HKMG技术全球相关专利分析

董 乐 王建霞

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450002）

HKMG技术全球相关专利分析

董 乐 王建霞

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450002）

本文从专利文献的角度对金属氧化物半导体场效应晶体管中HKMG技术的发展进行了统计分析，介绍了HKMG技术的专利布局情况，为国内相关行业提供参考。

HKMG；CMOS；栅极漏电流；专利分析

1 引言

金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）领域，2007年Intel在45nm工艺时率先启用了高介电常数金属栅极（High-k/Metal Gate，HKMG）技术[1]，即采用基于金属铪（Hafnium)的氧化物作为栅极电介质，TiN替代传统的多晶硅栅极作为金属栅极。HKMG技术，有效支持由NMOS晶体管和PMOS晶体管共同构成的互补金属-氧化物-半导体(CMOS，complementary metal oxide semiconductor)场效应晶体管技术向28nm及以下技术代前进，并成为CMOS器件结构的新分水岭。本文以基于HKMG技术的晶体管的全球专利文献作为分析对象，对该行业的专利技术进行研究，梳理了小尺寸CMOS器件的关键技术HK⁃MG的发展脉络。

2 HKMG申请数据分析

2.1 历年专利申请量状况分析

图1示出了关于HKMG技术的国内专利申请、国外专利申请以及全球总申请的历年专利申请量的分布情况。由上图可看出，自1998年出现HKMG的第一项专利起至2004年，处于该技术的萌芽期。随着半导体器件尺寸的不断缩小对新材料、新结构的需求，业内人士开始寻找代替二氧化硅栅介质层的绝缘材料，以更好地适应栅极和晶体管的其他部分，因此在2004年到2006年出现了一个申请量的小高峰，进入了该技术的缓慢发展期，且在该阶段研究发现，基于金属铪的氧化物具有高k的潜质，不过这种材料作为新的栅极介质层和原来的作为栅极的多晶硅并不兼容，于是在2007年的申请量出现了一个略下降。但在2007年，Intel首次推出金属栅极与高k介质层结合的技术应用于45nm的制备工艺中，使得2007年成为HKMG里程碑式的一年，并在从2007年之后的数年中，HKMG领域的申请量都处于快速增长状态，即从2007年至2014年，进入了HKMG技术的快速发展期，在这个阶段中，业内从高k介质层材料、金属栅极的种类，各种改进结构，以及各种具体的工艺进行了优化，并推动工艺代从45nm进入28nm，22nm。同时可以看出2015年的申请量相对于2014年的有不小幅度的下降，这一方面是由于专利申请18个月公开的影响，另一方面可能也暗示了该领域可能已进入发展的平缓期。

图1 HKMG历年专利申请量分布

图1同样示出了HKMG在中国历年专利申请量以及国外申请量的分布情况。从上图中可以看出，中国专利历年申请量呈现先增长后降低的趋势，与国外专利申请量的发展走势基本相同。但我国在2002年才开始对HK⁃MG技术进行研究，相比于全球申请量萌芽期的1998年，晚了4年。之后也开始在该领域投入研发精力，呈现了从2008年到2012年的快速增长，并在2012年达到申请量的顶峰。从图1还可看出，国外专利的申请数量从1998年出现开始，一直到2014年都处于增长趋势，2015年略有下降，这可能是受18个月公开的影响，国外申请目前处于发展比较平稳的状态，单从检索时大部分的专利还处于18个月的公开期内可以判断，2015年的国外申请量应该不会比2014年的少，即目前国外关于HKMG的申请应该还不至于在2015年开始下降。由上述分析可看出，国内对HKMG技术的专利申请的退潮比国外要早两到三年，这可能是因为国内对该技术的掌控能力依然不如国外，且目前的研发改进暂时达到技术改进的瓶颈期。同时从图1还可看出，正是因为国内申请量从2012年开始下降，导致全球申请量的下降。

2.2 主要申请人状况分析

2.2.1 国外专利申请主要申请人状况分析

图2给出了HKMG技术领域国外专利申请中申请量排名前10位的申请人。在该技术领域的842篇文献中，上述10位申请人所占申请量为323篇，只占总申请的38%，说明国外关于该技术领域的申请人较为分散。原因可能是HKMG技术的出现，引起了业内各技术人员的强烈关注以及相继尝试，可见新技术的出现对整个社会所具有的强大推动力。但这些申请人的申请量都在6篇以下，且这样的申请人多达300位以上，这可能是因为该技术的实现成本较高，导致这些分散的申请人只能在边缘技术逗留且申请量很少。在这10位申请人中，格罗方德公司申请量高居榜首，是该技术领域中的主导企业，但格罗方德首次申请的时间是2008年，虽说起步晚，但后期资金注入、研究人员注入都较多，使得其后来者居上，专利布局占据了很大一部分。其次，IBM，台湾积体电路制造股份有限公司仅随其后，这些企业在全球范围内都具备一定的竞争实力。但首次在产业上采用该技术的Intel的申请量并不多，这可能是因为其一直处于行业的领头地位，前期的专利已占领，后续将主要精力放在新的技术上。

