集成電路是將電子元件依照電路互連「，集成」在晶片上，實現特定功能的電路系統。在當代，集成電路已滲透到社會發展的各個領域，是信息產業高速發展的基礎和動力。在經濟結構調整中，集成電路產業的戰略性、先導性地位凸顯，有望從根本上對製造業進行改造，在完成產業升級同時滿足國家信息安全的需要。隨著需求的不斷提升，未來的集成電路需兼具低功耗、小尺寸、高性能等綜合素質，傳統工藝的改進已不足以滿足這些要求。為此，集成電路製造業必須拓展相應製造技術以順應新的發展趨勢。我國集成電路產業近20年來取得了顯著發展，總結了國內集成電路產業的發展歷程及現狀，並對未來發展進行了展望。
集成電路發明已屆60周年，在學術界和產業界的共同推動下，集成電路產業的發展基本遵循著摩爾定律所預測的節奏，即集成電路上可容納的元器件的數目 ，約每隔18～24個月便會增加一倍，性能也將提升1倍。摩爾定律的核心即晶片集成度的提高，主要由集成電路製造工藝來實現。因此，集成電路製造在整個集成電路產業鏈中佔據著尤為重要的地位，一方面推動著摩爾定律的演進，另一方面為集成電路設計業實現產品，同時支撐著龐大的集成電路專用裝備和材料市場。
在摩爾定律的作用下，單個電晶體的平均價格一直呈指數的趨勢逐年下降，如圖1所示。在各個技術節點裡，都有一些關鍵的製造工藝技術的進步支撐著摩爾定律的發展。
圖1.1968～2002年，單個電晶體的平均價格下降趨勢
在摩爾定律時代，晶片製造的工藝技術主要有5個方面的挑戰，集成電路從業者通過技術進步不斷突破挑戰，適應了摩爾定律的發展要求。
跟電晶體CD尺寸密切相關的製造工藝是光刻工藝，在摩爾定律時期，科學家一直在尋求波長更短的光源以達到更高的光刻解析度。然而在EUV的技術成熟之前，光刻技術所使用的波長長時間停留在193 nm的節點，最新的193 nm浸潤式技術在製造80 nm pitch的圖形上已經比較困難。為了突破這種挑戰，科學家們發明了光學鄰近效應修正（OPC）及多重曝光技術。OPC使用較為廣泛的一種技術是基於規則的修正，指的是建立一套與圖形周邊情況有關的規則，使得在這些規則滿足的情況下，按照規則定義的要求對圖形進行修正，規則的制定依賴於對一組定標圖形的精確測定。如圖2所示，當100 nm的線條的某一邊界距離下一個圖形邊界的距離大於或等於500 nm時，此邊界往外移動10 nm。
圖2.光學鄰近效應修正的方式示意圖
自本世紀以來，晶片製造商應用了越來越多的新元素，在器件及工藝優化中使用了64種新的元素。這些新材料的應用支撐了集成電路70%的性能提升，所有新材料的應用都需要大量的工藝和集成實驗。如圖3所示的石墨烯的應用，在400℃下將石墨烯直接生長在圖形化的導線上，其電阻率比沉積銅低2倍，擊穿電流密度高1.4倍，電磁化壽命長40倍。另一個新材料的應用是Ge元素的引入，在CMOS FinFET的技術中，應用基於SiGe應力工程的技術，可為高性能低功耗的應用器件提供好的解決方案。
圖3.應用於後端銅工藝的石墨烯沉積工藝流程示意圖
隨著器件CD尺寸的縮小，製造工藝的波動對器件的性能及良率的影響顯得越來越大。比如，對於FinFET器件，要求精確的控制調節Vth的摻雜工藝，其波動要求在100個原子以內，而且器件尺寸越小，其對工藝的波動就越敏感。如圖4所示，器件Vth的變化主要來源於摻雜（random dopant fluctuation，RDF）、工藝變化（process variation effect，PVE）、功函數波動（work function fluctuation，WKF），而來自界面阱波動（interface trap fluctuation，IFT）的影響很小。
圖4.不同類型的波動對器件性能的影響
