集成電路器件工藝先導技術研究進展

路文明 劉強

摘要：集成電路（IC）產業是知識密集型、技術密集型和資本密集型產業。集成電源的出現給電子行業帶來了新的機遇。集成電路產業作為國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性和主導性產業，具有很強的創新性和綜合性，已經滲透到人們的生活、生產和國防安全中。憑借強大的集成電路技術和產業，它已經成為邁向創新型國家的重要標志。

關鍵詞：集成電路器件工藝;鰭式場效應晶體管;CMOS;

我國集成電路技術和產業經過了最新一輪的攻關，已經形成了較為系統的體系。分析了國內外集成電路制造技術和產業發展趨勢以及中國集成電路制造技術研發布局，概述了22～14 nm節點工藝研發成果、7 nm節點工藝關鍵技術進展以及5 nm以下節點工藝新結構、新材料技術研發情況。

一、先導技術研究布局

先導計劃布局從互補金屬氧化物半導體（CMOS）器件工藝關鍵技術（22/14 nm，7-5-3 nm）到新型存儲器技術。IMECAS聯合國內高校和研究機構開展的CMOS器件工藝先導研究，主要圍繞CMOS晶體管微縮過程中的關鍵技術挑戰開展工作，包括納米圖形制造難度大、短溝道效應嚴重惡化、器件漏電大幅度增加、驅動電流明顯減少等問題，在大路徑下提出一些相應解決方案。開始做22 nm先導技術研發時，發明創新22～14nm器件的新材料、新結構和新工藝來突破挑戰，并形成了22～14 nm核心技術：高K/金屬柵工藝和三維鰭型柵器件。基于應用需求確立“專利導向戰略”，競爭激烈的主戰場，形成了很高的專利壁壘，2009年發明專利申請已分別超過3500項和2700項;確定“專利導向下的研發戰略”，研究“專利地圖”，有目標地突破壁壘，確立專利質量與數量同步目標，尋求局部特色的解決方案，占據自己的位置，為產業提供支撐。在集成電路這個行業里，主要的競爭手段就是專利，也就是創新技術，載體就在IP上，IP現在主要體現在專利上。以FinFET為例，做一些研究希望可以與產業界互有幫助，需要完成兩件事情：能幫助企業把事情做成;當事情做成后，有自己的IP保護，而不是說全都是別人的東西。一邊鼓勵企業做自己的專利，一邊做研究能夠在一些未知的新領域上找到自己的地盤：首先就要分析整個行業的專利地圖，發現有哪些機會，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，再通過研究驗證這些專利，有些淘汰了，有些完善了;最后研究結果與方案吻合，繼續推進下去。面向產業應用的先導研究與純粹自由探索的研究的差異在于：先導研究用戶力很強，IP先行，基礎研究就是走到哪兒算哪兒。圖1為先導專項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器件工藝先導研究成果

22～14 nm器件工藝先導研究完成3項關鍵技術：高K/金屬柵多元新材料、疊層結構及調控和全后柵集成技術;22 nm CMOS器件溝道應變、摻雜改性和低阻接觸新技術;14 nm三維FinFET金屬柵材料、溝道結構和自隔離新技術。突破了一系列器件結構和工藝實現方法，建立了22～14 nm新器件、新工藝的“局部”創新體系，形成了自己的特色;獲得發明專利授權435項，包括美國專利192項，形成了系統性的自主知識產權體系。2012年，國內首次建立22 nm高K/金屬柵CMOS器件先導工藝，成功研制出良好性能的22 nm CMOS器件，與國際同類技術參數對比，等效柵介質厚度（EOT）、器件閾值電壓（V）、t PMOS驅動電流等參數占優，其他參數相當。14 nm器件集成驗證結果顯示：與國際同類先進技術相比，硅Fin三維尺寸、柵長、亞閾值開關電學特性等達到同一水平;新結構MSD FOI FinFET的電流開關比具有明顯優勢。22～14 nm關鍵工藝成果在國內主要企業中芯國際、武漢新芯12寸生產線進行了驗證開發，多項發明進入實際應用。

三、集成電路技術發展的方向

最近幾年，業界一直在討論摩爾定律是否會終止，后摩爾時代將要到來。嚴格來講，摩爾定律從來不是一個科學定律，它只是一個預測，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，其實并非如此。摩爾定律是對性能的要求，當然提到器件性能，集成度是第一位的，也就是功能集成，當然還包括速度要提高、功耗要降低，相關性能都要往前發展。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，但其實摩爾最早提出的非縮比驅動（non-scaling driven），也即從應用角度增加人與環境的交互的多種非數字功能，例如光電子、模擬器件，正走向另一個應用的路徑，芯片之外的系統級集成（SiP）也開始在做功能的提升。微電子學家胡正明曾指出集成電路還可持續發展100年。未來，在集成電路技術實現路徑上，有可能會繼續等比例縮下去，縮到了極限便從平面發展到三維。會不會有一種新的路徑、新的器件出來能夠替代現在的微電子器件，2000年左右，時任美國總統克林頓提議發展納米技術，從而引發了納米器件會不會替代現在微電子器件的熱議。

總之，未來挑戰和機遇并存，因為廣度、深度、復雜度俱在，此時無論做哪一點，集中精力、保持定力，一代一代做下去，一定會有自己的特點。

參考文獻

[1]張原.我國集成電路產業發展之路.2019.

[2]王永萍，淺談集成電路器件工藝先導技術研究進展.2020.