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推动中国集成电路技术砥砺前行

作者:发布时间:2017-06-30文章来源:科技日报浏览量:8938

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小小的芯片承载我国科技创新的梦想和驱动力。

    集成电路芯片是信息时代的核心基石,它被誉为现代工业的“粮食”,更成为全球高科技竞争中的战略必争制高点。然而,长期以来,我国芯片产业一直受到西方在先进制造装备、材料和工艺引进等方面的种种限制,想要拥有自主知识产权的高技术芯片,就必须发展我国自己的集成电路制造体系。

    近年来,我国在集成电路芯片领域投入巨大人力物力,取得了显著成效。尤其是中科院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心通过4年的艰苦攻关,在22纳米关键工艺技术先导研究与平台建设上,实现了重要突破。

    这让我国集成电路制造产业开始拥有自己的话语权,该成果也为我国继续自主研发16纳米及以下技术代的关键工艺提供了必要的技术支撑,表明我国已开始在全球尖端集成电路技术创新链中拥有了自己的地位。在2016年度北京市科学技术奖评选中,“22纳米集成电路核心工艺技术及应用”项目荣获一等奖。

    事关摩尔定律的生死

    很多人知道摩尔定律,但很少有人知道,在2004年左右,摩尔定律差点“死了”。

    最终是一个名为高K-金属栅极的技术,让我们今天可以轻松的工作、上网,而不用考虑芯片太热、漏电等问题造成的电脑或手机性能下降。

    根据摩尔定律,每18个月就会在同样面积的硅片上把两倍的晶体管“塞”进去。按之前的工艺,已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度,组成半导体的材料已经达到了极限。其中,最早达到这个极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物——栅极介电质,原有的工艺都是采用二氧化硅层作为栅极介电质。

    “我们可以把栅极比喻为控制水管的阀门,开启让水流过,关闭截止水流。”中科院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心主任赵超告诉记者,从65nm开始,我们已经无法让二氧化硅栅极介电质继续缩减变薄,如果不能解决栅极向下的漏电问题以及源极和漏极之间的漏电问题,摩尔定律可能会失效,新一代处理器的问世可能变得遥遥无期。

    寻找比二氧化硅更好的“绝缘体”,迫在眉睫。“这种材料应具有良好的绝缘属性,同时在栅极和晶体硅衬底的通道之间(源极和漏极之间)产生很好的场效应。”赵超告诉记者,英特尔公司的科学家经过反复测试,率先在22纳米 CMOS技术节点引入高K-金属栅极技术,有效地降低了成本,减少了功耗并提高了器件性能。

    “这项技术拯救了摩尔定律,成功研制高K-金属栅极并将之付诸量产,被誉为半导体业界40年来里程碑式的革命性突破。”赵超说。

    自此,22纳米CMOS技术成了全球研究开发的又一代有重大技术创新的集成电路制造工艺,各国都投入了巨大资金,力争抢占技术制高点。

    这是我国集成电路研发体系绕不过去的坎。“2009年,在国家科技重大专项的支持下,我国开始22纳米关键技术先导研发。我们与项目联合承担单位,北京大学、清华大学、复旦大学和中科院微系统所的项目组一道,开展了系统的联合攻关。”赵超说。

    加入高端集成电路先导工艺研发国际俱乐部

    4位“千人计划”、5位中科院百人计划,30多位工业界核心的工程师团队……先导工艺研发中心拥有这样一支令人艳羡的国际化研发团队。

    2009年,在国家科技重大专项的支持下,微电子所成立研发团队并引进了一大批海归,建成了拥有200多名研发人员的集成电路先导工艺研发中心,赵超就是其中的一位。

    研发方向有了,人也有了,但项目团队依然面临着巨大的挑战。

    “我们研发与工业主流工艺兼容的22纳米器件结构和工艺制程几乎是从零开始。”赵超说。

    尤其是器件制造工艺及集成技术给团队带来巨大挑战:一是界面工程,需要研究高K材料与硅沟道的界面态特性、应力引入控制机制、影响载流子迁移率的原理机制等;二是栅工程,对高性能的NMOS和PMOS器件而言,筛选出具有合适功函数的金属栅材料及堆叠结构避免费米钉扎效应,降低刻蚀工艺及集成技术的难度至关重要;三是需要实现超浅结的源漏工程,确保器件具有良好的短沟道效应抑制特性和欧姆接触。