從21世紀初，傳統的電晶體的溝道尺寸進一步縮小到20 nm及以下的技術節點，但是技術的進一步突破就陷入困難的境地。幸運的是，科學家們創造了數個偉大的CMOS發明，繼續推動了器件尺寸的縮小和性能的提高。
（1）為了解決電晶體尺寸縮小帶來的短溝道效應，科學家發明了3D FinFet電晶體。鰭式場效應電晶體（fin field effect transistor，FinFET）是一種新的互補式金屬氧化物電晶體。如圖5所示，Fin是魚鰭的意思，FinFET命名根據電晶體的形狀與魚鰭的相似性。魚鰭式電晶體的溝道包括一面水平方向和兩面垂直方向 ，這種設計使得柵極能夠將介電層的3面都包圍起來，柵極的水平方向長已可小於9 nm，顯著地降低了柵長。FinFET是基於傳統的場效應電晶體的創新設計。在傳統的電晶體結構中，其控制柵極屬於平面結構，控制電流通過的柵極，只能在柵極的一側控制電路的接通與斷開。而在這種FinFET的構架中，柵門的結構類似魚鰭的叉狀3D架構，可在電路的兩側控制電路的接通與斷開。這種設計可以大幅改善電路控制並減少漏電流（leakage），也可以大幅縮短電晶體的柵長。這種魚鰭式設計使得電晶體的工作電壓降低到0.8 V，與傳統的場效應電晶體相比，開關速度提高了35%，能耗降低了55%。
圖5.傳統場效應電晶體與3D FinFET電晶體的結構示意圖
（2）為了解決電晶體尺寸縮小帶來的漏電流增大的現象，人們發明了High-K metal gate（HKMG）技術。如圖6所示 ，HKMG技術是將傳統的多晶矽柵極替換成金屬材料電極，將介電層材料由SiO2替換成高介電性的材料，比如 HfSiO（N）或HfO2。與傳統的CMOS相比，High- K材料能為柵極漏電流帶來數量級的下降，金屬電極的應用還能提高溝道載流子的遷移率。
圖6.傳統多晶矽柵極電晶體與HKMG電晶體的示意圖
（3）應力矽技術是提高電子和空穴載流子遷移率的一個有效手段，電子的遷移率隨著拉應力的增加而增加，空穴的遷移率隨著壓應力的增加而增加。所以，在PMOS器件上，通常應用鍺矽源漏工藝，在溝道產生壓應力，能顯著提高PMOS溝道空穴的遷移率；而在MNOS器件上，通常使用碳矽源漏工藝，在溝道產生拉應力，能顯著提高NMOS溝道電子的遷移率。
隨著技術的進步，集成電路製造所使用的工藝步驟顯著增加。比如說，對於65 nm技術節點，需要大約600步的工藝步驟，而對於14 nm技術節點，至少需要2000步工藝步驟。在半導體生產製造的各個工藝環節，都有可能造成最終產品性能的降低或者失效。良率提升的工作就是找出造成產品失效的環節，提出失效模型，解決工藝難題，提升產品的最終良率。從產品研發到實現量產的整個周期內，整個周期的時間跨度可能達數個季度，在每個階段都需要對良率進行不斷的改善，各階段的良率表現如圖7所示。在產品設計及工藝研發階段，主要通過器件及工藝流程的建立和優化提升產品良率。在良率提升階段，通過找出並解決工藝中的系統性失效問題，解決工藝問題引起的隨機性缺陷提升良率。在量產階段，新產品的導入和生產製程的在線管控是重點。在新產品的導入時，需要確定工藝的最優條件，設計對工藝的交叉弱點的檢測，以便及時發現工藝異常並作出改善。在生產製程的管控上，要求減少各種異常事件（excursion），如設備故障、操作失誤等，快速的問題診斷（trouble shooting），降低關鍵製程的變異（variation）等。
圖7.產品周期各階段良率增加的表現
以上5個問題也是將來後摩爾時代半導體行業的挑戰。如圖8所示，在摩爾定律時代晶片的密度、運行速度、功耗、單個電晶體價格的變化趨勢，可以發現在摩爾定律時代後期，晶片速度和功耗上的改善速度在逐漸放緩，電晶體的價格基本沒有下降甚至會增加。從這點看，摩爾定律會在2015～2025年之間走向終結，如圖9所示。
