中國半導體產業發展文集摘自中國半導體行業協會-資料下載頁

　　

【正文】 005年提出為了集成電路的進一步發展要開展新興材料、新型器件、新工藝技術和摩爾定律以外的擴展摩爾定律（more than Moore）的研究，2007年更加明確了今后三個發展方向。（1）延續摩爾定律（More Moore）:繼續以等比例縮小CMOS器件的工藝特征尺寸，提高集成度，以及通過新材料的運用和器件結構的創新來改善電路的性能。集成各種存儲器、微處理器、數字信號處理和邏輯電路等，繼續以信息處理數字電路為主發展數以億計以上晶體管的系統級芯片（SOC）技術。（2）擴展摩爾定律（More than Moore）：以系統級封裝（SiP）為代表的功能多樣化道路列為半導體技術發展的新方向，著眼于增加系統集成的多種功能，而不是過去一直追求縮小特征尺寸和提高器件密度。即將數字和非數字功能、硅和非硅材料與器件、CMOS和非CMOS電路等光電、MEMS、甚至生物芯片等集成在一個封裝內，完成單片SOC不能實現的復雜功能和特定的封裝級子系統或系統。這將導致電子學系統的革命性變化。（3）超越CMOS（Beyond CMOS）：探索新原理、新材料和器件與電路的新結構向著納米、亞納米以及多功能化器件方向發展，發明和簡化新的信息處理技術，以取代面臨極限的CMOS器件，如自旋電子、單電子、量子、分子和單原子器件等。基于上述要求研究的材料和器件主要是滿足電路的高性能和特殊功能的要求。縱觀集成電路的發展歷史，不斷創新是CMOS電路前進的推動力。自從60年代初解決了硅的表面和界面態問題后MOS電路以其工藝簡單，易于大規模集成而得到迅速發展。80年代初CMOS的新結構電路又以低功耗和抗干擾強等優點逐步取代了N溝MOS和雙極型集成電路，從而開創了集成電路和信息時代的新紀元。1974年Dannard提出了MOS器件等比例縮小理論，指出了在保證性能不變的情況下器件尺寸縮小的規律。從一開始SiO2介質Al柵電極到能夠自對準和耐較高溫度的多晶硅柵極，再發展到目前可以將柵絕緣層隧穿電流減少幾個數量級的高K介質和金屬柵。在工藝技術方面以作為圖形轉移的光刻機的曝光波長為例，由開始紫外光的G線（436納米）、I線（365納米）發展至深紫外248納米和193納米，進一步結合光學鄰近效應修正、浸沒式光刻和雙重圖形等技術的優點將193納米技術一直沿用到22納米，甚至14納米。未來14nm節點以下技術的發展可能是極紫外（）光刻等。當然無論是器件結構還是器件工藝的創新遠不至于此。每一個發展中的里程碑都蘊涵著研究人員大量創新的結果，使得器件尺寸不斷縮小和電路的性能繼續改善。在今天CMOS器件面臨物理極限的嚴峻挑戰形勢下，以創新尋求解決方案更是急不可待任務。ITRS提出的擴展摩爾定律（More than Moore）和超越CMOS（Beyond CMOS）的兩個新方向，都是基于CMOS以外的創新考慮。它們勢必會給集成電路的發展開辟新的天地。然而作為集成電路主流的CMOS技術以它的成熟工藝技術、優越的性價比、多年來形成的系統芯片設計基礎，不會輕易被其它器件所超越。因此在近期不短的時間內研究的核心仍將是在工藝技術、器件結構、甚至新材料的不斷變革中繼續縮小尺寸和提高性能，把集成電路推向更高的水平。英特爾已計劃于2015年推出10納米制程芯片，并開始對7納米和5納米制程技術進行研究，CMOS的物理極限一再被推向更小的尺寸。未來，能否驅動CMOS技術向前發展的關鍵依賴于新的制造工藝、新型晶體管結構和新的溝道材料等方面的創新成果。CMOS技術將會繼續擁有大的發展前景和空間。過去為了減小短溝道效應（SCE）在溝道區摻雜更多的磷和硼，造成閾值電壓升高，電流下降和速度降低，而摻雜數目所產生的隨機摻雜波動（RDF）所產生的隨機閾值變化將會導致超過100mv的閾值變化。此外，亞閾值漏電電流、柵隧道電流、體漏電電流和器件溫度的上升都將導致對功耗等問題嚴重的挑戰。為了解決上述問題出現了多種新的器件結構，這里只簡述當前國際上對于CMOS技術發展的主要方向歸納為以下幾方面：一、延續平面型CMOS晶體管—全耗盡（FD）型CMOS技術IBM公司2009年12月推出了全耗盡超薄SOI（FDETSOI）CMOS技術（圖1），具有優良的短溝道效應控制能力，由于本體不摻雜可降低器件參數的波動和體漏電電流，其工藝技術與當前平面CMOS主流技術兼容等優點。