中國突破半導體新工藝 先要從這位美籍華人講起

　　日前，中科院微電子所集成電路先導工藝研發(fā)中心在下一代新型FinFET邏輯器件工藝研究上取得重要進(jìn)展。微電子所殷華湘研究員的課題組利用低溫低阻NiPt硅化物在新型FOI FinFET上實(shí)現了全金屬化源漏(MSD)，顯著(zhù)降低源漏寄生電阻，從而將N/PMOS器件性能提高大約30倍，使得驅動(dòng)性能達到了國際先進(jìn)水平。

　　基于本研究成果的論文被2016年IEEE國際電子器件大會(huì )(IEDM)接收，并在IEDM的關(guān)鍵分會(huì )場(chǎng)之一——硅基先導CMOS 工藝和制造技術(shù)(PMT)上，由微電子所的張青竹做了學(xué)術(shù)報告，并得到IBM和意法半導體技術(shù)專(zhuān)家的贊揚和認可。

　　在工藝上落后于國際大廠(chǎng)

　　一直以來(lái)，中國境內晶圓代工廠(chǎng)在技術(shù)上落后于Intel、臺積電、格羅方德、三星等國際大廠(chǎng)，除了受限于瓦森納協(xié)定無(wú)法從西方采購到最先進(jìn)的半導體設備之外，在工藝上落后于西方也是很重要的原因。工藝有多重要呢?就以28nm poly/SiON、28nm HKMG以及28nm SOI來(lái)說(shuō)，雖然同為28nm制程，但由于具體工藝的區別，導致采用不同工藝的芯片在性能上會(huì )有差異。

　　考慮到如果將意法半導體的28nm SOI和中芯國際的28nm HKMG對比可能會(huì )有不同晶圓廠(chǎng)帶來(lái)的變量，那么以同采用臺積電28nm LP工藝、28nm HPC/HPC+工藝、28nm HPM工藝生產(chǎn)的芯片來(lái)比較，采用28nm LP工藝的芯片顯然在性能上遜色一籌，這也是當年采用28nm LP工藝的高通驍龍615在性能和功耗控制上遜色于采用28nm HPM工藝的聯(lián)發(fā)科6752和采用28nm HPC工藝的麒麟930的原因之一。

　　而在工藝上，國內晶圓代工廠(chǎng)也是落后于Intel、臺積電、格羅方德、三星等國際大廠(chǎng)的。舉例來(lái)說(shuō)，某自主CPU公司采用了某境內代工廠(chǎng)的40nm LL工藝，然后由于工藝性能有限，境內代工廠(chǎng)的40nm LL工藝比意法半導體的65nm GP工藝還慢30%……

　　再比如某合資CPU公司在承接了核高基專(zhuān)項后，由于核高基的要求必須采用境內工藝，然而在采用境內28nm制造工藝流片后，CPU的主頻連1GHz都不到，隨后就去臺積電流片了，雖然同樣是28nm制程，但臺積電就能把主頻做到1.2GHz以上，挑一挑體質(zhì)好的，主頻最高可以到2GHz……

　　另外，除了在工藝上長(cháng)期落后于國際大廠(chǎng)，國內晶圓廠(chǎng)的工藝大多是技術(shù)引進(jìn)的，而非自主研發(fā)，這一方面要付出不菲資金，另外還不得不簽一籮筐的各種限制性條款，這會(huì )帶來(lái)不少惡果。要開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)越的的EDA工具，就離不開(kāi)和先進(jìn)工藝相結合，國內自主工藝很少有深亞微米的工藝，大多是180nm和130nm。雖然中芯國際有40nm，而且宣稱(chēng)有28nm，但可能沒(méi)有量產(chǎn)過(guò)，或者量產(chǎn)的都是小芯片。而引進(jìn)的工藝都簽過(guò)協(xié)議，這就對國內EDA公司的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展造成了障礙。

　　因此，自主研發(fā)的工藝就彌足珍貴了。在此之前，國內也提出過(guò)S-FinFET、后柵納米線(xiàn)及體硅絕緣Fin-on-insulator FinFET等創(chuàng )新技術(shù)，但大多遜色于主流FinFET工藝。而本次微電子所實(shí)現的新工藝，則在性能上達到國際先進(jìn)水平。

