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中国突破半导体新工艺 先要从这位美籍华人讲起

日期:2017-01-14 08:36:29编辑作者:申博官网

日前,中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心在下一代新型FinFET逻辑器件工艺研究上取得重要进展。微电子所殷华湘研究员的课题组利用低温低阻NiPt硅化物在新型FOI FinFET上实现了全金属化源漏(MSD),显著降低源漏寄生电阻,从而将N/PMOS器件性能提高大约30倍,使得驱动性能达到了国际先进水平。

基于本研究成果的论文被2016年IEEE国际电子器件大会(IEDM)接收,并在IEDM的关键分会场之一——硅基先导CMOS工艺和制造技术(PMT)上,由微电子所的张青竹做了学术报告,并得到IBM和意法半导体技术专家的赞扬和认可。

在工艺上落后于国际大厂

一直以来,中国境内晶圆代工厂在技术上落后于Intel、台积电、格罗方德、三星等国际大厂,除了受限于瓦森纳协定无法从西方采购到最先进的半导体设备之外,在工艺上落后于西方也是很重要的原因。工艺有多重要呢?就以28nm poly/SiON、28nm HKMG以及28nm SOI来说,虽然同为28nm制程,但由于具体工艺的区别,导致采用不同工艺的芯片在性能上会有差异。

考虑到如果将意法半导体的28nm SOI和中芯国际的28nm HKMG对比可能会有不同晶圆厂带来的变量,那么以同采用台积电28nm LP工艺、28nm HPC/HPC+工艺、28nm HPM工艺生产的芯片来比较,采用28nm LP工艺的芯片显然在性能上逊色一筹,这也是当年采用28nm LP工艺的高通骁龙615在性能和功耗控制上逊色于采用28nm HPM工艺的联发科6752和采用28nm HPC工艺的麒麟930的原因之一。

中国突破半导体新工艺 先要从这位美籍华人讲起

而在工艺上,国内晶圆代工厂也是落后于Intel、台积电、格罗方德、三星等国际大厂的。举例来说,某自主CPU公司采用了某境内代工厂的40nm LL工艺,然后由于工艺性能有限,境内代工厂的40nm LL工艺比意法半导体的65nm GP工艺还慢30%……

再比如某合资CPU公司在承接了核高基专项后,由于核高基的要求必须采用境内工艺,然而在采用境内28nm制造工艺流片后,CPU的主频连1GHz都不到,随后就去台积电流片了,虽然同样是28nm制程,但台积电就能把主频做到1.2GHz以上,挑一挑体质好的,主频最高可以到2GHz……

另外,除了在工艺上长期落后于国际大厂,国内晶圆厂的工艺大多是技术引进的,而非自主研发,这一方面要付出不菲资金,另外还不得不签一箩筐的各种限制性条款,这会带来不少恶果。要开发出性能优越的的EDA工具,就离不开和先进工艺相结合,国内自主工艺很少有深亚微米的工艺,大多是180nm和130nm。虽然中芯国际有40nm,而且宣称有28nm,但可能没有量产过,或者量产的都是小芯片。而引进的工艺都签过协议,这就对国内EDA公司的技术进步和发展造成了障碍。

因此,自主研发的工艺就弥足珍贵了。在此之前,国内也提出过S-FinFET、后栅纳米线及体硅绝缘Fin-on-insulator FinFET等创新技术,但大多逊色于主流FinFET工艺。而本次微电子所实现的新工艺,则在性能上达到国际先进水平。

FinFET和胡正明

在介绍微电子所开发出的新工艺之前,先介绍下FinFET和FD-SOI工艺。

FinFET中Fin指的是鳍式,FET指的是场效应晶体管,合起来就是鳍式场效应晶体管。在FinFET问世前,一直在使用MOSFET,但由于当栅长小于20nm的情况下,源极和漏极过于接近且氧化物也愈薄,这很有可能会导致漏电现象。就在部分业界认为制造工艺会止步不前,摩尔定律即将失效的情况下,一位华人科学家与其同事共同发明的两项技术使制造工艺得以向20nm以下延续。

中国突破半导体新工艺 先要从这位美籍华人讲起

胡正明

胡正明教授国籍为美国,1947年7月出生于中国北京,1973年获美国加州大学伯克利分校博士学位,1997年当选为美国工程科学院院士。2007年当选中国科学院外籍院士。在十多年前,在美国国防部高级研究计划局的资助下,胡正明教授在加州大学研究如何将CMOS技术拓展到25nm领域。胡正明教授及其同事的研究结果是,要么采用FinFET,要么走基于SOI的超薄绝缘层上硅体技术。

在1999年和2000年,胡教授及其团队成员发表了有关FinFET和UTB-SOI(FD-SOI)的论文,由于当时胡正明教授及其团队认为鲜有厂商可以把SOI基体做到5nm,或者说等人们具备这种技术能力时,FinFET技术可能已经得到了充分的发展,所以包括Intel、台积电等一大批厂商都选择了FinFET。凭借在FinFET等技术创新上的贡献,在2000年,胡正明教授获得美国国防部高级研究项目局最杰出技术成就奖。在2015年,胡正明教授还荣获美国年度国家技术和创新奖。

根据胡正明教授的介绍,FinFET实现了两个突破,一是把晶体做薄并解决了漏电问题,二是向上发展,晶片内构从水平变成垂直,也就是把2D的MOSFET变为3D的FinFET。而这种做法有怎样的效果呢?台积电就曾表示:16nm FinFET工艺能够显著改进芯片性能、功耗,并降低漏电率,栅极密度是台积电28nm HPM工艺的两倍,同等功耗下速度可以加快超过40%,同频率下功耗则可以降低超过60%。

值得一提的是,被三星挖走的前台积电员工梁孟松的博士论文指导教授就是胡正明,想必这也是三星能够在14nm FinFET上实现大跃进的原因之一吧。

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