為了實現全耗盡性能，發展到15nm則將進一步減小到5nm。因此如何解決極薄硅膜的晶體完整，抵制氧和其它雜質的擴散，以及硅層厚度的均勻性（厚度誤差控制在177。）等基片材料制造是需要研究突破的關鍵問題。目前只有Soitec公司能提供少量的ETSOI產品。除了材料問題外，器件的工藝技術也有相當大的變革，如采用原位摻雜（insitedoping）和脈沖退火（spikeanneal）代替離子注入，高溫處理等工藝。這種平面型結構由于源、漏和柵都處于同一平面內，不利于器件密度的提升，最終仍然將轉向立體型晶體管結構。二、采用全新的立體型（FinFET或三柵）晶體管結構所謂FinFET就是將FDETSOI的薄硅層轉90度變成立體的硅鰭片（Fin）這樣可以縱向外延較厚，避免了薄硅外延的質量問題，再用刻蝕技術在橫向形成幾個nm的全耗盡區，節省了源漏占據硅襯底的面積，使得器件密度和性能均有較大的提高。FinFET的優點是在一個縱向立體薄硅片的對面兩側的雙柵結構實現全耗盡型工作。其襯底可以是SOI，也可以是體硅。體硅與SOI的區別在于Fin底部沒有和襯底隔離開，有利于散熱，但是Fin的底部受柵極的控制較弱而形成非完全耗盡的晶體管易造成較大的泄漏電流，因此需要在Fin底部附近形成穿通阻擋層，雖然增加了工藝的復雜性，卻避免采用昂貴的SOI襯底。Intel報道體硅襯底泄漏電流已達1na/181。m（手機設備要求10pa/181。m）距離需求尚有一段距離。FinFET器件柵的寬度設計是不連續的（圖3），只能增加Fin的數目，柵寬呈Fin的倍數。FinFET能夠具有全耗盡晶體管的優良特性，又能使器件尺寸不斷縮小，密度繼續增加，是未來集成電路的必然趨勢。立體結構給制造工藝技術和設計帶來較大的變革，這需要更多的復雜工藝技術創新獲得最終的解決。　　　　三、新溝道材料器件新材料在延續CMOS技術方面起著重要的作用。采用IIIV族半導體異質溝道的器件具有高遷移率，高有效速度，工作電流較硅有顯著增加，此外可以降低工作電壓（只有目前所用電壓的一半，）和功耗。2009年IEDM會議上斯坦福大學教授KrishnaSaraswat預言10nm柵長后需要選用新的溝道材料，近來呼聲較高的是由電子遷移率高的IIIV材料（如InGaAs等）為NMOS管和空穴遷移率高的Ge材料為PMOS管構成優良的互補CMOS結構。這些只是在電路中性能要求高的部分用選擇外延方法實現，與傳統平面型制造工藝基本兼容。進一步的研究是尋找能同時滿足N溝和P溝器件的高遷移率材料，這樣就可以簡化工藝，又提高了性能。石墨烯具有高遷移率（是硅的100倍），而且電子和空穴的遷移率兩者相近，適于作對稱的N溝和P溝晶體管，組成互補CMOS結構。因此若能在硅上生長石墨烯薄膜將會結合硅基和碳基材料的優點，是集成電路的又一創新。　　　　四、其它新型場效應晶體管，如平面雙柵晶體管、隧穿場效應晶體管（TFET）和納米線MOS晶體管等都具有一定的優勢和需要克服的缺點，有待進一步研究解決鑒于CMOS技術具有優越的性能，制造工藝非常成熟，易于自動化和大規模生產，已成為計算機和通信業設計的基礎，我們應當在充分挖掘現有成熟工藝的潛力的同時，重視研究未來集成電路器件所面臨的變革。集成電路新器件的優選條件是低成本、低功耗、高速度、大容量、易于大規模生產、能與CMOS技術兼容和與現有的計算機體系結構兼容等。相信在10nm節點以后CMOS仍將具有較大的技術空間，需要我們繼續探索和創新。參考文獻：1）“CMOS Transitions to 22 and 15 nm”Semiconductor International， January， ， 20102）“UltraFast（）CMOS Circuits in Fully Depleted SOI Films”IEEE Transaction on ED ， ， ， March 1992圖片由網上下載。技術創新是推動集成電路產業發展的不竭動力中國科學院院士、上海市集成電路行業協會名譽會長 鄒世昌摘要：本文在分析半導體器件創新、工藝創新和產品創新對集成電路產業發展的推動作用的基礎上，提出當前集成電路技術發展正處于戰略轉折期，緊緊抓住這個機遇，合理布局，積極創新，有利于實現我國集成電路產業跨越式的發展。集成電路產業被譽為當代技術創新最多、技術更新最快的產業。雖然集成電路產業發展離不開應用市場的外力驅動，但是集成電路技術的每一項創新，無論是器件創新、工藝創新、還是產品創新，始終是推動集成電路產業發展的內在動力。