　　FinFET和胡正明

　　在介紹微電子所開(kāi)發(fā)出的新工藝之前，先介紹下FinFET和FD-SOI工藝。

　　FinFET中Fin指的是鰭式，FET指的是場(chǎng)效應晶體管，合起來(lái)就是鰭式場(chǎng)效應晶體管。在FinFET問(wèn)世前，一直在使用MOSFET，但由于當柵長(cháng)小于20nm的情況下，源極和漏極過(guò)于接近且氧化物也愈薄，這很有可能會(huì )導致漏電現象。就在部分業(yè)界認為制造工藝會(huì )止步不前，摩爾定律即將失效的情況下，一位華人科學(xué)家與其同事共同發(fā)明的兩項技術(shù)使制造工藝得以向20nm以下延續。

　　胡正明

　　胡正明教授國籍為美國，1947年7月出生于中國北京，1973年獲美國加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位，1997年當選為美國工程科學(xué)院院士。2007年當選中國科學(xué)院外籍院士。在十多年前，在美國國防部高級研究計劃局的資助下，胡正明教授在加州大學(xué)研究如何將CMOS技術(shù)拓展到25nm領(lǐng)域。胡正明教授及其同事的研究結果是，要么采用FinFET，要么走基于SOI的超薄絕緣層上硅體技術(shù)。

　　在1999年和2000年，胡教授及其團隊成員發(fā)表了有關(guān)FinFET和UTB-SOI(FD-SOI)的論文，由于當時(shí)胡正明教授及其團隊認為鮮有廠(chǎng)商可以把SOI基體做到5nm，或者說(shuō)等人們具備這種技術(shù)能力時(shí)，FinFET技術(shù)可能已經(jīng)得到了充分的發(fā)展，所以包括Intel、臺積電等一大批廠(chǎng)商都選擇了FinFET。憑借在FinFET等技術(shù)創(chuàng )新上的貢獻，在2000年，胡正明教授獲得美國國防部高級研究項目局最杰出技術(shù)成就獎。在2015年，胡正明教授還榮獲美國年度國家技術(shù)和創(chuàng )新獎。

　　根據胡正明教授的介紹，FinFET實(shí)現了兩個(gè)突破，一是把晶體做薄并解決了漏電問(wèn)題，二是向上發(fā)展，晶片內構從水平變成垂直，也就是把2D的MOSFET變?yōu)?D的FinFET。而這種做法有怎樣的效果呢?臺積電就曾表示：16nm FinFET工藝能夠顯著(zhù)改進(jìn)芯片性能、功耗，并降低漏電率，柵極密度是臺積電28nm HPM工藝的兩倍，同等功耗下速度可以加快超過(guò)40%，同頻率下功耗則可以降低超過(guò)60%。

　　值得一提的是，被三星挖走的前臺積電員工梁孟松的博士論文指導教授就是胡正明，想必這也是三星能夠在14nm FinFET上實(shí)現大躍進(jìn)的原因之一吧。

　　FD-SOI非主流并不意味著(zhù)落后

　　相對于在晶體管上做文章的FinFET，SOI工藝則著(zhù)眼于晶片底襯。

　　SOI (Silicon-On-Insulator絕緣體上硅)是指絕緣層上的硅，是一種用于集成電路的供應商制造的新型原材料。SOI技術(shù)作為一種全介質(zhì)隔離技術(shù)，可以用來(lái)替代硅襯底。FD-SOI就是在襯底上做文章，在晶體管相同的情況下，采用FD-SOI技術(shù)可以實(shí)現在相同功耗下性能提高30%左右，或者在相同性能下，功耗降低30%左右。

　　根據格羅方德公布的數據：

　　22nm FD-SOI工藝功耗比28nmHKMG降低了70%;

　　芯片面積比28nmBulk縮小了20%;

　　光刻層比FinFET工藝減少接近50%;

