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中国突破半导体新工艺研究 美籍华裔有功(图)

来源:观察者 俄罗斯中文网
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时间:2017-01-04
 


  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。

  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。

  胡正明教授(上图)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。

  FD-SOI非主流并不意味着落后

  相对于在晶体管上做文章的FinFET,SOI工艺则着眼于晶片底衬。

  SOI (Silicon-On-Insulator绝缘体上硅)是指绝缘层上的硅,是一种用于集成电路的供应商制造的新型原材料。SOI技术作为一种全介质隔离技术,可以用来替代硅衬底。FD-SOI就是在衬底上做文章,在晶体管相同的情况下,采用FD-SOI技术可以实现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。

  根据格罗方德公布的数据:

  22nm FD-SOI工艺功耗比28nmHKMG降低了70%;

  芯片面积比28nmBulk缩小了20%;

  光刻层比FinFET工艺减少接近50%;

  芯片成本比16/14nm低了20%。

  如果格罗方德发布的数据属实,那么22nm FD-SOI拥有堪比14/16nm FinFET的性能和功耗,但芯片的成本却与28nm相当。而且格罗方德还表示:若是将制程提升到14nm,相对于28nm SOI会有35%的性能提升,功耗也会降到原来的一半。

  另外,SOI还具有了较高的跨导、降低的寄生电容、减弱的短沟效应、较为陡直的亚阈斜率,与体硅电路相比,SOI电路的抗辐照强度提高了100倍。在高温环境下,SOI器件性能明显优于体硅器件。

  那么,为何FinFET会成为主流,即便是掌握了22nm FD-SOI工艺的格罗方德还是购买了三星的14nm FinFET技术授权呢?原因就在于采用SOI工艺成本较高,而且现阶段Intel和台积电在硅衬底上能够做出满足要求的芯片,所以依旧使用硅衬底,台积电市场份额巨大,而Intel有最好的技术,两家选择了FinFET,自然而然整个产业链就跟着走,SOI工艺也就只能在射频和传感器市场找存在感了。

  之前提到,当年胡正明教授及其团队认为恐怕很难有厂商可以把SOI基体做到5nm,但在不久前,胡正明教授表示:“法国Soitec公司改变了这种情况,他们开始推出300mm UTB-SOI的晶圆样品,这些晶圆的顶层硅膜原始厚度只有12nm,然后再经处理去掉顶部的7nm厚度硅膜,最后便可得到5nm厚度的硅膜。这便为UTB-SOI技术的实用化铺平了道路。”

  胡正明教授认为:FinFET和UTB-SOI技术是可以并存的,不过在未来几年内,两者都会想尽办法彼此超越对方成为主流技术。现在Intel采用了FinFET技术,原因是这种技术可以让微处理器的性能相对更强。他认为台积电公司会在14nm节点开始采用FinFET技术,然后则会为低功耗产品的用户推出应用了UTB-SOI技术的产品。而联电公司则会减轻对FinFET技术的投资力度,并直接转向UTB-SOI技术。

  微电子所新工艺值得期待

  不是要介绍微电子所的下一代新型FinFET逻辑器件工艺么?为何整了这么多FinFET和SOI的相关内容?这是因为微电子所的新工艺某种程度上可以理解为是对FinFET和SOI优点的集成。

  由于技术和商业上的原因,摩尔定律也失去了效力,而且受制于光刻技术、硅材料的极限等因素,芯片制程提升很可能会遭遇瓶颈。这种情况下,若要再进一步提升芯片性能,将FinFET和SOI相结合的道路不失为解决之道——采用FinFET晶体管+SOI衬底来提升芯片性能,毕竟FinFET(晶体管)+FD-SOI(底衬)显然是优于FinFET(晶体管)+硅衬底的。而这也是FOI FinFET已经成为重要的研究方向的原因之一。

  而微电子所的新工艺就类似于FinFET(晶体管)+FD-SOI(底衬)的思路,并加入了自己独有的创新,能有效弥补FOI FinFET的固有缺陷,并有增强了电子迁移率、成本更低等优势。

  也正是因此,微电子所的新型FinFET器件工艺能够得到IBM、意法半导体等国际知名主流集成电路公司的热切关注。

  必须指出的是,能否被商业化,技术指标是一方面,产业联盟也非常重要,如果国内研究所、企业能够和IBM、意法半导体、格罗方德等公司组成产业联盟,共同推广这项工艺,也许能有所斩获。  
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