科研人員在光刻實驗室工作

　　小小的芯片承載我國科技創(chuàng)新的夢想和驅(qū)動力。

　　集成電路芯片是信息時代的核心基石，它被譽為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”，更成為全球高科技競爭中的戰(zhàn)略必爭制高點。然而，長期以來，我國芯片產(chǎn)業(yè)一直受到西方在先進制造裝備、材料和工藝引進等方面的種種限制，想要擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)芯片，就必須發(fā)展我國自己的集成電路制造體系。

　　近年來，我國在集成電路芯片領(lǐng)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(dǎo)工藝研發(fā)中心通過4年的艱苦攻關(guān)，在22納米關(guān)鍵工藝技術(shù)先導(dǎo)研究與平臺建設(shè)上，實現(xiàn)了重要突破。

　　這讓我國集成電路制造產(chǎn)業(yè)開始擁有自己的話語權(quán)，該成果也為我國繼續(xù)自主研發(fā)16納米及以下技術(shù)代的關(guān)鍵工藝提供了必要的技術(shù)支撐，表明我國已開始在全球尖端集成電路技術(shù)創(chuàng)新鏈中擁有了自己的地位。在2016年度北京市科學(xué)技術(shù)獎評選中，“22納米集成電路核心工藝技術(shù)及應(yīng)用”項目榮獲一等獎。

　　事關(guān)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(shù)，讓我們今天可以輕松的工作、上網(wǎng)，而不用考慮芯片太熱、漏電等問題造成的電腦或手機性能下降。

　　根據(jù)摩爾定律，每18個月就會在同樣面積的硅片上把兩倍的晶體管“塞”進去。按之前的工藝，已經(jīng)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(dǎo)體的材料已經(jīng)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(zhì)，原有的工藝都是采用二氧化硅層作為柵極介電質(zhì)。

　　“我們可以把柵極比喻為控制水管的閥門，開啟讓水流過，關(guān)閉截止水流。”中科院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心主任趙超告訴記者，從65nm開始，我們已經(jīng)無法讓二氧化硅柵極介電質(zhì)繼續(xù)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(yīng)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(chǎn)生很好的場效應(yīng)。”趙超告訴記者，英特爾公司的科學(xué)家經(jīng)過反復(fù)測試，率先在22納米 CMOS技術(shù)節(jié)點引入高K-金屬柵極技術(shù)，有效地降低了成本，減少了功耗并提高了器件性能。

　　“這項技術(shù)拯救了摩爾定律，成功研制高K-金屬柵極并將之付諸量產(chǎn)，被譽為半導(dǎo)體業(yè)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(shù)成了全球研究開發(fā)的又一代有重大技術(shù)創(chuàng)新的集成電路制造工藝，各國都投入了巨大資金，力爭搶占技術(shù)制高點。

　　這是我國集成電路研發(fā)體系繞不過去的坎。“2009年，在國家科技重大專項的支持下，我國開始22納米關(guān)鍵技術(shù)先導(dǎo)研發(fā)。我們與項目聯(lián)合承擔單位，北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和中科院微系統(tǒng)所的項目組一道，開展了系統(tǒng)的聯(lián)合攻關(guān)。”趙超說。

　　加入高端集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)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(yè)界核心的工程師團隊……先導(dǎo)工藝研發(fā)中心擁有這樣一支令人艷羨的國際化研發(fā)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(fā)團隊并引進了一大批海歸，建成了擁有200多名研發(fā)人員的集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心，趙超就是其中的一位。

　　研發(fā)方向有了，人也有了，但項目團隊依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

　　“我們研發(fā)與工業(yè)主流工藝兼容的22納米器件結(jié)構(gòu)和工藝制程幾乎是從零開始。”趙超說。

　　尤其是器件制造工藝及集成技術(shù)給團隊帶來巨大挑戰(zhàn)：一是界面工程，需要研究高K材料與硅溝道的界面態(tài)特性、應(yīng)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(shù)的金屬柵材料及堆疊結(jié)構(gòu)避免費米釘扎效應(yīng)，降低刻蝕工藝及集成技術(shù)的難度至關(guān)重要；三是需要實現(xiàn)超淺結(jié)的源漏工程，確保器件具有良好的短溝道效應(yīng)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(tǒng)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(nèi)首次采用后高K工藝流程，獲得小于30納米柵長的NMOSFET和PMOSFET器件，器件性能優(yōu)良；對柵工程中閾值電壓（Vt）調(diào)節(jié)，界面層去除，柵介質(zhì)及金屬層填充等工藝難點作了系統(tǒng)研發(fā)，為工業(yè)界的二次開發(fā)提供了一系列工藝解決方案。

