近日，中國科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心在22納米CMOS關(guān)鍵技術(shù)先導(dǎo)研發(fā)上取得突破性進(jìn)展，在國內(nèi)首次采用后高K工藝成功研制出包含先進(jìn)的高K/金屬柵模塊的22納米柵長MOSFET，器件性能良好，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、世界一流水平。

22納米CMOS技術(shù)是全球正在研究開發(fā)的最新一代集成電路制造工藝，各國都投入了巨大資金，力爭搶占技術(shù)制高點(diǎn)。Intel開發(fā)的基于三柵器件結(jié)構(gòu)的處理器已于近期實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；IBM聯(lián)盟也于近期發(fā)布了采用22納米工藝生產(chǎn)的SRAM芯片；Global Foundries，歐洲的IMEC，日韓的三星、Toshiba和我國臺(tái)灣的臺(tái)積電也發(fā)布了各自的22納米制程技術(shù)；我國于2009年在國家科技重大專項(xiàng)的支持下開始22納米關(guān)鍵技術(shù)先導(dǎo)研發(fā)。作為該項(xiàng)目的牽頭單位，中科院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心與項(xiàng)目聯(lián)合承擔(dān)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(xiàng)目組一道，開展了系統(tǒng)的聯(lián)合攻關(guān)。經(jīng)過3年多的辛勤努力，該項(xiàng)目于近期取得突破性進(jìn)展。

在22納米CMOS技術(shù)節(jié)點(diǎn)，為了降低成本、減少功耗和提高器件性能，高K/金屬柵技術(shù)被廣泛引入，同時(shí)也對(duì)器件制造工藝及集成技術(shù)帶來了很大的挑戰(zhàn)，主要包括了以下幾個(gè)方面：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(jī)制、影響載流子遷移率的原理機(jī)制等；二是柵工程，對(duì)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(fèi)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(shí)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(duì)上述核心問題，項(xiàng)目組開展了系統(tǒng)的研究工作，在N型和P型MOS電容上均獲得了EOT≤8.5，漏電流降低3個(gè)數(shù)量級(jí)，金屬柵有效功函數(shù)距硅帶隙邊距離≤0.2eV的良好電學(xué)結(jié)果。成功研制出器件性能良好的22納米柵長MOSFET器件 (圖1)。其中，NMOS和PMOS的閾值電壓分別達(dá)到工業(yè)要求的0.3V 和-0.28V左右，在|Vdd|= 1V時(shí)飽和導(dǎo)通電流Ion (在沒有使用應(yīng)變硅增強(qiáng)技術(shù)的條件下）分別達(dá)到465mA/mm和368mA/mm，短溝道效應(yīng)得到很好的改善，亞閾值擺幅（SS）和漏致勢(shì)壘降低（DIBL）控制在85mV/dec和65mV以內(nèi)（圖2），均滿足工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

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圖1 22納米 柵長NMOS截面和高K/金屬柵堆疊結(jié)構(gòu)的TEM照片
Source:中科院微電子研究所，2012


圖2 NMOS的Id-Vg轉(zhuǎn)移曲線以及Id-Vd輸出曲線
Source:中科院微電子研究所，2012


圖3 PMOS的Id-Vg轉(zhuǎn)移曲線以及Id-Vd輸出曲線
Source:中科院微電子研究所，2012

在這一過程中，中科院微電子研究所與北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)以及中科院微系統(tǒng)所的聯(lián)合項(xiàng)目組完成了1369項(xiàng)專利申請(qǐng)，其中包括424項(xiàng)國際專利申請(qǐng)，為我國在集成電路領(lǐng)域掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，取得國際話語權(quán)奠定了基礎(chǔ)，其中后高K/金屬柵工藝模塊及相關(guān)專利、金屬柵堆疊結(jié)構(gòu)及其專利等均已開始在國內(nèi)集成電路制造企業(yè)進(jìn)行進(jìn)一步的生產(chǎn)工藝開發(fā)。 

多年來，我國的集成電路先進(jìn)制造工藝大多是在引進(jìn)的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)上進(jìn)行產(chǎn)品工藝開發(fā)，在全球產(chǎn)業(yè)鏈最先進(jìn)工藝的開發(fā)上缺少布局和話語權(quán)。此次22納米關(guān)鍵技術(shù)先導(dǎo)研發(fā)是國內(nèi)第一次在全球最先進(jìn)工藝技術(shù)代組織這么大規(guī)模的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，同期，國內(nèi)制造企業(yè)在28納米工藝上也在進(jìn)行開發(fā)，目標(biāo)就是在22納米核心技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)中取得一席之地，在我國集成電路制造產(chǎn)業(yè)進(jìn)入22納米技術(shù)代時(shí)，開始擁有自己的話語權(quán)。該成果的取得對(duì)我國集成電路產(chǎn)業(yè)在22納米獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)有重要意義，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。結(jié)合國內(nèi)制造企業(yè)在28納米技術(shù)研發(fā)上取得的突破，我國已開始在全球尖端集成電路技術(shù)創(chuàng)新鏈中擁有自己的地位。