    针对上述核心问题,项目组开展了系统的研究工作,仅用了7个月的时间就漂亮地完成了原定两年多时间的工作:国内首次采用后高K工艺流程,获得小于30纳米栅长的NMOSFET和PMOSFET器件,器件性能优良;对栅工程中阈值电压(Vt)调节,界面层去除,栅介质及金属层填充等工艺难点作了系统研发,为工业界的二次开发提供了一系列工艺解决方案。

    “这标志着我国也加入了高端集成电路先导工艺研发的国际俱乐部。”赵超自豪地说。

    整个团队的付出开始得到回报:该团队随后在更具挑战性的鳍型晶体管(FinFET3D)研发上取得良好进展,完成与工业主流工艺兼容的FinFET工艺集成和器件研发。

    “这些成果为国内芯片制造企业的生产技术开发扫清道路,为半导体集成电路行业中无生产线设计公司及早介入工艺创造条件。”赵超表示。

    由于项目团队采用了与工业生产一致的工艺方法和流程,具备向产业界转移的条件,因而对我国集成电路产业的技术升级形成了具有实际意义的推动作用。

    撑起中国的专利保护伞

    “我们是国家集成电路工艺研发战役中的‘侦察部队’。”赵超告诉科技日报记者,“在与国际巨头的竞争中,我们就是要用专利布局的方法占领战略要地。”

    国家科技重大专项02专项的领导在项目一开始就提出了“专利导向下的研发战略”。“过去,我国在知识产权建设上没有合理的战略布局,是把专利当论文用,我们辛辛苦苦研发的技术其实早就被别人申报了专利。这样,即使有自主研发,也做不到自主知识产权。”赵超感叹道。

    自研发之初,项目团队就把为国内集成电路高K-金属栅极关键工艺建成具有自主知识产权的保护体系作为目标,分析制定了专利地图,寻找专利漏洞,抢占专利先机。这是我国科研方法的一次巨大改变。

    “其实专利就是炮弹,是打仗用的。”赵超告诉记者,在集成电路领域,专利不仅是保护自己的有力盾牌,也是打击对手的锋利武器,专利纠纷经常发生,没有知识产权保护体系就像是毫无防御工事的阵地。

    据了解,项目团队在该领域申请发明专利1650项,其中高K-金属栅极的相关专利全球排名第四,被IBM、台积电、三星等多家国际半导体知名企业引用600多次,基本形成了“你中有我”,为实现对中国企业的专利保护奠定了坚实基础。

    近年来,项目团队成功完成向武汉新芯、中芯国际等国内主要IC制造公司的专利许可和转让达1358件,有力推动了高端产品的技术研发进程。

    先导工艺研发中心还建成了一个能够开展22纳米及以下技术代研发的工艺平台。“工艺平台对后续项目发展起到非常重要的作用。”赵超表示,先导工艺研发中心的研发效率和质量管理系统都是工业化标准的,得到了工业界研发伙伴的充分认可。

    同时,项目对整个集成电路产业链也起到了直接的支撑作用。赵超表示:“研发中心不仅在先导工艺技术研发上起到国家队的作用,同时也成为了国产半导体装备和材料的验证基地、集成电路工程技术人才的培养基地和该领域的国际交流基地。”

    “16纳米的已经做完,7纳米和5纳米的正在布局。”赵超透露,下一步,项目团队将参加更大规模的“战役”,力争把先导技术转化成工业生产技术,为国家集成电路产业发展作出更多贡献。

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