中科院微電子研究所助力中國集成電路技術(shù)砥礪前行
發(fā)布日期:2022-12-20
| 小小的芯片承載我國科技創(chuàng)新的夢想和驅(qū)動力。
集成電路芯片是信息時代的核心基石，它被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，更成為全球高科技競爭中的戰(zhàn)略必爭制高點。然而，長期以來，我國芯片產(chǎn)業(yè)一直受到西方在先進(jìn)制造裝備、材料和工藝引進(jìn)等方面的種種限制，想要擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)芯片，就必須發(fā)展我國自己的集成電路制造體系。
近年來，我國在集成電路芯片領(lǐng)域投入巨大人力物力，取得了顯著成效。尤其是中科院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心通過4年的艱苦攻關(guān)，在22納米關(guān)鍵工藝技術(shù)先導(dǎo)研究與建設(shè)上，實現(xiàn)了重要突破。
這讓我國集成電路制造產(chǎn)業(yè)開始擁有自己的話語權(quán)，該成果也為我國繼續(xù)自主研發(fā)16納米及以下技術(shù)代的關(guān)鍵工藝提供了必要的技術(shù)支撐，表明我國已開始在全球尖端集成電路技術(shù)創(chuàng)新鏈中擁有了自己的地位。在2016年度北京市科學(xué)技術(shù)獎評選中，“22納米集成電路核心工藝技術(shù)及應(yīng)用”項目榮獲一等獎。
事關(guān)摩爾定律的生死
很多人知道摩爾定律，但很少有人知道，在2004年左右，摩爾定律差點“死了”。
最終是一個名為高K-金屬柵極的技術(shù)，讓我們今天可以輕松的工作、上網(wǎng)，而不用考慮芯片太熱、漏電等問題造成的電腦或手機(jī)性能下降。
根據(jù)摩爾定律，每18個月就會在同樣面積的硅片上把兩倍的晶體管“塞”進(jìn)去。按之前的工藝，已經(jīng)將晶體管的組成部分做到了幾個分子和原子的厚度，組成半導(dǎo)體的材料已經(jīng)達(dá)到了極限。其中，最早達(dá)到這個極限的部件是組成晶體管的柵極氧化物——柵極介電質(zhì)，原有的工藝都是采用二氧化硅層作為柵極介電質(zhì)。
“我們可以把柵極比喻為控制水管的，開啟讓水流過，關(guān)閉截止水流�！敝锌圃何㈦娮友芯克呻娐废葘�(dǎo)工藝研發(fā)中心主任趙超告訴記者，從65nm開始，我們已經(jīng)無法讓二氧化硅柵極介電質(zhì)繼續(xù)縮減變薄，如果不能解決柵極向下的漏電問題以及源極和漏極之間的漏電問題，摩爾定律可能會失效，新一代處理器的問世可能變得遙遙無期。
尋找比二氧化硅更好的“絕緣體”，迫在眉睫�！斑@種材料應(yīng)具有良好的絕緣屬性，同時在柵極和晶體硅襯底的通道之間(源極和漏極之間)產(chǎn)生很好的場效應(yīng)。”趙超告訴記者，英特爾公司的科學(xué)家經(jīng)過反復(fù)測試，率先在22納米 CMOS技術(shù)節(jié)點引入高K-金屬柵極技術(shù)，有效地降低了成本，減少了功耗并提高了器件性能。
“這項技術(shù)拯救了摩爾定律，成功研制高K-金屬柵極并將之付諸量產(chǎn)，被譽(yù)為半導(dǎo)體業(yè)界40年來里程碑式的革命性突破。”趙超說。
自此，22納米CMOS技術(shù)成了全球研究開發(fā)的又一代有重大技術(shù)創(chuàng)新的集成電路制造工藝，各國都投入了巨大資金，力爭搶占技術(shù)制高點。
這是我國集成電路研發(fā)體系繞不過去的坎�！�2009年，在國家科技重大專項的支持下，我國開始22納米關(guān)鍵技術(shù)先導(dǎo)研發(fā)。我們與項目聯(lián)合承擔(dān)單位，北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和中科院微系統(tǒng)所的項目組一道，開展了系統(tǒng)的聯(lián)合攻關(guān)。”趙超說。
加入高端集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)國際俱樂部
4位“千人計劃”、5位中科院百人計劃，30多位工業(yè)界核心的工程師團(tuán)隊……先導(dǎo)工藝研發(fā)中心擁有這樣一支令人艷羨的國際化研發(fā)團(tuán)隊。
2009年，在國家科技重大專項的支持下，微電子所成立研發(fā)團(tuán)隊并引進(jìn)了一大批海歸，建成了擁有200多名研發(fā)人員的集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心，趙超就是其中的一位。
研發(fā)方向有了，人也有了，但項目團(tuán)隊依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
“我們研發(fā)與工業(yè)主流工藝兼容的22納米器件結(jié)構(gòu)和工藝制程幾乎是從零開始。”趙超說。
尤其是器件制造工藝及集成技術(shù)給團(tuán)隊帶來巨大挑戰(zhàn)：一是界面工程，需要研究高K材料與硅溝道的界面態(tài)特性、應(yīng)力引入控制機(jī)制、影響載流子遷移率的原理機(jī)制等；二是柵工程，對高性能的NMOS和PMOS器件而言，篩選出具有合適功函數(shù)的金屬柵材料及堆疊結(jié)構(gòu)避免費米釘扎效應(yīng)，降低刻蝕工藝及集成技術(shù)的難度至關(guān)重要；三是需要實現(xiàn)超淺結(jié)的源漏工程，確保器件具有良好的短溝道效應(yīng)抑制特性和歐姆接觸。
