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  • 中國突破半導體新工藝 先要從這位美籍華人講起

    時間:2017-01-14來源:日益和化工(蘇州)有限公司 作者:日益和 訪問:

    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硅化物在新型FOIFinFET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?;诒狙芯砍晒恼撐谋?016年IEEE國際電子器件大會(IEDM)接收,并在IEDM的關鍵分會場之一——硅基先導CMOS工藝和制造技術(PMT)上,由微電子所的張青竹做了學術報告,并得到IBM和意法半導體技術專家的贊揚和認可。

      在工藝上落后于國際大廠

      一直以來,中國境內晶圓代工廠在技術上落后于Intel、臺積電、格羅方德、三星等國際大廠,除了受限于瓦森納協定無法從西方采購到最先進的半導體設備之外,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28nmpoly/SiON、28nmHKMG以及28nmSOI來說,雖然同為28nm制程,但由于具體工藝的區別,導致采用不同工藝的芯片在性能上會有差異。

      考慮到如果將意法半導體的28nmSOI和中芯國際的28nmHKMG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28nmLP工藝、28nmHPC/HPC+工藝、28nmHPM工藝生產的芯片來比較,采用28nmLP工藝的芯片顯然在性能上遜色一籌,這也是當年采用28nmLP工藝的高通驍龍615在性能和功耗控制上遜色于采用28nmHPM工藝的聯發科6752和采用28nmHPC工藝的麒麟930的原因之一。


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    而在工藝上,國內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公司采用了某境內代工廠的40nmLL工藝,然后由于工藝性能有限,境內代工廠的40nmLL工藝比意法半導體的65nmGP工藝還慢30%……

      再比如某合資CPU公司在承接了核高基專項后,由于核高基的要求必須采用境內工藝,然而在采用境內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,或者量產的都是小芯片。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、后柵納米線及體硅絕緣Fin-on-insulatorFinFET等創新技術,但大多遜色于主流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指的是場效應晶體管,合起來就是鰭式場效應晶體管。在FinFET問世前,一直在使用MOSFET,但由于當柵長小于20nm的情況下,源極和漏極過于接近且氧化物也愈薄,這很有可能會導致漏電現象。就在部分業界認為制造工藝會止步不前,摩爾定律即將失效的情況下,一位華人科學家與其同事共同發明的兩項技術使制造工藝得以向20nm以下延續。


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      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技術拓展到25nm領域。胡正明教授及其同事的研究結果是,要么采用FinFET,要么走基于SOI的超薄絕緣層上硅體技術。

      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,由于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、臺積電等一大批廠商都選擇了FinFET。憑借在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杰出技術成就獎。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,一是把晶體做薄并解決了漏電問題,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?臺積電就曾表示:16nmFinFET工藝能夠顯著改進芯片性能、功耗,并降低漏電率,柵極密度是臺積電28nmHPM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教授就是胡正明,想必這也是三星能夠在14nmFinFET上實現大躍進的原因之一吧。

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