推動中國集成電路技術砥礪前行

科研人員在光刻實驗室工作

小小的晶元承載科技創新的夢想和驅動力。

集成電路晶元是信息時代的核心基石，它被譽為現代工業的「糧食」，更成為全球高科技競爭中的戰略必爭制高點。然而，長期以來，晶元產業一直受到西方在先進位造裝備、材料和工藝引進等方面的種種限制，想要擁有自主知識產權的高技術晶元，就必須發展自己的集成電路製造體系。

近年來，在集成電路晶元領域投入巨大人力物力，取得了顯著成效。尤其是中科院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心通過4年的艱苦攻關，在22納米關鍵工藝技術先導研究與平台建設上，實現了重要突破。

這讓集成電路製造產業開始擁有自己的話語權，該成果也為繼續自主研發16納米及以下技術代的關鍵工藝提供了必要的技術支撐，表明已開始在全球尖端集成電路技術創新鏈中擁有了自己的地位。在2016年度北京市科學技術獎評選中，「22納米集成電路核心工藝技術及應用」項目榮獲一等獎。

事關摩爾定律的生死

很多人知道摩爾定律，但很少有人知道，在2004年左右，摩爾定律差點「死了」。

最終是一個名為高K-金屬柵極的技術，讓我們今天可以輕鬆的工作、上網，而不用考慮晶元太熱、漏電等問題造成的電腦或手機性能下降。

根據摩爾定律，每18個月就會在同樣面積的矽片上把兩倍的晶體管「塞」進去。按之前的工藝，已經將晶體管的組成部分做到了幾個分子和原子的厚度，組成半導體的材料已經達到了極限。其中，最早達到這個極限的部件是組成晶體管的柵極氧化物——柵極介電質，原有的工藝都是採用二氧化硅層作為柵極介電質。

「我們可以把柵極比喻為控制水管的閥門，開啟讓水流過，關閉截止水流。」中科院微電子研究所集成電路先導工藝研發中心主任趙超告訴記者，從65nm開始，我們已經無法讓二氧化硅柵極介電質繼續縮減變薄，如果不能解決柵極向下的漏電問題以及源極和漏極之間的漏電問題，摩爾定律可能會失效，新一代處理器的問世可能變得遙遙無期。

尋找比二氧化硅更好的「絕緣體」，迫在眉睫。「這種材料應具有良好的絕緣屬性，同時在柵極和晶體硅襯底的通道之間（源極和漏極之間）產生很好的場效應。」趙超告訴記者，英特爾公司的科學家經過反覆測試，率先在22納米 CMOS技術節點引入高K-金屬柵極技術，有效地降低了成本，減少了功耗並提高了器件性能。

「這項技術拯救了摩爾定律，成功研製高K-金屬柵極並將之付諸量產，被譽為半導體業界40年來里程碑式的革命性突破。」趙超說。

自此，22納米CMOS技術成了全球研究開發的又一代有重大技術創新的集成電路製造工藝，各國都投入了巨大資金，力爭搶佔技術制高點。

這是集成電路研發體系繞不過去的坎。「2009年，在國家科技重大專項的支持下，開始22納米關鍵技術先導研發。我們與項目聯合承擔單位，北京大學、清華大學、復旦大學和中科院微系統所的項目組一道，開展了系統的聯合攻關。」趙超說。

加入高端集成電路先導工藝研發國際俱樂部

4位「千人計劃」、5位中科院百人計劃，30多位工業界核心的工程師團隊……先導工藝研發中心擁有這樣一支令人艷羨的國際化研發團隊。

2009年，在國家科技重大專項的支持下，微電子所成立研發團隊並引進了一大批海歸，建成了擁有200多名研發人員的集成電路先導工藝研發中心，趙超就是其中的一位。

研發方向有了，人也有了，但項目團隊依然面臨著巨大的挑戰。

「我們研發與工業主流工藝兼容的22納米器件結構和工藝製程幾乎是從零開始。」趙超說。

尤其是器件製造工藝及集成技術給團隊帶來巨大挑戰：一是界面工程，需要研究高K材料與硅溝道的界面態特性、應力引入控制機制、影響載流子遷移率的原理機制等；二是柵工程，對高性能的NMOS和PMOS器件而言，篩選出具有合適功函數的金屬柵材料及堆疊結構避免費米釘扎效應，降低刻蝕工藝及集成技術的難度至關重要；三是需要實現超淺結的源漏工程，確保器件具有良好的短溝道效應抑制特性和歐姆接觸。

