【华源原创】聚焦HKMG工艺,探究中国28nm制程技术升级路径
时间: 2021-03-02 11 北京康信华源知识产权咨询有限公司 柯婷婷 刘铖 阅读量:

自2015年中芯国际(SMIC)成功量产28nm产品以来,我国集成电路的产业化技术已进入28nm制程的高端主流工艺节点。作为28nm制程的主要技术方向之一,采用“金属栅极(Metal Gate)+高介电常数绝缘层(High-k)”的栅结构(以下简称“HKMG”),能够有效解决栅介质薄弱导致的漏电或多晶硅栅耗尽效应等一系列问题,并可提供较佳的效能表现。因此,HKMG工艺多被运用于运算速度取向的高阶电子产品,如CPU、FPGA、存储器等。


鉴于我国的集成电路制造企业28nm的研发和量产实力仍与全球先进水平有一定差距,如何发展HKMG工艺技术成为国内集成电路产业关注的重点。


通过以HKMG工艺技术的相关中国专利为基础,对HKMG工艺的专利布局进行分析发现该相关技术在中国的发展目前主要涉及以下特点:HKMG后栅工艺(Gate last)是目前HKMG工艺的主流工艺路线;金属栅结构的制造技术是HKMG后栅工艺的关键技术;金属栅极的化学机械研磨(CMP)技术是HKMG工艺技术升级的突破口。


一、HKMG后栅工艺技术是目前HKMG工艺的主流工艺路线


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图1 28nm集成电路HKMG工艺技术中国专利申请技术布局


HKMG工艺在半导体业界分为两大阵营:以IBM为代表的先栅极(Gate first)工艺技术,其特点是对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的高温退火步骤完成之前便生成金属栅极;以Intel为代表的后栅极工艺技术,其特点是对硅片进行漏/源区离子注入操作以及随后的高温退火步骤完成之后再形成金属栅极。其中后栅极工艺因生产的芯片功耗更低、漏电更少,尤其高性能表现突出且稳定而被各大代工晶圆厂较多的使用[1]。


上图为“28nm集成电路HKMG工艺技术中国专利申请技术布局”(数据基于围绕28nm制程HKMG工艺技术的核心主题进行检索,并人工筛选所得,共553个中国专利族)。其中,通用工艺是从专利保护角度划分的,并非实际的HKMG工艺路线,通用工艺中包含的技术从理论上说前栅工艺和后栅工艺都可以应用,但是从专利说明书的内容来看,实施例中明确指出可应用于后栅工艺的专利数量较多。因此结合上图可知,后栅工艺相关专利申请数量明显多于前栅工艺相关专利申请量,是本领域的主要工艺技术。


二、金属栅极结构制造技术是HKMG后栅工艺的重点分支技术


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图2 28nm集成电路制造HKMG工艺技术中国专利申请后栅极工艺技术布局


后栅工艺的整个工艺步骤主要包括栅极氧化层制造、金属栅极结构制造、伪栅结构建立、伪栅结构去除、衬底处理、源漏构造等。


从上图相关专利申请的布局出发,结合技术的实际应用情况,金属栅结构制造(金属栅极和栅极氧化层)作为HKMG工艺区别于多晶硅栅工艺的核心特征,无疑是最核心的技术;其次是伪栅结构的制造和伪栅结构的去除,这几项技术是完成高K栅结构制造和实现后栅极工艺中替代栅极工艺流程的关键,是各大公司和研究机构必然也必须关注的重点技术。


三、金属栅极的化学机械研磨技术是HKMG工艺技术升级的突破口


金属栅极的化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing,CMP)技术,在后栅工艺产业应用中主要指Al栅极的CMP技术。从目前的发展来看,各公司的28nm制程HKMG工艺2011年陆续实现量产后,主体工艺流程和技术路线已经定型,改进的空间有限。


而Al栅极的CMP是由于HKMG工艺引进金属栅极材料而新增的工艺步骤,一方面发展时间较短,技术尚未完全成熟,一方面相对独立,不会对主体工艺流程和技术路线产生影响。因此既存在改进的空间,又有改进的需求,是未来28nm制程HKMG工艺提升工艺水平的一个重要突破口。


Al栅极的CMP目前一般有两种技术路线,一是PMOS/NMOS的金属栅极CMP分开进行,代表企业是台积电和中芯国际;二是PMOS/NMOS的金属栅极CMP一起进行,代表企业是联华电子。


目前关于Al栅极CMP的专利布局还比较少,主要是围绕工艺方法优化和防止腐蚀两个技术问题。相对于HKMG的其他分支技术来说,Al栅极的CMP在技术研发和专利布局两个方面都存在较多的空白点,是未来本领域专利布局和技术升级的重要突破口。


四、小结


受到20nm以下制程的技术难度和成本等因素的制约,28nm被业界认为将长期活跃于市场,成为集成电路的一个长节点。我国目前虽然已成功量产28nm产品,但仍非常有必要继续提高技术水平和产品质量,提升在全球IC制造市场中的竞争力。


在28nm制程下,HKMG工艺后栅极技术已经实践证明是最具竞争力的技术路线,我国的中芯国际、上海华力等企业就是采用的这一技术路线。从专利分析的结果来看,HKMG工艺后栅极技术在其重点分支(金属栅结构制造、替代栅极工艺实现技术)上均已有了大量的专利布局,进一步提升的技术难度较大,并且存在着一定的专利侵权风险。另外,对于已实现量产的企业来讲,考虑到成本问题等因素,这些核心工艺流程也不适宜再进行较大幅度的改进。


核心工艺流程之外,还有浅沟槽(STI)、源漏极构造、衬底的区域划分或功能层构建、Al栅极的CMP等比较重要的技术。综合专利分析和技术实践的情况,Al栅极的CMP作为28nm制程HKMG工艺新生的技术,技术发展空间和专利布局空间最大。无论是已实现量产的企业和尚在研发阶段的企业,都应引起足够的重视。通过加强金属栅极CMP技术的研发,实现中国28nm制程技术的新突破,进一步提升我国28nm制程IC制造的技术水平和全球市场竞争力



[1]彭进,祁耀亮.28nm SoC芯片设计方法及流程实现[J].集成电路应用,2016,33(5):22-26


关键词: HKMG工艺,专利布局,关键技术,技术升级,专利,专利申请
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