唐斌
广州粤芯半导体技术有限公司
摘要：目前，我国的经济处在高速发展的新时期，中国集成电路技术和产业经过了最新一轮十年的攻关，已经形成了较为系统的布局。分析了国内外集成电路制造技术和产业发展趋势以及中国集成电路制造技术研发布局，概述了22~14nm节点工艺研发成果、7nm节点工艺关键技术进展以及5nm以下节点工艺新结构、新材料技术研发情况。
关键词：集成电路器件工艺；先导技术；研究
引言
就集成电路技术创新的三个方向而言： "MoreMoore"仍是主战场， "直道追赶"不可不为，再难也要做；在"More than Moore" "Beyond Moore"两个方向上"弯道超车" "换道超车"大有可为。对中国而言，不能做选择题，而是要做"全科生"。追赶者的挑战和机遇均来自于集成电路领域的广度、深度和复杂度。最需要的是定力，持续工作最为关键。过去间歇式投入导致前功尽弃，教训极为深刻，万不可重蹈覆辙。未来挑战和机遇并存，因为广度、深度、复杂度俱在，此时无论做哪一点，集中精力、保持定力，一代一代做下去，一定会有自己的特点。
1集成电路技术发展的方向
最近几年，业界一直在讨论摩尔定律是否会终止，后摩尔时代将要到来。严格来讲，摩尔定律从来不是一个科学定律，它只是一个预测，是一个路线图。等比缩小定律提出来之后，器件尺寸等比缩到1/3，就可以将集成度提高10倍，因此逐渐将摩尔定律等同于等比例缩小定律，其实并非如此。摩尔定律是对性能的要求，当然提到器件性能，集成度是第一位的，也就是功能集成，当然还包括速度要提高、功耗要降低，相关性能都要往前发展。多年前，等比例缩尺寸在1μm都可能是一个极限，亚微米都会让人感觉很神秘。后来认为100、20nm会是一个极限，也均被超越了。尺寸微缩是一条路，但其实摩尔最早提出的非缩比驱动（non-scalingdriven），也即从应用角度增加人与环境的交互的多种非数字功能，例如光电子、模拟器件，正走向另一个应用的路径，芯片之外的系统级集成（SiP）也开始在做功能的提升。微电子学家胡正明曾指出集成电路还可持续发展100年。未来，在集成电路技术实现路径上，有可能会继续等比例缩下去，缩到了极限便从平面发展到三维。会不会有一种新的路径、新的器件出来能够替代现在的微电子器件，2000年左右，时任美国总统克林顿提议发展纳米技术，从而引发了纳米器件会不会替代现在微电子器件的热议。笔者认为不太可能，因为微电子技术之所以发展到现在得益于材料，最重要的是其具有以下优势：材料稳定，器件模式稳定、可以大规模生产，可以让设计者在不太了解器件物理情况下只需面对数学模型就可以设计，这种连接的方式及其制造技术多年发展下来，形成了非常稳定和准确的过程，不是贸然提出一个新的结构出来就能达到的。集成电路制造技术将迈入7~5nm技术节点，日益迫近传统尺寸微缩路线的物理极限，集成电路先导技术研究面临越来越大的挑战，鳍式场效应晶体管（Fin?FET）结构将延续到7~5nm节点，器件工艺中的新器件、新技术及新材料等都将在未来集成电路前沿工艺中发挥更为重要的作用。中国集成电路技术和产业经过了最新一轮十年的攻关，已经形成了较为系统的布局。中国集成电路制造最高水平已达到28nm节点，14nm节点成套工艺和7~5nm节点先导工艺正在研发。
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2成形过程工艺技术难点
高等级器件出厂时引线为图1所示的封装形式，由于器件未成形，给使用者提供更多的设计选择性，同时也容易出现印制板焊盘设计尺寸与器件引线成型后不匹配等问题。采用手工成形主要存在以下问题：成形工装可操作性差。工装为分立的模具，对操作人员要求较高，同时成形工装无肩部固定措施，导致成形过程中器件引线根部受力，存在开裂的风险，如图2所示。手工成形对引线的回弹控制难度大。标准规定器件成形后搭接焊盘的引线翘起或离开焊盘表面高度不应超过0.25mm。由于成形模具设计时未考虑器件引线的回弹系数，导致成形后器件引脚翘起或不共面，焊接及环境实验后焊点出现开裂等问题。引线成形半径、肩宽、搭接长度、离板高度等工艺参数控制，采用手工成形上述参数均由操作者手工控制，难度较大；印制板封装设计不合理，焊盘间距较大，器件引线成形后平直部分A较长，如图2所示。由于器件未贴板安装，导致转运和使用时器件引线变形。因此，分析得出该类器件成形工艺技术难点为：引线根部固定。引线手工成形主要是通过刚性折弯工艺过程来完成，器件引线受力弯折成装配所需的形状，在成形过程中需保证引线与器件本体连接处未受应力影响，避免应力损伤；上下模具引线成形半径、肩宽、成形高度及回弹角度的确定；器件引线共面性控制；器件及模具定位方法。
3先导技术研究布局
先导技术研究由中国科学院微电子研究所牵头，联合北京大学、清华大学、复旦大学等高校，中芯国际、武汉新芯、北方华创等企业一起推进。先导计划布局从互补金属氧化物半导体（CMOS）器件工艺关键技术（22/14nm，7-5-3nm）到新型存储器技术。IMECAS联合国内高校和研究机构开展的CMOS器件工艺先导研究，主要围绕CMOS晶体管微缩过程中的关键技术挑战开展工作，包括纳米图形制造难度大、短沟道效应严重恶化、器件漏电大幅度增加、驱动电流明显减少等问题，在大路径下提出一些相应解决方案。开始做22nm先导技术研发时，发明创新22~14nm器件的新材料、新结构和新工艺来突破挑战，并形成了22~14nm核心技术：高K/金属栅工艺和三维鳍型栅器件。基于应用需求确立"专利导向战略"，竞争激烈的主战场，形成了很高的专利壁垒，2009年发明专利申请已分别超过3500项和2700项；确定"专利导向下的研发战略"，研究"专利地图"，有目标地突破壁垒，确立专利质量与数量同步目标，寻求局部特色的解决方案，占据自己的位置，为产业提供支撑。在集成电路这个行业里，主要的竞争手段就是专利，也就是创新技术，载体就在IP上，IP现在主要体现在专利上。以FinFET为例，做一些研究希望可以与产业界互有帮助，需要完成两件事情：能帮助企业把事情做成；当事情做成后，有自己的IP保护，而不是说全都是别人的东西。
结语
2018年，是中国集成电路发展的关键年，是世界集成电路发明60年，中国半导体正式开始工作也是60年。经历了60年，很难回答"做了60年的东西为什么老是赶不上人家"的质疑，因为集成电路、半导体的发展有了摩尔定律以后，它就一直作为一个动态目标在追赶，不是一个静态目标，如果没有持续在做，做做停停就会把前面做的也全部都丢掉了。中国集成电路技术和产业经过最新一轮十年的攻关，已经形成了较为系统的布局，综合能力和积累已经"今非昔比"。总体态势是：少部分取得突破崭露头角，大部分处于爬坡攻坚阶段，一部分仍处于起始阶段进展艰难。
参考文献
［１］虞丽生．半导体异质结物理［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７.
［２］谢孟贤，古妮娜．ＳｉＧｅ半导体在微电子技术发展中的重要作用［Ｊ］．微电子学，２００８，３８（１）：３４－４３．
论文作者:唐斌
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
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