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近日，中國科學(xué)院微電子研究所集成電路先導工藝研發(fā)中心在22納米 CMOS關(guān)鍵技術(shù)先導研發(fā)上取得突破性進(jìn)展，在國內首次采用后高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(cháng)MOSFETs，器件性能表現良好。22 納米 CMOS技術(shù)是全球正在研究開(kāi)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(kāi)發(fā)的基于三柵器件結構的處理器已于近期實(shí)現量產(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，IMEC，三星，Toshiba和臺積電也發(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(zhuān)項支持下開(kāi)始22納米關(guān)鍵技術(shù)先導研發(fā)，作為該項目牽頭單位，中科院微電子研究所集成電路先導工藝研發(fā)中心與項目聯(lián)合承擔單位北京大學(xué)、清華大學(xué)、復旦大學(xué)和中科院微系統所的項目組共同開(kāi)展了系統的聯(lián)合攻關(guān)。經(jīng)過(guò)3年多辛勤努力，該項目于近期取得了突破性進(jìn)展。 在22納米 CMOS技術(shù)節點(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)也對器件制造工藝及集成技術(shù)帶來(lái)了很大的挑戰，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的金屬柵材料及堆疊結構避免費米釘扎效應，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)現超淺結的源漏工程，確保器件具有良好的短溝道效應抑制特性和歐姆接觸。針對上述核心問(wèn)題，項目組開(kāi)展了系統的研究工作，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)數量級，金屬柵有效功函數距硅帶隙邊距離≤0.2eV的良好電學(xué)結果。成功研制出器件性能良好的22納米柵長(cháng)MOSFET器件 (圖1)。其中，NMOS和PMOS的閾值電壓分別達到工業(yè)要求的0.3V 和-0.28V左右，在?Vdd?= 1V時(shí)飽和導通電流Ion (在沒(méi)有使用應變硅增強技術(shù)的條件下）分別達到465?A/?m和368?A/?m，短溝道效應得到很好的改善，亞閾值擺幅（SS）和漏致勢壘降低（DIBL）控制在85mV/dec和65mV以?xún)龋▓D2），均滿(mǎn)足工業(yè)應用標準。 
圖1 22納米 柵長(cháng)NMOS截面和高K/金屬柵堆疊結構的TEM照片 在這一過(guò)程中，中科院微電子研究所與北京大學(xué)、清華大學(xué)、復旦大學(xué)以及中科院微系統所的聯(lián)合項目組完成了1369項專(zhuān)利申請（國際專(zhuān)利申請424項），其中后高K/金屬柵工藝模塊及相關(guān)專(zhuān)利、金屬柵堆疊結構及其專(zhuān)利等均已開(kāi)始在國內集成電路制造企業(yè)進(jìn)行進(jìn)一步的生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)，為我國在集成電路領(lǐng)域掌握自主知識產(chǎn)權，取得國際話(huà)語(yǔ)權奠定了基礎。
圖2 NMOS的Id-Vg轉移曲線(xiàn)以及Id-Vd輸出曲線(xiàn) 多年來(lái)，我國的集成電路先進(jìn)制造工藝大多是在引進(jìn)的核心知識產(chǎn)權上進(jìn)行產(chǎn)品工藝開(kāi)發(fā)，在全球產(chǎn)業(yè)鏈最先進(jìn)工藝的開(kāi)發(fā)上缺少布局和話(huà)語(yǔ)權。此次22納米關(guān)鍵技術(shù)先導研發(fā)是國內第一次在全球最先進(jìn)工藝技術(shù)代組織這么大規模的產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，同期，國內制造企業(yè)在進(jìn)行28納米工藝開(kāi)發(fā)，目標就是在22納米核心技術(shù)的知識產(chǎn)權中取得一席之地，讓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(kāi)始擁有自己的話(huà)語(yǔ)權，該成果的取得也為我國繼續自主研發(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。結合國內制造企業(yè)在28納米技術(shù)研發(fā)上取得的突破，表明我國已開(kāi)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。
圖3 PMOS的Id-Vg轉移曲線(xiàn)以及Id-Vd輸出曲線(xiàn) |
