中國突破半導體新工藝 先要從這位美籍華人講起

【文/ 觀察者網專欄作者 鐵流】

日前，中科院微電子所集成電路先導工藝研發中心在下一代新型FinFET邏輯器件工藝研究上取得重要進展。

微電子所殷華湘研究員的課題組利用低溫低阻NiPt矽化物在新型FOI FinFET上實現了全金屬化源漏（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，使得驅動性能達到了國際先進水平。

基於本研究成果的論文被2016年IEEE國際電子器件大會（IEDM）接收，並在IEDM的關鍵分會場之一——矽基先導CMOS 工藝和製造技術（PMT）上，由微電子所的張青竹做了學術報告，並得到IBM和意法半導體技術專家的讚揚和認可。

在工藝上落後於國際大廠

一直以來，中國境內晶圓代工廠在技術上落後於Intel、台積電、格羅方德、三星等國際大廠，除了受限於瓦森納協定無法從西方採購到最先進的半導體設備之外，在工藝上落後於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製程，但由於具體工藝的區別，導致採用不同工藝的晶片在性能上會有差異。

考慮到如果將意法半導體的28nm SOI和中芯國際的28nm HKMG對比可能會有不同晶圓廠帶來的變量，那麼以同採用台積電28nm LP工藝、28nm HPC/HPC+工藝、28nm HPM工藝生產的晶片來比較，採用28nm LP工藝的晶片顯然在性能上遜色一籌，這也是當年採用28nm LP工藝的高通驍龍615在性能和功耗控制上遜色於採用28nm HPM工藝的聯發科6752和採用28nm HPC工藝的麒麟930的原因之一。

而在工藝上，國內晶圓代工廠也是落後於Intel、台積電、格羅方德、三星等國際大廠的。

舉例來說，某自主CPU公司採用了某境內代工廠的40nm LL工藝，然後由於工藝性能有限，境內代工廠的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項後，由於核高基的要求必須採用境內工藝，然而在採用境內28nm製造工藝流片後，CPU的主頻連1GHz都不到，隨後就去台積電流片了，雖然同樣是28nm製程，但台積電就能把主頻做到1.2GHz以上，挑一挑體質好的，主頻最高可以到2GHz……

另外，除了在工藝上長期落後於國際大廠，國內晶圓廠的工藝大多是技術引進的，而非自主研發，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。

要開發出性能優越的的EDA工具，就離不開和先進工藝相結合，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，而且宣稱有28nm，但可能沒有量產過，或者量產的都是小晶片。

而引進的工藝都簽過協議，這就對國內EDA公司的技術進步和發展造成了障礙。

因此，自主研發的工藝就彌足珍貴了。

在此之前，國內也提出過S-FinFET、後柵納米線及體矽絕緣Fin-on-insulator FinFET等創新技術，但大多遜色於主流FinFET工藝。

而本次微電子所實現的新工藝，則在性能上達到國際先進水平。

FinFET和胡正明

在介紹微電子所開發出的新工藝之前，先介紹下FinFET和FD-SOI工藝。

FinFET中Fin指的是鰭式，FET指的是場效應電晶體，合起來就是鰭式場效應電晶體。

在FinFET問世前，一直在使用MOSFET，但由於當柵長小於20nm的情況下，源極和漏極過於接近且氧化物也愈薄，這很有可能會導致漏電現象。

就在部分業界認為製造工藝會止步不前，摩爾定律即將失效的情況下，一位華人科學家與其同事共同發明的兩項技術使製造工藝得以向20nm以下延續。

胡正明

胡正明教授國籍為美國，1947年7月出生於中國北京，1973年獲美國加州大學伯克利分校博士學位，1997年當選為美國工程科學院院士。

2007年當選中國科學院外籍院士。

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研究如何將CMOS技術如何拓展到25nm領域。

胡正明教授及其同事的研究結果是，要麼採用FinFET，要麼走基於SOI的超薄絕緣層上矽體技術。

在1999年和2000年，胡教授及其團隊成員發表了有關FinFET和UTB-SOI（FD-SOI）的論文，由於當時胡正明教授及其團隊認為鮮有廠商可以把SOI基體做到5nm，或者說等人們具備這種技術能力時，FinFET技術可能已經得到了充分的發展，所以包括Intel、台積電等一大批廠商都選擇了FinFET。

