半导体

22纳米:大陆距离产业化还有多远?

作者:李映来源:中国电子报、电子信息产业网发布时间:2013-07-16 09:09我要评论

《孙子兵法·兵势》中说道“凡战者,以正合,以奇胜”,即一方面要有正面进攻,大兵团推进,另一方面要有出奇制胜的招数,守正出奇方能赢得战争。而最近业界关注的中国科学院微电子研究所在22纳米技术研发取得重大进展的消息,是否意味着22纳米技术的“出奇”已到来?“22纳米先导研发技术突破是在某些关键技术如高K金属栅等相关技术的新材料、新结构上取得的,不是全套工艺,要进入量产还需要更大量的开发工作。”中国科学院微电子研究所所长叶甜春在接受《中国电子报》记者专访时直言指出。

关键性技术取得突破

多年来,在CoCom输出条款以及Wassennaar协定的限制下,中国大陆一直无法取得外来最先进的高科技产品与技术,并因此发展受阻。同时,全球半导体产业在摩尔定律的指引下狂飙猛进,如今主流工艺已经进入28纳米,更先进工艺也不时有试产消息传出,然而中国大陆在22纳米技术开发道路上仍落于人后。

“此次突破是中国科学院微电子研究所联合北京大学、清华大学、复旦大学的研发团队在制造企业支持下经过3年多的共同努力的阶段进展,此次22纳米研究突破的意义并不仅仅在于技术差距上的追赶,更重要的是我们在这种高度全球化的尖端技术上开始拥有自己的知识产权,对提升大陆IC产业的核心竞争力将发挥作用。” 叶甜春表示。

但业界也有质疑,中科院目前只有8英寸研发线,在8英寸线上做高端IC工艺没意义,现在已是12英寸晶圆时代,8英寸都改做模拟和混合电路了,而且开发22纳米工艺需要用浸没式曝光机。对此,叶甜春指出,以方法创新为主的先导研发不同于以生产技术开发为主的产业开发。先导研发在业内有个专有词“path finding”(路径寻找),是指先期进行新材料、新结构、新工艺的探索和研究,寻找创新点,好比特种部队和侦察兵,穿插到敌后探路并占领一些关键据点,迎接大部队的到来。说8英寸设备不能研发出12英寸生产线用的技术,就好比说侦察兵没有飞机大炮不能打仗一样。实际上,先导研发和生产开发是有机结合的两个阶段,先导研发并不依赖生产设备,关键是研发目标和取向要处处考虑到生产的需求,进行到一定阶段就必须到12英寸生产线上去再开发。

这其中的关键就是知识产权。在专利之路上,研发团队也是“有的放矢”。据了解,22纳米和14纳米涉及的专利包括器件结构、高K金属栅(HKMG)、沟道应变工程等几个大项,而每一项又都包含若干项单元技术,涉及非常多的专利。叶甜春形象地将专利比喻成“必经之路上的卡子”,而专利费则是“买路钱”。他指出,如高K金属栅就包括先栅、后栅、新型MG、界面工程等,中科院微电子所的做法是在别人已有的专利基础上分析是否能绕道或设立新的道路目标,在专利布局时考虑专利组合,并且一定要成体系。比如在新型高应力金属栅CMOS集成方法上有10多个专利组合,利用了金属栅的特殊特性,在后栅集成中形成高应力结构,显著提高了器件驱动性能。这一方法已在一家制造企业12英寸线上得到初步验证,栅长26纳米的nMOS器件驱动电流提高了35%%,达到业界先进水平。

目前,中科院微电子研究所、北京大学、清华大学、复旦大学等的开发团队已完成了1369项专利申请(国际专利申请424项),其中高K/金属栅制程及相关专利、金属堆叠结构及其他专利已开始着手在中国大陆相关制造企业导入再开发。

重在加快产业化

然而,在22纳米关键技术上取得突破还只是“万里长征”的第一步,如何加快实现量产才是未来面临的最大考验。业界专家莫大康指出,从65纳米/55纳米到45纳米/40纳米,工艺变化不大,但到了28纳米,由于P结、N结沟道的漏电流急剧增加,引起晶体管参数变化,需要在材料、结构上改进。中科院微电子所在HKMG等方面的研发突破是成绩,但要在生产线上实现量产还有许多问题需要解决。莫大康分析道,台积电在28纳米就由于成品率问题饱受诟病,而且28纳米从样片到引入量产时间至少要18个月,不像此前工艺大概8~10个月即可,预计20纳米的爬坡阶段将更长。因为成品率与价格挂钩,工艺升级芯片价格下降推动摩尔定律向前,如果成品率不高导致芯片价格难以降低的话,摩尔定律也将终止。