半導體業界已經意識到，必須通過新的創新推動CMOS技術繼續向前發展。當前，業界的各個領先企業及科研機構都在技術革新上作出新的貢獻。
（1）人們認為，TFET結構是低功耗器件的最優結構。使用這個新的結構，器件的Vdd可以降到0.1V。2D異質節TFET器件的柵極長度可以下降到3 nm。實驗證明，基於與傳統CMOS技術兼容的技術，通過對Si JTFET結構的優化，SSmin可以達到36 mV/dec。而且，基於新的TFET器件的設計，器件的性能及穩定性都能得到提升，電路級別的實驗證明，運行速度能提升93%，在工作電壓Vdd為0.4V的情況下，功耗能降低66%，器件的穩定性也得到了顯著地提升。然而，這種新結構也有3個方面的挑戰，比如說JNT結構的製造難度大，工藝的波動較頻繁，開關速度較慢。
圖8.後摩爾定律時代的集成電路發展特徵
圖9.摩爾定律失效預測
（2）柵極環包圍結構（gate all around，GAA）是另一個控制器件電流的優化結構。GAA結構器件的Ion /Ioff 的比值可達2.8×10⁸。實驗證明，使用這種 GAA技術，能將器件的性能推到新的記錄。比如說，使用In0.85Ga0.15As納米線的MOSFET器件，其開啟電流Ion在兩種條件下可達到555 μA/μm（Ioff=100 nA/μm，Vdd=0.5V），及365 μA/μm（Ioff=10 nA/μm，Vdd=0.5V）。
（1）在新材料的應用上，SiGe和III-V族半導體的應用是最有前景的技術。在FinFET結構引入到CMOS器件上後，SiGe成為半導體製程裡面的一個主要技術領域。在當前的10 nm和7 nm技術平臺上，SiGe都在PMOS上有所應用，應用SiGe FIN技術能顯著提高器件性能，特別是對於溝道空穴的遷移率的提高。然而SiGe的應用也面臨很多難題，比如說defect的控制、納米尺度的電荷輸運機制等都是需要研究的課題。
（2）碳納米管材料由於其具有高頻率低功耗的特點，在未來計算晶片上也有廣泛的應用前景。對於5nm節點的器件，碳納米管電晶體（CNTFET）相對於FinFET電晶體更有優勢。然而，對於CNTFET的應用也有很大的挑戰，主要是生長製造上存在嚴重的波動性。
（3）二維（2D）材料也有非常好的應用前景，當前對二維材料研究還處在材料性質的研究上，比如說二維晶體材料（MoS2，WSe2，BN，石墨烯）的性質。研究發現，MoOx作為contact材料具有較高的功函數，可以用於PMOS的介電層。
在後端的金屬互聯工藝裡，業界開始應用一些新的結構設計，比如說空氣隔離技術，可以用來彌補低K材料的不足。空氣隔離可以使用PECVD工藝在非常高的沉積速率的條件下產生。實驗證明，空氣隔離技術可以將RC降低。當前，半導體業界對3D晶片的重視越來越多，主要是因為這種晶片能夠將邏輯處理器和存貯器集成在一起，而空氣隔離技術能夠降低這種晶片的信號傳輸延遲效應，提高晶片性能，所以空氣隔離技術在未來具有非常廣闊的應用前景。
集成電路製造是半導體產業的核心基礎，是高度技術密集型產業，在集成電路產業鏈中處於基石的位置。中國在全球半導體市場中的份額從2000年的7%持續快速增長，到2015年佔比達到45%。當前，我國大陸集成電路製造產業正處於高速發展期，在銷售規模、技術升級、產能擴展和規劃新生產線建設方面都取得顯著進展，是全球集成電路產業增長最快的地區，也是全球半導體貿易最活躍的區域。但是，當前我國大陸集成電路製造業規模佔全球不到10%，集成電路產業鏈的裝備、材料及關鍵零部件在全球的佔比均不到1%，製造技術水平與國際先進工藝技術還有3代差距的事實與我國作為集成電路消費大國的地位嚴重不匹配。