針對上述核心問題，項目組開展了系統(tǒng)的研究工作，僅用了7個月的時間就漂亮地完成了原定兩年多時間的工作：國內(nèi)首次采用后高K工藝流程，獲得小于30納米柵長的NMOSFET和PMOSFET器件，器件性能優(yōu)良；對柵工程中閾值電壓(Vt)調(diào)節(jié)，界面層去除，柵介質(zhì)及金屬層填充等工藝難點作了系統(tǒng)研發(fā)，為工業(yè)界的二次開發(fā)提供了一系列工藝解決方案。
“這標(biāo)志著我國也加入了高端集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)的國際俱樂部。”趙超自豪地說。
整個團(tuán)隊的付出開始得到回報：該團(tuán)隊隨后在更具挑戰(zhàn)性的鰭型晶體管(FinFET3D)研發(fā)上取得良好進(jìn)展，完成與工業(yè)主流工藝兼容的FinFET工藝集成和器件研發(fā)。
“這些成果為國內(nèi)芯片制造企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)掃清道路，為半導(dǎo)體集成電路行業(yè)中無生產(chǎn)線設(shè)計公司及早介入工藝創(chuàng)造條件�！壁w超表示。
由于項目團(tuán)隊采用了與工業(yè)生產(chǎn)一致的工藝方法和流程，具備向產(chǎn)業(yè)界轉(zhuǎn)移的條件，因而對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級形成了具有實際意義的推動作用。
撐起中國的專利保護(hù)傘
“我們是國家集成電路工藝研發(fā)戰(zhàn)役中的‘偵察部隊\\’�！壁w超告訴記者，“在與國際巨頭的競爭中，我們就是要用專利布局的方法占領(lǐng)戰(zhàn)略要地�！�
國家科技重大專項02專項的領(lǐng)導(dǎo)在項目一開始就提出了“專利導(dǎo)向下的研發(fā)戰(zhàn)略”�！斑^去，我國在知識產(chǎn)權(quán)建設(shè)上沒有合理的戰(zhàn)略布局，是把專利當(dāng)論文用，我們辛辛苦苦研發(fā)的技術(shù)其實早就被別人申報了專利。這樣，即使有自主研發(fā)，也做不到自主知識產(chǎn)權(quán)�！壁w超感嘆道。
自研發(fā)之初，項目團(tuán)隊就把為國內(nèi)集成電路高K-金屬柵極關(guān)鍵工藝建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)體系作為目標(biāo)，分析制定了專利地圖，尋找專利漏洞，搶占專利先機(jī)。這是我國科研方法的一次巨大改變。
“其實專利就是炮彈，是打仗用的�！壁w超告訴記者，在集成電路領(lǐng)域，專利不僅是保護(hù)自己的有力盾牌，也是打擊對手的鋒利武器，專利糾紛經(jīng)常發(fā)生，沒有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)體系就像是毫無防御工事的陣地。
據(jù)了解，項目團(tuán)隊在該領(lǐng)域申請發(fā)明專利1650項，其中高K-金屬柵極的相關(guān)專利全球排名第四，被IBM、臺積電、三星等多家國際半導(dǎo)體知名企業(yè)引用600多次，基本形成了“你中有我”，為實現(xiàn)對中國企業(yè)的專利保護(hù)奠定了堅實基礎(chǔ)。
近年來，項目團(tuán)隊成功完成向武漢新芯、中芯國際等國內(nèi)主要IC制造公司的專利許可和轉(zhuǎn)讓達(dá)1358件，有力推動了高端產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)進(jìn)程。
先導(dǎo)工藝研發(fā)中心還建成了一個能夠開展22納米及以下技術(shù)代研發(fā)的工藝平臺�！肮に嚻脚_對后續(xù)項目發(fā)展起到非常重要的作用�！壁w超表示，先導(dǎo)工藝研發(fā)中心的研發(fā)效率和質(zhì)量管理系統(tǒng)都是工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的，得到了工業(yè)界研發(fā)伙伴的充分認(rèn)可。
同時，項目對整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈也起到了直接的支撐作用。趙超表示：“研發(fā)中心不僅在先導(dǎo)工藝技術(shù)研發(fā)上起到國家隊的作用，同時也成為了國產(chǎn)半導(dǎo)體裝備和材料的驗證基地、集成電路工程技術(shù)人才的培養(yǎng)基地和該領(lǐng)域的國際交流基地�！�
“16納米的已經(jīng)做完，7納米和5納米的正在布局�！壁w超透露，下一步，項目團(tuán)隊將參加更大規(guī)模的“戰(zhàn)役”，力爭把先導(dǎo)技術(shù)轉(zhuǎn)化成工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，為國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出更多貢獻(xiàn)。
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