水清木华研发总监周彦武也指出,东芝和英特尔2010年在实验室就可以做到14纳米,但量产远比实验室困难百万倍,东芝的19纳米工艺上周已开始量产。

叶甜春指出,目前研发团队正全力与相关企业合作,以期早日实现量产。研发成果已在生产线上做了初步验证,技术可行,但要量产工作量更大。

一方面,任何研发成果的产业化脱不开产业发展现实。摩尔定律经过多年的发展,每一世代升级都会引入一些新材料、新制造工艺,然而只有20%%涉及材料、结构到制造工艺的改进和提升,80%%是在以往工艺积累的基础上。而目前大陆某些领先制造企业已经实现了65纳米、40纳米技术的量产,28纳米技术也即将进入量产,可以说“万事俱备,只欠东风”。“我们开发的不是成套系统技术,而是关键技术,如今大陆代工业技术水平积累已达到相当高的程度,再结合我们的关键技术点,就能实现更大的突破。如果只有我们的关键技术点,而代工业没有足够的技术积累,也是不可能量产的。” 叶甜春指出。

另一方面,更大量的开发工作需要企业变成主体,而研发团队变成配角,这样产学研的分工合作才能更好地体现出其价值。叶甜春将产学研合作比喻成大兵团作战。他解释说,研究院所是侦察部队,先占领山头,但攻城略地还要靠主力部队,而企业是主力部队。关键技术的突破与生产线是多少英寸线没什么关联,但量产一定要在12英寸线上实现,而且后续技术要继续完善,需要以企业为主体来推进。

“以往半导体产业与研发互相割裂,因此效果差强人意,但我们在研发模式上,从以前目标性不强的打哪指哪到现在指哪打哪,目标性很强。我们一直与大陆相关代工厂紧密合作,因此可与产业界相呼应,预计转入量产时间要比以往快得多。” 叶甜春说,“预期有望在两三年内实现大规模量产。”他还进一步提到,大陆有的制造企业正在向55纳米、45纳米工艺走,有的预计到年底实现28纳米量产,他们的研发超前一些,也将在20纳米工艺上很快聚合产生“裂变”。而且,14纳米FINFET工艺已经做了一年多的研发了。随着大陆代工业的积累与进步,以及产学研的深度融合,到2018年大陆代工业节奏或与国际水平同步。

在产品层面,叶甜春介绍说,他们的技术都基于主流CMOS工艺,瞄准的是移动通信等产品需求。同时,产业化还需设计企业和制造企业实现从产品定义到工艺结合的深度融合。

代工业环境向好

中科院微电子所等在22纳米研发技术的突破不仅昭显了我国技术的实力,也表明我国代工业整体配套环境在不断改善,而这与国家重大专项的支持密不可分。叶甜春介绍说,国家专项致力于支持技术创新和产业创新相结合,目前大陆设备、材料业等获得不少的突破,产业链的联合攻关取得较大进展,一些新的设备已在研究中心开始试用,有一两种高端设备已达到20纳米水平,大陆不少设备厂商也在致力于20纳米设备的开发。

从整体来看,大陆代工业与国际先进水平差距已然缩小。叶甜春分析说,在2013年,大陆主流制造企业40纳米已经量产,28纳米计划今年年底量产,这说明大陆代工业进步明显。“国内代工体系成长非常快,一是工艺提升,二是客户服务能力提升,很多大的设计企业和制造厂已经联合做新产品新工艺的开发,结合紧密。”叶甜春提出。

摩尔定律是否敲响终止的钟声,业界对于半导体业的前景会产生各种看法。莫大康提到,其中大的方面包括从工艺看在14纳米之后如何走下去以及450毫米硅片的进程等。而且业界领袖也都“分道扬镳”,采用的工艺技术路线不尽相同。

叶甜春表示,450毫米晶圆不太可能成为代工业主流,12英寸永远有生命力,如果是18英寸,那需要有天量的产品规模才能支撑,代工线也要讲究经济效益,要寻求市场合适定位,12英寸仍将是主流。大陆一是要从产品出发,结合工艺开发,设计与制造深度融合,整个行业将发生大的改观。二是在设备和材料方面寻求突破,材料涉及产品成本,设备是产业根基,持续改进就能提升产业竞争力。


责任编辑:张汝娟
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