一、從“半導體技術創新年代表”說起從世界第一枚鍺點接觸三極管發明至今已有60余年的歷史。在這60多年中，新的半導體器件不斷誕生，新的工藝技術層出不窮，新的半導體產品大量涌現，這些技術創新成果就像無數的江河湖水傾注于集成電路產業的浩瀚大海，形成了一波又一波的集成電路產業發展浪潮。首先，我們將1947年至2011年半導體及集成電路領域的主要發明創新列成一張“半導體技術創新年代表”（如表1）。然后，我們可以從中看到：表1 半導體技術創新年代表年份器件創新工藝創新產品創新1947*鍺點接觸三極管1949鍺合金晶體管鍺合金工藝1953鍺合金擴散晶體管鍺、硅擴散工藝1954硅晶體管太陽能電池1956*隧道效應二極管1957硅可控整流器（SCR）1958*集成電路（IC）1959硅平面工藝1960第一塊實用化集成電路1961MOS場效應晶體管TTL集成電路小規模集成電路（SSI）1962光電二極管（LED）1963MOS集成電路1964中規模集成電路（MSI）1965砷化鎵臺面場效應晶體管1967動態隨機存儲器（DRAM）1969*電荷耦合器件（CCD）電可擦寫固定存儲器（EEPROM）3英寸硅片大規模集成電路（LSI）1970靜電感應晶體管（SIT）1971810微米工藝4位微處理器（i4004）1kb動態存儲器（1kb DRAM）19736微米工藝8080CPU4kb DRAM19784英寸硅片、4微米工藝19803微米工藝64kb DRAM1983256kb DRAM80286 CPU19866英寸硅片、80386 CPU1987快閃存儲器（Flash）有機發光二級管（OLED）19894Mb DRAM80486 CPU1993CMOS圖像傳感器（CIS）16Mb DRAMPentium19948英寸硅片超大規模集成電路（VLSI）1995PentiumⅡ1997蘭光光電二極管蘭光激光器1998PCRAM銅（Cu）互連工藝PentiumⅢ1999256Mb DRAM200012英寸硅片極大規模集成電路（ULSI）2001200390納米工藝2Gb NAND Flash2004*石墨烯（Graphone）DDR DRAM200565納米工藝DDR2 DRAM2006雙核CPU8Gb NAND Flash200745納米工藝高k介質金屬柵結構（HK/MG）16Gb NAND Flash2008三維MOS晶體管（FinFET）四核CPU2Gb 移動 DRAM32Gb NAND Flash200932納米工藝八核CPUDDR3 DRAM201028納米工藝APU（CPU+GPU）201122納米工藝酷睿iii7*注：鍺點接觸晶體管、隧道效應二極管（FED）、集成電路（IC）、電荷耦合器件（CCD）和石墨烯（Graphene）是迄今為止在半導體領域內獲得諾貝爾物理獎的五項重大發明。（一）半導體器件的發明大都集中于上世代七十年代以前，每一種半導體效應的發現都孕育了該類半導體器件的發明這時期的主要發明有：晶體管、集成電路（IC）、太陽能電池（solarcell）、光電二極管（LED）、硅可控整流器（SCR）和電荷耦合器件（CCD）等。其中，晶體管的發明迎來了上世紀5060年代晶體管的“黃金時代”。也為集成電路發明吹響了前奏曲。集成電路的發明是半導體領域的最大創新成就，集成電路的發明和發展不僅使其成為當代半導體領域的主角，而且也極大改變了近代電子信息產業的發展進程。太陽能電池和光電二極管雖然發明很早，但正如法國經濟學家諾爾曼?泊爾（NormanPoire）所說，“一個新技術的出現平均要經過28年的發展才能成熟，然后進入高速發展時期”，因而直至上世紀80年代以后才分別興起了光伏產業（PV）和半導體顯示產業。以后，光電二極管又和1987年發明的有機發光二級管（OLED）以及1997年發明的藍光光電二極管結合，共同掀起了半導體照明產業的發展高潮。這些新興的半導體產業，造就了豐富多彩“泛半導體技術”和“泛半導體產業”。（二）縱觀半導體工藝技術的創新歷程，縮小特征尺寸和增長硅片直徑是推動集成電路技術進步的兩大要素特征尺寸有規律的不斷縮小是摩爾定律的物理基礎。集成電路集成度的不斷增加，使許多復雜功能的芯片成為現實，從而創造了集成電路產品的一代又一代的“奇跡”。硅片直徑的每次增大，既推動了集成電路生產規模的擴