針對上述核心問題，項目組開展了系統的研究工作，僅用了7個月的時間就漂亮地完成了原定兩年多時間的工作：國內首次採用后高K工藝流程，獲得小於30納米柵長的NMOSFET和PMOSFET器件，器件性能優良；對柵工程中閾值電壓（Vt）調節，界面層去除，柵介質及金屬層填充等工藝難點作了系統研發，為工業界的二次開發提供了一系列工藝解決方案。

「這標誌著也加入了高端集成電路先導工藝研發的國際俱樂部。」趙超自豪地說。

整個團隊的付出開始得到回報：該團隊隨後在更具挑戰性的鰭型晶體管（FinFET3D）研發上取得良好進展，完成與工業主流工藝兼容的FinFET工藝集成和器件研發。

「這些成果為國內晶元製造企業的生產技術開發掃清道路，為半導體集成電路行業中無生產線設計公司及早介入工藝創造條件。」趙超表示。

由於項目團隊採用了與工業生產一致的工藝方法和流程，具備向產業界轉移的條件，因而對集成電路產業的技術升級形成了具有實際意義的推動作用。

撐起的專利保護傘

「我們是國家集成電路工藝研發戰役中的『偵察部隊』。」趙超告訴科技日報記者，「在與國際巨頭的競爭中，我們就是要用專利布局的方法佔領戰略要地。」

國家科技重大專項02專項的領導在項目一開始就提出了「專利導向下的研發戰略」。「過去，在知識產權建設上沒有合理的戰略布局，是把專利當論文用，我們辛辛苦苦研發的技術其實早就被別人申報了專利。這樣，即使有自主研發，也做不到自主知識產權。」趙超感嘆道。

自研發之初，項目團隊就把為國內集成電路高K-金屬柵極關鍵工藝建成具有自主知識產權的保護體系作為目標，分析制定了專利地圖，尋找專利漏洞，搶佔專利先機。這是科研方法的一次巨大改變。

「其實專利就是炮彈，是打仗用的。」趙超告訴記者，在集成電路領域，專利不僅是保護自己的有力盾牌，也是打擊對手的鋒利武器，專利糾紛經常發生，沒有知識產權保護體系就像是毫無防禦工事的陣地。

據了解，項目團隊在該領域申請發明專利1650項，其中高K-金屬柵極的相關專利全球排名第四，被IBM、台積電、三星等多家國際半導體知名企業引用600多次，基本形成了「你中有我」，為實現對企業的專利保護奠定了堅實基礎。

近年來，項目團隊成功完成向武漢新芯、中芯國際等國內主要IC製造公司的專利許可和轉讓達1358件，有力推動了高端產品的技術研發進程。

先導工藝研發中心還建成了一個能夠開展22納米及以下技術代研發的工藝平台。「工藝平台對後續項目發展起到非常重要的作用。」趙超表示，先導工藝研發中心的研發效率和質量管理系統都是工業化標準的，得到了工業界研發夥伴的充分認可。

同時，項目對整個集成電路產業鏈也起到了直接的支撐作用。趙超表示：「研發中心不僅在先導工藝技術研發上起到國家隊的作用，同時也成為了國產半導體裝備和材料的驗證基地、集成電路工程技術人才的培養基地和該領域的國際交流基地。」

「16納米的已經做完，7納米和5納米的正在布局。」趙超透露，下一步，項目團隊將參加更大規模的「戰役」，力爭把先導技術轉化成工業生產技術，為國家集成電路產業發展作出更多貢獻。