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科学出版社1纳米集成电路制造技术展望 | 中国信息领域2035 技术预见

集成电路制造技术融合了半导体、材料、光学、精密仪器、自动控制等 40多个工程科学技术领域的最新成就 ， 代表当今世界微纳制造的最高水平 ， 其技术水平和产业规模已成为衡量一个国家信息产业竞争力和综合国力的重要标志 。 集成电路产业处于电子信息产业链的上游 ， 是一个有巨大市场规模且持续增长的行业 ， 以 2017 年为例 ， 集成电路产业对全球 GDP 的直接贡献高达 4086.91亿美元 。 近年来 ， 得益于物联网、云计算、大数据、人工智能等领域的快速发展 ， 集成电路的应用范围正在不断扩大 。
与此同时 ， 集成电路是电子信息产业的基础和核心 ， 一直在推动信息化和工业化深度融合中发挥着重要作用 。 比如 ， 利用集成电路芯片对传统机床进行智能改造 ， 形成了数控机床的新兴产业 。 汽车电子化是提高汽车安全性、舒适性和经济性等性能的重要措施 ， 引发了汽车工业的新革命 。 面向传统行业定制的处理、控制、存储相关集成电路 ， 不仅将重构传统行业发展生态 ， 而且将驱动集成电路产业的发展 。
科学出版社1纳米集成电路制造技术展望 | 中国信息领域2035 技术预见
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图片来源：Pixabay
国内外研究现状
自1958年集成电路问世以来 ， 以硅 CMOS 技术为基础的集成电路一直遵循摩尔定律不断向前发展 ， 即集成电路上可容纳的晶体管数量每隔 18～24 个月增加一倍 ， 性能提升一倍 ， 而价格保持不变 。 在 CMOS 工艺中 ， 通常用特征尺寸来表征栅长 ， 即沟道长度 ， 通过缩小特征尺寸来提高芯片工作速度 ， 增加集成度及降低成本 。 当前特征尺寸已经从 1971 年的 10μm 缩减到10nm 左右 ， 先进集成电路容纳的晶体管数量已经超过 10 亿个 。
近年来 ， 得益于制造技术的进步 ， 相对于前一个技术节点 ， 新技术节点的电路性能提升30% ， 功耗下降50% ， 面积缩减50% ， 可靠性基本保持不变 。 但是随着集成电路工艺进入 7nm 技术节点（对应沟道长度约 20nm） ， 传统逻辑和存储器性能的继续提升遇到技术瓶颈 ， 集成电路发展正处于重大技术革新时期 。 未来 5～10 年 ， 集成电路产业将沿着扩展摩尔（more Moore）、超越摩尔（more than Moore）和超越 CMOS（beyond CMOS）三个技术路线向前发展 。
（1）扩展摩尔 。 通过器件结构、沟道材料、集成工艺等方面的创新 ， 微缩特征尺寸 ， 继续提升集成电路密度 ， 相关技术路线已经规划到近 1nm 技术节点 ， 这正是本文讨论的重点 。
（2）超越摩尔 。 以价值优先和功能多样化为目标 ， 不强调特征尺寸的缩小 ， 而是通过功能扩展及多功能集成 ， 发展新功能器件与系统集成 ， 实现应用层面的系统性能提高 。
（3）超越 CMOS 。 通过新材料、新结构、新原理器件的研发推动集成电路的发展 ， 从物理工作机理与技术实现方式上突破传统硅基 CMOS 场效应晶体管技术限制 。
扩展摩尔技术路线是实现更小、更快、更廉价的逻辑与存储器件的重要技术路径 。 表1 是电气和电子工程师协会（IEEE）给出的国际器件与系统路线图（international roadmapfor devices and systems ， IRDS） 。
表1 IRDS2017 版公布的逻辑器件工艺技术路线图
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短沟道效应是 CMOS 工艺技术向更小尺寸和更高集成度方向发展面临的主要问题 ， 当沟道长度缩小到纳米量级时 ， 即使不施加栅极电压 ， 也无法完全关断 MOS 晶体管 ， 源与漏之间会存在漏电流 ， 使电路静态功耗增大 。 为此 ， 需要通过新工艺、新结构与新器件的不断创新实现更先进的技术节点 。 总体上来说 ， 逻辑器件的发展呈三个重要趋势：从结构上看 ， 将由平面转变为立体 ， 三维晶体管技术（如 FinFET 等）成为主流器件技术；从材料上看 ， 沟道构建材料将由硅转变为非硅 ， 非硅成为主流；从集成上看 ， 类似平面 NAND 闪存向三维NAND 闪存演进 ， 未来的逻辑器件也会从二维集成技术走向三维堆栈工艺 。 从功耗和性能两个维度来看 ， 有两条比较清晰的技术发展主线：采用新结构增加栅控能力 ， 以实现更低的漏电流 ， 降低器件功耗；采用新材料增加沟道的迁移率 ， 以实现更高的导通电流和性能 。 10nm 及以下逻辑工艺将引入 Ge/Ⅲ-Ⅴ族高迁移率沟道材料、GeSi 源/漏应变材料等 ， 结构上将采用纳米场效应晶体管和隧穿场效应晶体管（TFET）等 。 而存储器件 ， DRAM 尺寸缩小到 1x 技术节点遇到工艺复杂、良率下降、成本上升、功耗增加等挑战 ， DRAM 在容量增加的同时刷新功耗增加 ， 其容量扩展性遭遇巨大挑战 。 新兴非易失存储技术 ， 特别是基于非电荷存储机制的两端器件 ， 避免了电荷型 MOS 结构尺寸缩小过程中器件可靠性的严重退化问题 ， 有望成为未来非易失存储的主流技术 。 同时 ， 三维集成是高密度存储器发展的方向和核心技术 。


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