集成电路器件工艺先导技术研究进展

路文明 刘强

摘要：集成电路（IC）产业是知识密集型、技术密集型和资本密集型产业。集成电源的出现给电子行业带来了新的机遇。集成电路产业作为国民经济和社会发展的战略性、基础性和主导性产业，具有很强的创新性和综合性，已经渗透到人们的生活、生产和国防安全中。凭借强大的集成电路技术和产业，它已经成为迈向创新型国家的重要标志。

关键词：集成电路器件工艺;鳍式场效应晶体管;CMOS;

我国集成电路技术和产业经过了最新一轮的攻关，已经形成了较为系统的体系。分析了国内外集成电路制造技术和产业发展趋势以及中国集成电路制造技术研发布局，概述了22～14 nm节点工艺研发成果、7 nm节点工艺关键技术进展以及5 nm以下节点工艺新结构、新材料技术研发情况。

一、先导技术研究布局

先导计划布局从互补金属氧化物半导体（CMOS）器件工艺关键技术（22/14 nm，7-5-3 nm）到新型存储器技术。IMECAS联合国内高校和研究机构开展的CMOS器件工艺先导研究，主要围绕CMOS晶体管微缩过程中的关键技术挑战开展工作，包括纳米图形制造难度大、短沟道效应严重恶化、器件漏电大幅度增加、驱动电流明显减少等问题，在大路径下提出一些相应解决方案。开始做22 nm先导技术研发时，发明创新22～14nm器件的新材料、新结构和新工艺来突破挑战，并形成了22～14 nm核心技术：高K/金属栅工艺和三维鳍型栅器件。基于应用需求确立“专利导向战略”，竞争激烈的主战场，形成了很高的专利壁垒，2009年发明专利申请已分别超过3500项和2700项;确定“专利导向下的研发战略”，研究“专利地图”，有目标地突破壁垒，确立专利质量与数量同步目标，寻求局部特色的解决方案，占据自己的位置，为产业提供支撑。在集成电路这个行业里，主要的竞争手段就是专利，也就是创新技术，载体就在IP上，IP现在主要体现在专利上。以FinFET为例，做一些研究希望可以与产业界互有帮助，需要完成两件事情：能帮助企业把事情做成;当事情做成后，有自己的IP保护，而不是说全都是别人的东西。一边鼓励企业做自己的专利，一边做研究能够在一些未知的新领域上找到自己的地盘：首先就要分析整个行业的专利地图，发现有哪些机会，哪些可以做;然后制定研究方案，甚至开始就把专利慢慢写出来，再通过研究验证这些专利，有些淘汰了，有些完善了;最后研究结果与方案吻合，继续推进下去。面向产业应用的先导研究与纯粹自由探索的研究的差异在于：先导研究用户力很强，IP先行，基础研究就是走到哪儿算哪儿。图1为先导专项分析国际集成电路专利地图之后，指定出的研究方案。

二、22～14 nm器件工艺先导研究成果

22～14 nm器件工艺先导研究完成3项关键技术：高K/金属栅多元新材料、叠层结构及调控和全后栅集成技术;22 nm CMOS器件沟道应变、掺杂改性和低阻接触新技术;14 nm三维FinFET金属栅材料、沟道结构和自隔离新技术。突破了一系列器件结构和工艺实现方法，建立了22～14 nm新器件、新工艺的“局部”创新体系，形成了自己的特色;获得发明专利授权435项，包括美国专利192项，形成了系统性的自主知识产权体系。2012年，国内首次建立22 nm高K/金属栅CMOS器件先导工艺，成功研制出良好性能的22 nm CMOS器件，与国际同类技术参数对比，等效栅介质厚度（EOT）、器件阈值电压（V）、t PMOS驱动电流等参数占优，其他参数相当。14 nm器件集成验证结果显示：与国际同类先进技术相比，硅Fin三维尺寸、栅长、亚阈值开关电学特性等达到同一水平;新结构MSD FOI FinFET的电流开关比具有明显优势。22～14 nm关键工艺成果在国内主要企业中芯国际、武汉新芯12寸生产线进行了验证开发，多项发明进入实际应用。

三、集成电路技术发展的方向

最近几年，业界一直在讨论摩尔定律是否会终止，后摩尔时代将要到来。严格来讲，摩尔定律从来不是一个科学定律，它只是一个预测，是一个路线图。等比缩小定律提出来之后，器件尺寸等比缩到1/3，就可以将集成度提高10倍，因此逐渐将摩尔定律等同于等比例缩小定律，其实并非如此。摩尔定律是对性能的要求，当然提到器件性能，集成度是第一位的，也就是功能集成，当然还包括速度要提高、功耗要降低，相关性能都要往前发展。多年前，等比例缩尺寸在1μm都可能是一个极限，亚微米都会让人感觉很神秘。后来认为100、20 nm会是一个极限，也均被超越了。尺寸微缩是一条路，但其实摩尔最早提出的非缩比驱动（non-scaling driven），也即从应用角度增加人与环境的交互的多种非数字功能，例如光电子、模拟器件，正走向另一个应用的路径，芯片之外的系统级集成（SiP）也开始在做功能的提升。微电子学家胡正明曾指出集成电路还可持续发展100年。未来，在集成电路技术实现路径上，有可能会继续等比例缩下去，缩到了极限便从平面发展到三维。会不会有一種新的路径、新的器件出来能够替代现在的微电子器件，2000年左右，时任美国总统克林顿提议发展纳米技术，从而引发了纳米器件会不会替代现在微电子器件的热议。

总之，未来挑战和机遇并存，因为广度、深度、复杂度俱在，此时无论做哪一点，集中精力、保持定力，一代一代做下去，一定会有自己的特点。

参考文献

[1]张原.我国集成电路产业发展之路.2019.

[2]王永萍，浅谈集成电路器件工艺先导技术研究进展.2020.