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逻辑器件技术发展的三大趋势分析

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2020-10-15 11:23:56

10月14日,在IC CHINA 2020的开幕式上,中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明在开幕演讲中表示,摩尔定律预计还能走到2025年。

吴汉明指出,我国集成电路产业发展注定艰难,尤其是芯片制造工艺,挑战极为严峻。产业发展除了需要巨大资金投入和人才缺口以外,还面临着战略性壁垒和产业性壁垒。前者主要是巴统和瓦森纳协议对中国半导体产业的限制,后者主要是世界半导体领域的龙头企业早期布置的知识产权,对中国半导体这样的后来者形成专利护城河。

今天,摩尔定律仍然在支撑着5G、人工智能等新技术的发展,但是其中的关键技术遇到了材料、器件物理性能局限、光刻等瓶颈。工艺面临的三大挑战包括,制造基础的光刻技术、核心的新材料和新工艺以及良率提升这个终极挑战。

以光刻技术为例,193nm光刻支撑了过去时代工艺的发展,进入7nm以后,EUV光刻开始成为关键,但它目前仍面临光源、光刻胶和掩膜版等方面的难题需要解决。比如掩膜版,过去掩膜的整体产率约94.8%,但EUV仅64.3%左右,而且比复杂光学掩膜还贵3到8倍。

逻辑器件技术发展的三大趋势分析

尽管业界已经在研究纳米压印、X光光刻、电子束直写等先进光刻技术,但是距离投入使用,吴汉明估计还要3年以上。

“随着工艺节点演进,摩尔定律越来越难以持续,预计将走到2025年。”吴汉明预测,“在这些挑战下,新材料、新工艺将是未来成套工艺研发的主旋律。”

吴汉明表示,从22nm开始可以就被视为后摩尔时代,基础研究将支撑后摩尔持续发展,可以划分以下为四类技术方向。逻辑器件技术发展则呈现出三个趋势:

一是结构方面。目标是增加栅控能力,以实现更低的漏电流,降低器件功能功耗。实现手段包括由平面结构转为立体,三维晶体管技术(如FinFET等)成为主流器件技术;

二是材料方面。目标是增加沟通的迁移率,以实现更高的导通电流和性能。实现手段包括沟道构建材料由硅变为非硅并成为主流,如Ge、三五族高迁移率沟通材料、GeSi源/漏应变材料等;

三是集成方面。类似平面Nand转向3D NAND闪存,未来的逻辑器件也会从二维集成技术走向三维堆栈工艺。

此外,后摩尔时代将呈现出市场碎片化的特点,中小企业商机大,创新空间巨大。“在20纳米以下节点,先进产能仅占12%,20纳米以上节点还有巨大的市场和空间可以创新。”

但是需要重视的是,从各国研发经费分配来看,我国与世界先进国家的差距仍然很大,尤其在基础研究领域,大部分研发停留在试验阶段,难以产生革命性的创新。

吴汉明强调,当前还有很多核心领域的国产芯片占有率均为0,国产替代趋势下将迎来历史性机遇。与此同时,产业链各环节全球化不可逆转,国产化将得到广泛认可。


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