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2017-01-03 14:54:09
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微電子半導體
finfet
半導體工藝
【文/ 觀察者網專欄作者 鐵流】
日前，中科院微電子所積體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矽化物在新型foi finfet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器件效能提高大約30倍，使得驅動效能達到了國際先進水平。
基於本研究成果的**被2023年ieee國際電子器件大會（iedm）接收，並在iedm的關鍵分會場之一——矽基先導cmos 工藝和製造技術（pmt）上，由微電子所的張青竹做了學術報告，並得到ibm和意法半導體技術專家的讚揚和認可。
在工藝上落後於國際大廠
一直以來，中國境內晶圓代工廠在技術上落後於intel、台積電、格羅方德、三星等國際大廠，除了受限於瓦森納協定無法從西方採購到最先進的半導體裝置之外，在工藝上落後於西方也是很重要的原因。工藝有多重要呢？就以28nm poly/sion、28nm hkmg以及28nm soi來說，雖然同為28nm製程，但由於具體工藝的區別，導致採用不同工藝的晶元在效能上會有差異。
考慮到如果將意法半導體的28nm soi和中芯國際的28nm hkmg對比可能會有不同晶圓廠帶來的變數，那麼以同採用台積電28nm lp工藝、28nm hpc/hpc+工藝、28nm hpm工藝生產的晶元來比較，採用28nm lp工藝的晶元顯然在效能上遜色一籌，這也是當年採用28nm lp工藝的高通驍龍615在效能和功耗控制上遜色於採用28nm hpm工藝的聯發科6752和採用28nm hpc工藝的麒麟930的原因之一。
而在工藝上，國內晶圓代工廠也是落後於intel、台積電、格羅方德、三星等國際大廠的。舉例來說，某自主cpu公司採用了某境內代工廠的40nm ll工藝，然後由於工藝效能有限，境內代工廠的40nm ll工藝比意法半導體的65nm gp工藝還慢30%……
再比如某合資cpu公司在承接了核高基專項後，由於核高基的要求必須採用境內工藝，然而在採用境內28nm製造工藝流片後，cpu的主頻連1ghz都不到，隨後就去台積電流片了，雖然同樣是28nm製程，但台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後於國際大廠，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，另外還不得不籤一籮筐的各種限制性條款，這會帶來不少惡果。要開發出效能優越的的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公尺的工藝，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，或者量產的都是小晶元。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、後柵奈米線及體矽絕緣fin-on-insulator finfet等創新技術，但大多遜色於主流finfet工藝。而本次微電子所實現的新工藝，則在效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指的是場效應電晶體，合起來就是鰭式場效應電晶體。在finfet問世前，一直在使用mosfet，但由於當柵長小於20nm的情況下，源極和漏極過於接近且氧化物也愈薄，這很有可能會導致漏電現象。就在部分業界認為製造工藝會止步不前，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製造工藝得以向20nm以下延續。
胡正明
胡正明教授國籍為美國，2023年7月出生於中國北京，2023年獲美國加州大學伯克利分校博士學位，2023年當選為美國工程科學院院士。2023年當選中國科學院外籍院士。在十多年前，在美國國防部高階研究計畫局的資助下，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，要麼採用finfet，要麼走基於soi的超薄絕緣層上矽體技術。
在2023年和2023年，胡教授及其團隊成員發表了有關finfet和utb-soi（fd-soi）的**，由於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、台積電等一大批廠商都選擇了finfet。憑藉在finfet等技術創新上的貢獻，在2023年，胡正明教授獲得美國國防部高階研究專案局最傑出技術成就獎。在2023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，一是把晶體做薄並解決了漏電問題，二是向上發展，晶元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？台積電就曾表示：16nm finfet工藝能夠顯著改進晶元效能、功耗，並降低漏電率，柵極密度是台積電28nm hpm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，被三星挖走的前台積電員工梁孟松的博士**指導教授就是胡正明，想必這也是三星能夠在14nm finfet上實現大躍進的原因之一吧。
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