2017年我國集成電路製造業的銷售規模為1448.1億元，同比增長28.5%，佔我國電路產業鏈的比重為26%。整個「十二五」期間我國集成電路製造業的年複合平均增長率達到15.3%的高水平，2011～2017年年均複合增長率為22.35%，特別是近3年均以超過25%的速度高速增長，增速在集成電路產業鏈中保持第一，為我國建設自主可控的集成電路產業體系打下了堅實基礎。從集成電路製造的業態來看，當前我國集成電路製造企業以純晶圓代工企業為主。從技術發展水平來看，當前國內集成電路製造產業正處於加快45/40 nm技術產能擴充，32/28 nm技術量產並逐漸形成規模生產力，16/14 nm完成研發並進入客戶產品導入階段，預計2019年形成量產能力。國內領先的製造企業也已經積極投入10 nm以下技術研發。得益於我國集成電路市場規模的快速增長，越來越多的國內集成電路製造企業躋身全球前列。十二五以來，在我國各地紛紛建設集成電路製造工廠 ，集成電路製造業呈現出一派繁榮的景象。
但是，與表面繁榮相對的是我國集成電路產業與世界全面的差距，特別是2018年中興事件的發生，讓全國上下對我國集成電路產業的現狀有了清晰的認識。
就我國的集成電路製造技術而言，研發投入嚴重不足，高端人才及其匱乏。製造技術落後國際最先進水平約3個技術代。落後的技術造成的直接後果就是製造企業無法獲取最新技術誕生初期的高額利潤，造成之前投入的研發成本和後續進行量產資本支出的回報周期大大增長，一般會超過10年，直接限制了製造企業規模的擴大。目前國內集成電路製造企業一方面出於自主性需求必須加緊追趕國際先進技術，另一方面新一代技術形成量產能力後迫於國際領先企業降價壓力只得低價搶單維繫自身生產。一方面是研發的持續高投入，另一方面是量產的長期低回報，陷入兩難境地。
實際上，國內集成電路製造企業的規模和盈利能力根本無法對標國際領先企業巨量且持續不斷增長的研發投入。即使通過國家科技重大專項等研發項目對企業研發進行支持，但還是與國際巨頭每年動輒20多億美元的投入差距巨大。國內集成電路製造企業只能把有限的資源用於技術的追趕，無法進行先導技術的研發投入，更不可能對未來的技術進行投入。這樣直接造成國內的集成電路製造高端人才很難由自身產生，只能從國際先進企業招募，並且加入到國內企業的高端人才 ，由於缺乏前沿技術研發的機會，將失去對領先技術的了解，喪失持續研發的能力。
國內集成電路製造企業本身的營收規模和盈利水平除了無法在先進技術研發上持續高投入，在成熟工藝節點的工藝拓展以及產能建設上也心有餘而力不足。
相對於集成電路先進位造企業而言，與其配套的國內集成電路專用裝備、材料和零部件產業的起步時間更晚，是2008年伴隨國家科技重大專項的啟動而正式發展起來的，經過了10年的發展，就成熟工藝而言，實現了多點上零的突破，個別產品也進入到先進工藝的研發和量產應用中。
對於集成電路專用設備，集成電路從生產工藝領域講有10大類工藝設備，加上工藝監測設備共分11大類，目前各個大類都有國產設備處於研發驗證到量產的不同階段。具體到關鍵工藝設備，如銅互連物理氣相沉積設備（北方華創科技集團股份有限公司），中束流離子注入設備（北京中科信電子裝備有限公司），快速熱退火設備（北京屹唐半導體科技有限公司），淺溝槽隔離與通孔介質層、鈍化層等離子體刻蝕機（北方華創科技集團股份有限公司、中微半導體設備（上海）股份有限公司），二氧化矽薄膜等離子體增強化學氣相沉積設備（瀋陽拓荊科技有限公司），氧化層化學機械研磨設備（天津華海清科機電科技有限公司），單片清洗機（盛美半導體設備（上海)有限公司 ，北方華創科技集團股份有限公司）及部分附屬裝備如北京京儀自動化裝備技術有限公司的恆溫冷卻設備 ，尾氣處理設備及中國科學院瀋陽科學儀器股份有限公司的真空幹泵可以做到部分替換進口。雖然最尖端的光刻設備還處於技術攻堅階段，但是相信在不久的將來光刻設備也會實現國產化。