图2 国外申请的主要申请人分布

入围前10名的申请人中，美国7位、台湾2位，韩国1位，表明在半导体电子器件领域，美国、台湾、韩国的金三角组合。图3示出了上述3个国家中各个国家的专利申请量所占比例，可看出美国的申请量占比最大，在HKMG技术领域的技术水平遥遥领先，上述美国的申请人多为半导体领域的国际大企业，且为该行业内关键技术的领头人。

图3 国外关于HKMG专利申请量排名前10位的申请人的地域分布

2.2.2 国内申请主要申请人状况分析

从图4可看出，国内申请中，中芯国际（上海）有限公司的申请量遥遥领先，而随后的是台积电、中科院微电子所。可以看出，上述10位申请人中，中国4位，美国4位，台湾2位。本土的企业申请人在国内申请量位于前10为的重要申请人中仅占到4成，可见国内对该技术的掌控能力依然比较弱。但国内申请人在该领域内涉及较晚的情况下，依然保持着较高的发展劲头

3 主要申请人在各技术分支的专利布局

3.1 中芯国际中国专利申请的技术分支布局

图4 国内申请的主要申请人分布

HKMG技术存在的技术问题主要有：器件稳定性、界面陷阱、费米钉扎效应及其他问题等，这些问题严重影响着HKMG器件性能的提高。关于HKMG的专利申请几乎都涉及提高器件性能方面的改进。针对这些技术问题及器件性能改进，主要的技术手段分为以下几种：器件稳定性（A1），其主要包括器件阈值电压方面的改进，BTI、TDDB方面的改进，EOT方面，其他稳定性方面改进；界面陷阱方面（A2）；费米钉扎方面（A3）；其他（A4，如涉及沟道中应力改进、降低接触电阻、降低寄生电容、器件性能测试类等）。并按照上述七个技术分支对主要申请人的专利布局进行分析。具体分析结果如图5。

比较A1、A2、A3的申请量可看出，对于A1改进的申请量要远远大于A2、A3，可确定上述关于HK⁃MG的改进最重要的是器件的稳定性问题。从图5中还可以看出，因A4包括了除去A1、A2、A3之外的其他所有申请，且HKMG工艺有很多改进点，A4的申请量比A1的要多，也可看出HKMG的改进技术较为分散。

3.2 格罗方德专利申请的技术分支布局

从图6可以看出，格罗方德于2008年开始有关于HKMG的申请，可见其也属于起步较晚的公司，但在全球的申请量却很靠前，这说明其在后期的关注度较高。因在其申请中，仅有2篇是采用先栅工艺制备的（未给出示图），因此可看出格罗方德在进入该领域的研究时，已经意识到后栅工艺所具有的巨大潜力，即先栅工艺在越来越小的器件制备中没有竞争力，故而将几乎所有的研发重点都放在的后栅工艺中。

同时从图6可以看出，在2009-2011年，对A1器件稳定性方面的研究要远远大于对于界面陷阱、费米钉扎效应的研究，可以看出器件稳定性在尺寸缩小的晶体管中所占据的重要地位。跟中芯国际相似，A4的申请量要远远多于A1、A2、A3的申请量，这是因为A4包括了除去A1、A2、A3之外的所有申请，可看出HKMG的改进技术点较多，分散到很多个技术分支点。

4 总结

本文通过对国内外主要专利申请人、主要的技术分支进行分析，发现目前国内的HK⁃MG技术相对于国外还有很大的差距，且主要重点申请人75%分布在美国；并且HKMG目前主要采用后栅工艺，且采用的是后栅工艺中的后高k后栅极工艺；在HKMG性能改进方面主要集中在器件稳定性方面的改进。通过上述HKMG相关专利的分析，对采用HKMG技术进行制造的电子器件行业行业提供参考。

图5 中芯国际历年各技术分支申请量分析

图6 格罗方德全球申请历年各技术分支布局

［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

董乐（1980-），女，本科，主任科员，研究方向：计算机技术；王建霞（1986-），女，博士研究生，助理研究员，研究方向：半导体器件的制备方法及设备（等同于第一作者）。