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          中國突破半導(dǎo)體新工藝 先要從這位美籍華人講起

          作者: 時間:2017-01-05 來源:觀察者網(wǎng) 收藏
          編者按:由于技術(shù)和商業(yè)上的原因,摩爾定律也失去了效力,而且受制于光刻技術(shù)、硅材料的極限等因素,芯片制程提升很可能會遭遇瓶頸,這種情況下胡正明教授的FinFET研究就尤為重要。

            日前,中科院微電子所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心在下一代新型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 上實(shí)現(xiàn)了全金屬化源漏(MSD),顯著降低源漏寄生電阻,從而將N/PMOS器件性能提高大約30倍,使得驅(qū)動性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201701/342476.htm

            基于本研究成果的論文被2016年IEEE國際電子器件大會(IEDM)接收,并在IEDM的關(guān)鍵分會場之一——硅基先導(dǎo)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(bào)告,并得到IBM和意法技術(shù)專家的贊揚(yáng)和認(rèn)可。

            在工藝上落后于國際大廠

            一直以來,中國境內(nèi)晶圓代工廠在技術(shù)上落后于Intel、臺積電、格羅方德、三星等國際大廠,除了受限于瓦森納協(xié)定無法從西方采購到最先進(jìn)的設(shè)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來說,雖然同為28nm制程,但由于具體工藝的區(qū)別,導(dǎo)致采用不同工藝的芯片在性能上會有差異。

            考慮到如果將意法的28nm SOI和中芯國際的28nm HKMG對比可能會有不同晶圓廠帶來的變量,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(dāng)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(nèi)晶圓代工廠也是落后于Intel、臺積電、格羅方德、三星等國際大廠的。舉例來說,某自主CPU公司采用了某境內(nèi)代工廠的40nm LL工藝,然后由于工藝性能有限,境內(nèi)代工廠的40nm LL工藝比意法半導(dǎo)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項(xiàng)后,由于核高基的要求必須采用境內(nèi)工藝,然而在采用境內(nèi)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,除了在工藝上長期落后于國際大廠,國內(nèi)晶圓廠的工藝大多是技術(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,這會帶來不少惡果。要開發(fā)出性能優(yōu)越的的EDA工具,就離不開和先進(jìn)工藝相結(jié)合,國內(nèi)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,而且宣稱有28nm,但可能沒有量產(chǎn)過,或者量產(chǎn)的都是小芯片。而引進(jìn)的工藝都簽過協(xié)議,這就對國內(nèi)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(nèi)也提出過S-、后柵納米線及體硅絕緣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(xiàn)的新工藝,則在性能上達(dá)到國際先進(jìn)水平。

            FinFET和胡正明

            在介紹微電子所開發(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,F(xiàn)ET指的是場效應(yīng)晶體管,合起來就是鰭式場效應(yīng)晶體管。在FinFET問世前,一直在使用MOSFET,但由于當(dāng)柵長小于20nm的情況下,源極和漏極過于接近且氧化物也愈薄,這很有可能會導(dǎo)致漏電現(xiàn)象。就在部分業(yè)界認(rèn)為制造工藝會止步不前,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(xiàng)技術(shù)使制造工藝得以向20nm以下延續(xù)。

          中國突破半導(dǎo)體新工藝 先要從這位美籍華人講起

            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(dāng)選為美國工程科學(xué)院院士。2007年當(dāng)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(jì)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(jié)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(tuán)隊(duì)成員發(fā)表了有關(guān)FinFET和UTB-SOI(FD-SOI)的論文,由于當(dāng)時胡正明教授及其團(tuán)隊(duì)認(rèn)為鮮有廠商可以把SOI基體做到5nm,或者說等人們具備這種技術(shù)能力時,F(xiàn)inFET技術(shù)可能已經(jīng)得到了充分的發(fā)展,所以包括Intel、臺積電等一大批廠商都選擇了FinFET。憑借在FinFET等技術(shù)創(chuàng)新上的貢獻(xiàn),在2000年,胡正明教授獲得美國國防部高級研究項(xiàng)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(jù)胡正明教授的介紹,F(xiàn)inFET實(shí)現(xiàn)了兩個突破,一是把晶體做薄并解決了漏電問題,二是向上發(fā)展,晶片內(nèi)構(gòu)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40%,同頻率下功耗則可以降低超過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(dǎo)教授就是胡正明,想必這也是三星能夠在14nm FinFET上實(shí)現(xiàn)大躍進(jìn)的原因之一吧。


          中國突破半導(dǎo)體新工藝 先要從這位美籍華人講起


            FD-SOI非主流并不意味著落后

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

            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(yīng)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(xiàn)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(jù)格羅方德公布的數(shù)據(jù):

            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(shù)據(jù)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(dāng)。而且格羅方德還表示:若是將制程提升到14nm,相對于28nm SOI會有35%的性能提升,功耗也會降到原來的一半。


          中國突破半導(dǎo)體新工藝 先要從這位美籍華人講起


            另外,SOI還具有了較高的跨導(dǎo)、降低的寄生電容、減弱的短溝效應(yīng)、較為陡直的亞閾斜率,與體硅電路相比,SOI電路的抗輻照強(qiáng)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會成為主流,即便是掌握了22nm FD-SOI工藝的格羅方德還是購買了三星的14nm FinFET技術(shù)授權(quán)呢?原因就在于采用SOI工藝成本較高,而且現(xiàn)階段Intel和臺積電在硅襯底上能夠做出滿足要求的芯片,所以依舊使用硅襯底,臺積電市場份額巨大,而Intel有最好的技術(shù),兩家選擇了FinFET,自然而然整個產(chǎn)業(yè)鏈就跟著走,SOI工藝也就只能在射頻和傳感器市場找存在感了。

            之前提到,當(dāng)年胡正明教授及其團(tuán)隊(duì)認(rèn)為恐怕很難有廠商可以把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。”

            胡正明教授認(rèn)為:FinFET和UTB-SOI技術(shù)是可以并存的,不過在未來幾年內(nèi),兩者都會想盡辦法彼此超越對方成為主流技術(shù)。現(xiàn)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(qiáng)。他認(rèn)為臺積電公司會在14nm節(jié)點(diǎn)開始采用FinFET技術(shù),然后則會為低功耗產(chǎn)品的用戶推出應(yīng)用了UTB-SOI技術(shù)的產(chǎn)品。而聯(lián)電公司則會減輕對FinFET技術(shù)的投資力度,并直接轉(zhuǎn)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(nèi)容?這是因?yàn)槲㈦娮铀男鹿に嚹撤N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(jié)合的道路不失為解決之道——采用FinFET晶體管+SOI襯底來提升芯片性能,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似于FinFET(晶體管)+FD-SOI(底襯)的思路,并加入了自己獨(dú)有的創(chuàng)新,能有效彌補(bǔ)FOI FinFET的固有缺陷,并有增強(qiáng)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(dǎo)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(biāo)是一方面,產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟也非常重要,如果國內(nèi)研究所、企業(yè)能夠和IBM、意法半導(dǎo)體、格羅方德等公司組成產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,共同推廣這項(xiàng)工藝,也許能有所斬獲。



          關(guān)鍵詞: 半導(dǎo)體 FinFET

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