對於集成電路材料，製造領域用生產材料分為8大類別，國產材料已經在研磨液、電子特氣等上取得不錯的成績，主要項目已經都有國產材料替代產品：研磨液、特氣、靶材、矽片、化學品等，核心部分如靶材（寧波江豐電子材料股份有限公司/有研半導體材料有限公司）、研磨液（安集微電子（上海）有限公司）、光阻（北京科華微電子材料有限公司）、化學品（浙江凱聖氟化學有限公司HNO3、上海新陽半導體材料股份有限公司CuSO4）、氣體（中國船舶重工集團公司第七一八研究所NF3/WF6、廣東華特氣體股份有限公司CO2、江蘇南大光電材料股份有限公司PH3/BF3）等均有部分替代進口 ，目前重點致力於開發其他材料高單價、高使用量等材料，如光阻、矽片和化學品如硫酸、鋁線清洗液、雙氧水等及突破國外技術封鎖、壟斷的產品，如研磨墊、光阻、特殊化學品等。
整體上的發展態勢非常好，但是面臨與製造企業相似的困境。一是技術研發需要大投入，另一個是企業規模小，單靠企業自身能力無法兼顧研發與自身規模發展的需求。
問題很多，特別是從產業鏈的每個點自身的角度上看發展都遇到困境，但是如果把整個集成電路產業鏈的整體串起來看，最關鍵的問題還是產業鏈上各點的協同發展問題。以中國的製造業為例，現在中國製造（Made in China）是中國的一張名片，雖然在一些高科技領域和基礎領域有欠缺，不過在很多領域中國製造都是強大的，其中一個非常關鍵的原因是都有健全的產業鏈配套。再具體一些可以參考近年來隨著產業鏈配套的逐步完善，中國在光伏產業和LED產業上都逐步成長到國際領先地位。
要解決集成電路產業鏈協同發展問題正好可以發揮我國體制上的優勢。從成熟工藝入手，支持55 nm、40 nm、28 nm等成熟工藝技術平臺的拓展性研發，從政策上鼓勵和加強國內終端設備企業、集成電路設計企業、製造企業與裝備/材料/零部件企業的合作，使用國內裝備、材料和零部件企業的產品，將企業的製造技術供給與日新月異的產品製造需求更好的結合起來，這樣就有可能將國內整個集成電路產業規模做大。國家持續加大對於先進工藝研發的投入加速縮短技術上與國際的差距，同時，重點布局後摩爾時代新技術，新結構、新材料、新原理器件及其製造技術。依託目前國內領先的集成電路製造企業，以規模量產為終極目標，探索後摩爾時代新技術，鼓勵產業界與學術界人才交流，建立雙向流通的長效機制，為國內自主智慧財產權的科研成果向產業轉化探索新路徑。這樣在集成電路產業做大的同時也會讓集成電路產業技術做強。
文獻來源：
康勁, 吳漢明, 汪涵. 後摩爾時代集成電路製造發展趨勢以及我國集成電路產業現狀[J]. 微納電子與智能製造, 2019, 1 (1): 57-64.
KANG J, WU H M, WANG H. Development trend of integrated circuit manufacturing in the Post-Moore Era and the current situation of China's integrated circuit industry[J]. Micro/nano Electronics and Intelligent Manufacturing, 2019, 1 (1): 57-64.
《微納電子與智能製造》刊號：CN10-1594/TN
主管單位：北京電子控股有限責任公司
主辦單位：北京市電子科技科技情報研究所 北京方略信息科技有限公司
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