　　芯片成本比16/14nm低了20%。

　　如果格羅方德發(fā)布的數據屬實(shí)，那么22nm FD-SOI擁有堪比14/16nm FinFET的性能和功耗，但芯片的成本卻與28nm相當。而且格羅方德還表示：若是將制程提升到14nm，相對于28nm SOI會(huì )有35%的性能提升，功耗也會(huì )降到原來(lái)的一半。

　　另外，SOI還具有了較高的跨導、降低的寄生電容、減弱的短溝效應、較為陡直的亞閾斜率，與體硅電路相比，SOI電路的抗輻照強度提高了100倍。在高溫環(huán)境下，SOI器件性能明顯優(yōu)于體硅器件。

　　那么，為何FinFET會(huì )成為主流，即便是掌握了22nm FD-SOI工藝的格羅方德還是購買(mǎi)了三星的14nm FinFET技術(shù)授權呢?原因就在于采用SOI工藝成本較高，而且現階段Intel和臺積電在硅襯底上能夠做出滿(mǎn)足要求的芯片，所以依舊使用硅襯底，臺積電市場(chǎng)份額巨大，而Intel有最好的技術(shù)，兩家選擇了FinFET，自然而然整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈就跟著(zhù)走，SOI工藝也就只能在射頻和傳感器市場(chǎng)找存在感了。

　　之前提到，當年胡正明教授及其團隊認為恐怕很難有廠(chǎng)商可以把SOI基體做到5nm，但在不久前，胡正明教授表示：“法國Soitec公司改變了這種情況，他們開(kāi)始推出300mm UTB-SOI的晶圓樣品，這些晶圓的頂層硅膜原始厚度只有12nm，然后再經(jīng)處理去掉頂部的7nm厚度硅膜，最后便可得到5nm厚度的硅膜。這便為UTB-SOI技術(shù)的實(shí)用化鋪平了道路?！?/p>

　　胡正明教授認為：FinFET和UTB-SOI技術(shù)是可以并存的，不過(guò)在未來(lái)幾年內，兩者都會(huì )想盡辦法彼此超越對方成為主流技術(shù)?，F在Intel采用了FinFET技術(shù)，原因是這種技術(shù)可以讓微處理器的性能相對更強。他認為臺積電公司會(huì )在14nm節點(diǎn)開(kāi)始采用FinFET技術(shù)，然后則會(huì )為低功耗產(chǎn)品的用戶(hù)推出應用了UTB-SOI技術(shù)的產(chǎn)品。而聯(lián)電公司則會(huì )減輕對FinFET技術(shù)的投資力度，并直接轉向UTB-SOI技術(shù)。

　　微電子所新工藝值得期待

　　不是要介紹微電子所的下一代新型FinFET邏輯器件工藝么?為何整了這么多FinFET和SOI的相關(guān)內容?這是因為微電子所的新工藝某種程度上可以理解為是對FinFET和SOI優(yōu)點(diǎn)的集成。

　　這種情況下，若要再進(jìn)一步提升芯片性能，將FinFET和SOI相結合的道路不失為解決之道——采用FinFET晶體管+SOI襯底來(lái)提升芯片性能，畢竟FinFET(晶體管)+FD-SOI(底襯)顯然是優(yōu)于FinFET(晶體管)+硅襯底的。而這也是FOI FinFET已經(jīng)成為重要的研究方向的原因之一。

　　而微電子所的新工藝就類(lèi)似于FinFET(晶體管)+FD-SOI(底襯)的思路，并加入了自己獨有的創(chuàng )新，能有效彌補FOI FinFET的固有缺陷，并有增強了電子遷移率、成本更低等優(yōu)勢。

　　也正是因此，微電子所的新型FinFET器件工藝能夠得到IBM、意法半導體等國際知名主流集成電路公司的熱切關(guān)注。

　　必須指出的是，能否被商業(yè)化，技術(shù)指標是一方面，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也非常重要，如果國內研究所、企業(yè)能夠和IBM、意法半導體、格羅方德等公司組成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，共同推廣這項工藝，也許能有所斬獲。