　　“這標志著我國也加入了高端集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)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：該團隊隨后在更具挑戰(zhàn)性的鰭型晶體管（FinFET3D）研發(fā)上取得良好進展，完成與工業(yè)主流工藝兼容的FinFET工藝集成和器件研發(fā)。

　　“這些成果為國內(nèi)芯片制造企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)掃清道路，為半導(dǎo)體集成電路行業(yè)中無生產(chǎn)線設(shè)計公司及早介入工藝創(chuàng)造條件。”趙超表示。

　　由于項目團隊采用了與工業(yè)生產(chǎn)一致的工藝方法和流程，具備向產(chǎn)業(yè)界轉(zhuǎn)移的條件，因而對我國集成電路產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級形成了具有實際意義的推動作用。

　　撐起中國的專利保護傘

　　“我們是國家集成電路工藝研發(fā)戰(zhàn)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占領(lǐng)戰(zhàn)略要地。”

　　國家科技重大專項02專項的領(lǐng)導(dǎo)在項目一開始就提出了“專利導(dǎo)向下的研發(fā)戰(zhàn)略”。“過去，我國在知識產(chǎn)權(quán)建設(shè)上沒有合理的戰(zhàn)略布局，是把專利當論文用，我們辛辛苦苦研發(fā)的技術(shù)其實早就被別人申報了專利。這樣，即使有自主研發(fā)，也做不到自主知識產(chǎn)權(quán)。”趙超感嘆道。

　　自研發(fā)之初，項目團隊就把為國內(nèi)集成電路高K-金屬柵極關(guān)鍵工藝建成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的保護體系作為目標，分析制定了專利地圖，尋找專利漏洞，搶占專利先機。這是我國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(lǐng)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(jīng)常發(fā)生，沒有知識產(chǎn)權(quán)保護體系就像是毫無防御工事的陣地。

　　據(jù)了解，項目團隊在該領(lǐng)域申請發(fā)明專利1650項，其中高K-金屬柵極的相關(guān)專利全球排名第四，被IBM、臺積電、三星等多家國際半導(dǎo)體知名企業(yè)引用600多次，基本形成了“你中有我”，為實現(xiàn)對中國企業(yè)的專利保護奠定了堅實基礎(chǔ)。

　　近年來，項目團隊成功完成向武漢新芯、中芯國際等國內(nèi)主要IC制造公司的專利許可和轉(zhuǎn)讓達1358件，有力推動了高端產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)進程。

　　先導(dǎo)工藝研發(fā)中心還建成了一個能夠開展22納米及以下技術(shù)代研發(fā)的工藝平臺。“工藝平臺對后續(xù)項目發(fā)展起到非常重要的作用。”趙超表示，先導(dǎo)工藝研發(fā)中心的研發(fā)效率和質(zhì)量管理系統(tǒng)都是工業(yè)化標準的，得到了工業(yè)界研發(fā)伙伴的充分認可。

　　同時，項目對整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈也起到了直接的支撐作用。趙超表示：“研發(fā)中心不僅在先導(dǎo)工藝技術(shù)研發(fā)上起到國家隊的作用，同時也成為了國產(chǎn)半導(dǎo)體裝備和材料的驗證基地、集成電路工程技術(shù)人才的培養(yǎng)基地和該領(lǐng)域的國際交流基地。”

　　“16納米的已經(jīng)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(guī)模的“戰(zhàn)役”，力爭把先導(dǎo)技術(shù)轉(zhuǎn)化成工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，為國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展作出更多貢獻。