人較為分散。原因可能是HKMG技術的出現，引起了業內各技術人員的強烈關注以及相繼嘗試，可見新技術的出現對整個社會所具有的強大推動力。但這些申請人的申請量都在6篇以下，且這樣的申請人多達300位以上，這可能是因為該技術的實現成本較高，導致這些分散的申請人只能在邊緣技術逗留且申請量很少。在這10位申請人中，格羅方德公司申請量高居榜首，是該技術領域中的主導企業，但格羅方德首次申請的時間是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，專利布局占據了很大一部分。其次，IBM，臺灣積體電路制造股份有限公司僅隨其后，這些企業在全球范圍內都具備一定的競爭實力。但首次在產業上采用該技術的Intel的申請量并不多，這可能是因為其一直處于行業的領頭地位，前期的專利已占領，后續將主要精力放在新的技術上。

圖2 國外申請的主要申請人分布

入圍前10名的申請人中，美國7位、臺灣2位，韓國1位，表明在半導體電子器件領域，美國、臺灣、韓國的金三角組合。圖3示出了上述3個國家中各個國家的專利申請量所占比例，可看出美國的申請量占比最大，在HKMG技術領域的技術水平遙遙領先，上述美國的申請人多為半導體領域的國際大企業，且為該行業內關鍵技術的領頭人。

圖3 國外關于HKMG專利申請量排名前10位的申請人的地域分布

2.2.2 國內申請主要申請人狀況分析

從圖4可看出，國內申請中，中芯國際（上海）有限公司的申請量遙遙領先，而隨后的是臺積電、中科院微電子所?？梢钥闯觯鲜?0位申請人中，中國4位，美國4位，臺灣2位。本土的企業申請人在國內申請量位于前10為的重要申請人中僅占到4成，可見國內對該技術的掌控能力依然比較弱。但國內申請人在該領域內涉及較晚的情況下，依然保持著較高的發展勁頭

3 主要申請人在各技術分支的專利布局

3.1 中芯國際中國專利申請的技術分支布局

圖4 國內申請的主要申請人分布

HKMG技術存在的技術問題主要有：器件穩定性、界面陷阱、費米釘扎效應及其他問題等，這些問題嚴重影響著HKMG器件性能的提高。關于HKMG的專利申請幾乎都涉及提高器件性能方面的改進。針對這些技術問題及器件性能改進，主要的技術手段分為以下幾種：器件穩定性（A1），其主要包括器件閾值電壓方面的改進，BTI、TDDB方面的改進，EOT方面，其他穩定性方面改進；界面陷阱方面（A2）；費米釘扎方面（A3）；其他（A4，如涉及溝道中應力改進、降低接觸電阻、降低寄生電容、器件性能測試類等）。并按照上述七個技術分支對主要申請人的專利布局進行分析。具體分析結果如圖5。

比較A1、A2、A3的申請量可看出，對于A1改進的申請量要遠遠大于A2、A3，可確定上述關于HK?MG的改進最重要的是器件的穩定性問題。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，且HKMG工藝有很多改進點，A4的申請量比A1的要多，也可看出HKMG的改進技術較為分散。

3.2 格羅方德專利申請的技術分支布局

從圖6可以看出，格羅方德于2008年開始有關于HKMG的申請，可見其也屬于起步較晚的公司，但在全球的申請量卻很靠前，這說明其在后期的關注度較高。因在其申請中，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入該領域的研究時，已經意識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爭力，故而將幾乎所有的研發重點都放在的后柵工藝中。

同時從圖6可以看出，在2009-2011年，對A1器件穩定性方面的研究要遠遠大于對于界面陷阱、費米釘扎效應的研究，可以看出器件穩定性在尺寸縮小的晶體管中所占據的重要地位。跟中芯國際相似，A4的申請量要遠遠多于A1、A2、A3的申請量，這是因為A4包括了除去A1、A2、A3之外的所有申請，可看出HKMG的改進技術點較多，分散到很多個技術分支點。

4 總結

本文通過對國內外主要專利申請人、主要的技術分支進行分析，發現目前國內的HK?MG技術相對于國外還有很大的差距，且主要重點申請人75%分布在美國；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性能改進方面主要集中在器件穩定性方面的改進。通過上述HKMG相關專利的分析，對采用HKMG技術進行制造的電子器件行業行業提供參考。

圖5 中芯國際歷年各技術分支申請量分析

圖6 格羅方德全球申請歷年各技術分支布局

［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：計算機技術；王建霞（1986-），女，博士研究生，助理研究員，研究方向：半導體器件的制備方法及設備（等同于第一作者）。