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(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(dòng)性能達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,。
基于本研究成果的論文被2016年IEEE國(guó)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(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和意法半導(dǎo)體技術(shù)專(zhuān)家的贊揚(yáng)和認(rèn)可,。
在工藝上落后于國(guó)際大廠
一直以來(lái),，中國(guó)境內(nèi)晶圓代工廠在技術(shù)上落后于Intel、臺(tái)積電,、格羅方德、三星等國(guó)際大廠,，除了受限于瓦森納協(xié)定無(wú)法從西方采購(gòu)到最先進(jìn)的半導(dǎo)體設(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(lái)說(shuō),，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(huì)有差異。
考慮到如果將意法半導(dǎo)體的28nm SOI和中芯國(guó)際的28nm HKMG對(duì)比可能會(huì)有不同晶圓廠帶來(lái)的變量,，那么以同采用臺(tái)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(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(guó)內(nèi)晶圓代工廠也是落后于Intel,、臺(tái)積電、格羅方德,、三星等國(guó)際大廠的,。舉例來(lái)說(shuō)，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(zhuān)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(tái)積電流片了，雖然同樣是28nm制程,，但臺(tái)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(zhǎng)期落后于國(guó)際大廠，國(guó)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(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(jié)合,，國(guó)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(guó)際有40nm,，而且宣稱有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(duì)國(guó)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(guó)內(nèi)也提出過(guò)S－FinFET,、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(guó)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,，F(xiàn)ET指的是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，合起來(lái)就是鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管,。在FinFET問(wèn)世前,，一直在使用MOSFET，但由于當(dāng)柵長(zhǎng)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(dǎo)致漏電現(xiàn)象,。就在部分業(yè)界認(rèn)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(xiàng)技術(shù)使制造工藝得以向20nm以下延續(xù)。
胡正明
胡正明教授國(guó)籍為美國(guó),，1947年7月出生于中國(guó)北京,，1973年獲美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校博士學(xué)位，1997年當(dāng)選為美國(guó)工程科學(xué)院院士,。2007年當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院外籍院士,。在十多年前，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)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(shí)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(shuō)等人們具備這種技術(shù)能力時(shí)，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(tái)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(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局最杰出技術(shù)成就獎(jiǎng)。在2015年,，胡正明教授還榮獲美國(guó)年度國(guó)家技術(shù)和創(chuàng)新獎(jiǎng),。
根據(jù)胡正明教授的介紹，F(xiàn)inFET實(shí)現(xiàn)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(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(tái)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(tái)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(tái)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,。
FD－SOI非主流并不意味著落后
相對(duì)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(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(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(duì)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(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(huì)成為主流,，即便是掌握了22nm FD－SOI工藝的格羅方德還是購(gòu)買(mǎi)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(tái)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(tái)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(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(guó)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(rèn)為：FinFET和UTB－SOI技術(shù)是可以并存的，不過(guò)在未來(lái)幾年內(nèi),，兩者都會(huì)想盡辦法彼此超越對(duì)方成為主流技術(shù)?，F(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(duì)更強(qiáng),。他認(rèn)為臺(tái)積電公司會(huì)在14nm節(jié)點(diǎn)開(kāi)始采用FinFET技術(shù),，然后則會(huì)為低功耗產(chǎn)品的用戶推出應(yīng)用了UTB－SOI技術(shù)的產(chǎn)品。而聯(lián)電公司則會(huì)減輕對(duì)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(duì)FinFET和SOI優(yōu)點(diǎn)的集成,。
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(huì)遭遇瓶頸,。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(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(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(shì),。
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(guó)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(guó)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,。