憑藉在FinFET等技術創新上的貢獻，在2000年，胡正明教授獲得美國國防部高級研究項目局最傑出技術成就獎。

在2015年，胡正明教授還榮獲美國年度國家技術和創新獎。

根據胡正明教授的介紹，FinFET實現了兩個突破，一是把晶體做薄並解決了漏電問題，二是向上發展，晶片內構從水平變成垂直，也就是把2D的MOSFET變為3D的FinFET。

而這種做法有怎樣的效果呢？台積電就曾表示：16nm FinFET工藝能夠顯著改進晶片性能、功耗，並降低漏電率，柵極密度是台積電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，被三星挖走的前台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上實現大躍進的原因之一吧。

FD-SOI非主流並不意味著落後

相對於在電晶體上做文章的FinFET，SOI工藝則著眼於晶片底襯。

SOI (Silicon-On-Insulator絕緣體上矽)是指絕緣層上的矽，是一種用於集成電路的供應商製造的新型原材料。

SOI技術作為一種全介質隔離技術，可以用來替代矽襯底。

FD-SOI就是在襯底上做文章，在電晶體相同的情況下，採用FD-SOI技術可以實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%；

晶片面積比28nmBulk縮小了20%；

光刻層比FinFET工藝減少接近50%；

晶片成本比16/14nm低了20%。

如果格羅方德發布的數據屬實，那麼22nm FD-SOI擁有堪比14/16nm FinFET的性能和功耗，但晶片的成本卻與28nm相當。

而且格羅方德還表示：若是將製程提升到14nm，相對於28nm SOI會有35%的性能提升，功耗也會降到原來的一半。

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，與體矽電路相比，SOI電路的抗輻照強度提高了100倍。

在高溫環境下，SOI器件性能明顯優於體矽器件。

那麼，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技術授權呢？原因就在於採用SOI工藝成本較高，而且現階段Intel和台積電在矽襯底上能夠做出滿足要求的晶片，所以依舊使用矽襯底，台積電市場份額巨大，而Intel有最好的技術，兩家選擇了FinFET，自然而然整個產業鏈就跟著走，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，當年胡正明教授及其團隊認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，這些晶圓的頂層矽膜原始厚度只有12nm，然後再經處理去掉頂部的7nm厚度矽膜，最後便可得到5nm厚度的矽膜。

這便為UTB-SOI技術的實用化鋪平了道路。

」

胡正明教授認為：FinFET和UTB-SOI技術是可以並存的，不過在未來幾年內，兩者都會想盡辦法彼此超越對方成為主流技術。

現在Intel採用了FinFET技術，原因是這種技術可以讓微處理器的性能相對更強。

他認為台積電公司會在14nm節點開始採用FinFET技術，然後則會為低功耗產品的用戶推出應用了UTB-SOI技術的產品。

而聯電公司則會減輕對FinFET技術的投資力度，並直接轉向UTB-SOI技術。

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邏輯器件工藝麼？為何整了這麼多FinFET和SOI的相關內容？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優點的集成。

由於技術和商業上的原因，摩爾定律也失去了效力，而且受制於光刻技術、矽材料的極限等因素，晶片製程提升很可能會遭遇瓶頸。

這種情況下，若要再進一步提升晶片性能，將FinFET和SOI相結合的道路不失為解決之道——採用FinFET電晶體+SOI襯底來提升晶片性能，畢竟FinFET（電晶體）+FD-SOI（底襯）顯然是優於FinFET（電晶體）+矽襯底的。

而這也是FOI FinFET已經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於FinFET（電晶體）+FD-SOI（底襯）的思路，並加入了自己獨有的創新，能有效彌補FOI FinFET的固有缺陷，並有增強了電子遷移率、成本更低等優勢。

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注。

必須指出的是，能否被商業化，技術指標是一方面，產業聯盟也非常重要，如果國內研究所、企業能夠和IBM、意法半導體、格羅方德等公司組成產業聯盟，共同推廣這項工藝，也許能有所斬獲。

（作者微信公眾號：tieliu1988）

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