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1、文章摘要集成电路被誉为现代信息社会的基石，推动了各个产业的发展和进步，深刻影 响着人们的生活习惯、工作方式、思维模式。集成电路以摩尔定律为导向发展了 60多年，随着工艺节点的不断演进，电路制造和设计成本大幅攀升，产品良率和 生产效率开始出现下降的苗头。近年来，一系列新工艺、新材料、新技术被引入集 成电路领域，形成了新的应用方式、使用场景、发展路径，为集成电路发展注入强 心剂，集成电路后摩尔时代悄然而至。因此，对后摩尔时代先进集成电路主要技术 路径及其特点进行梳理具有重要的研究意义和应用价值。文章总结了集成电路沿摩 尔定律发展面临的技术困境以及后摩尔时代集成电路的基本特征，归纳了集成电路 领域的
2、国内外新近学术进展和研究成果，分析了中国在相关技术路径上的潜力与不 足，并提出相应发展对策和可行措施。最后，总结和展望了后摩尔时代先进集成电 路技术的未来发展趋势。1集成电路发展概述作为信息社会的基石，集成电路正越来越深刻地影响着人们的生活。在消费电 子、汽车、医疗、航天、军事、人工智能、物联网、通信等领域，集成电路都扮演 着举足轻重的角色。集成电路发展遵循着一定的规律，其中最著名的是摩尔定律。 摩尔定律是美国英特尔公司创始人之一戈登摩尔先生于1965年提出的经验式总 结。该定律描述了集成电路的发展趋势：从性价比的角度，集成电路芯片上可容纳 元器件的数目，约每隔2年翻一番，电路性能也将提升一倍
3、，而价格下降一半。简 而言之，即通过缩小集成电路元器件的面积，在相同尺寸的晶圆上制造出更多的电 路和芯片，从而达到降低成本和提升性能的目的。在高k金属栅、应变硅、鳍式 场效应晶体管(Fin Field-Effect Transis tor, FinFET )等新材料和新器件结构 技术的支撑下，摩尔定律延续了近60年，集成电路也进入到5 nm技术节点，并向 着3 nm节点迈进。集成电路沿摩尔定律发展终将面临器件尺寸无法持续缩小的问题。特别是在引 入FinFET技术之后，更为复杂的器件结构使得集成电路的制造难度大幅提高、良 率明显下降，导致制造和设计成本大幅攀升，给产品研发带来风险。这也成为限制
4、集成电路发展的重要因素之一。此外，集成电路制造涉及的设备、材料等方面正在 逼近物理极限，电路性能逐渐触及瓶颈。因此，探索引领集成电路走出尺寸缩小困 境的技术路径在实际生产和学术研究等方面都具有非常深远的意义。近年来，一系 列新工艺、新材料、新技术的引入为集成电路的发展注入了活力，例如三维集成、 芯粒(Chiplet)、类脑芯片等技术，使集成电路在更多维度上取得了令人耳目一 新的进展，形成了新的发展路径、应用方式、使用场景，进入了“后摩尔时代”。中国是集成电路需求和生产大国，2021年集成电路进口量为6354.8亿块，其 中净进口量(进口量出口量)超3240亿块。集成电路产业已成为国民经济和社会
5、 发展的战略性、基础性和先导性产业，在国家政策的大力支持下，近些年中国大陆 集成电路企业在设计、制造、封装、测试、材料、设备等环节都取得了长足进步， 与国外及中国台湾地区先进水平的差距正在逐步缩小。此外，中国经济发展平稳向 上、集成电路消费市场发展前景乐观、政策持续性强、工科人才储备量大，这些都 为集成电路产业的良性发展提供了坚实的物质基础。然而，我们也应清楚地认识 到，后摩尔时代是机遇与挑战共存的时代，集成电路的发展也面临着极大的技术挑 战，例如先进工艺的研发、材料及设备的获取、跨领域技术的整合、设计软件的国 产化等。因此，非常有必要对后摩尔时代集成电路技术研究进展进行总结并对其发 展趋势进
6、行研判。2集成电路主要技术路径及发展现状实际生产制造中，集成电路按技术节点分为2类：成熟工艺和先进工艺。28 nm及 以上节点的集成电路研发时间久、产品良率高、技术积累丰富，称为“成熟工 艺”；22 nm及以下节点的集成电路研发较晚，技术仍在不断完善，称为“先进工 艺”。其中，先进工艺包括FinFET技术和三维集成技术。此外，基础性研究也是 集成电路技术的重要组成部分，包括技术创新和技术融合等内容。2.1 成熟工艺金属氧化物半导体场效应晶体管技术发展现状在28 nm节点以前，集成电路制造以平面型工艺为主，最基本的器件是金属氧 化物半导体场效应晶体管(Met al-Oxide-Semicondu
7、c tor Field-Effect Transistor, MOSFET)，其结构如图1所示。通过缩小MOSFET特征尺寸，包括沟 道长度和宽度，可提升电路集成度MOSFET有开启和关断2种工作状态，对应于 数字逻辑1和0。该器件比较理想的工作状态是：在开启状态，流经器件的电流尽 量大；在关断状态，流经器件的电流尽量小。美国加利福尼亚大学伯克利分校胡正 明(Chenming Hu)教授曾做过一个经典比喻，将沟道看成一根扁平水管，通过按压水管的方式控制水管的流通和截止，在MOSFET栅电极施加的电压就相当于按压 水管的力量。因此，将沟道长度做得越短，则单位时间内流经器件的电流越大；器 件对导电
8、沟道的控制能力越强，则截止状态的关断电流越小。平面型MOSFET即是 按照这个思路演变，等比例缩小、应变硅、高k金属栅等技术的引入，保证了器 件在特征尺寸缩小的情况下，维持良好的开启和关断状态，使集成电路不断优化升 级。栅介质栅电极沟道区域图1平面型MOSFET器件结构近年来，智慧城市、智慧医疗、物联网等新兴技术的兴起为集成电路产业提供 了巨大的潜在市场。这些应用领域具有碎片化的特点，使用场景范围广、硬件需求 量大，并且对集成电路计算能力不做过高要求，所以对先进工艺的需求并不强烈， 适合于成本和风险可控、安全性较高的成熟工艺。因此，成熟工艺仍是未来集成电路产业非常重要的组成部分。在2020年晶
9、圆代工市场中，28 nm及以上节点的成熟工艺占集成电路市场份额为66%，未来5年成熟工艺市场份额仍将不低于50%， 占据市场的半壁江山。成熟工艺是中国大陆晶圆代工企业的主要营收项目之一，中 芯国际、华虹半导体、晶合集成等多家公司都具备成熟工艺的代工能力。2021年 中国大陆晶圆代工企业营收额继续高速增长，占全球总体份额的8.5%，并且中芯 国际和华虹半导体成功跻身全球晶圆代工企业十强。2.2 先进工艺一一FinFET技术发展现状1999年美国加利福尼亚大学伯克利分校在国际电子器件会议（IEDM）首次报 道了 FinFET技术，论证了实现20 nm以下节点硅基集成电路的可行性。2012年， 美国
10、英特尔发布了采用FinFET技术的22 nm节点芯片产品，此后中国台湾积体电 路制造股份有限公司（简称台积电）、韩国三星公司等代工企业均将FinFET技术 作为各自主流的先进工艺。FinFET器件结构如图2所示，其特征是将扁平的导电 沟道沿垂直方向竖立起来，使得MOSFET由平面结构转变为立体结构。该结构主要 有以下2个优势：可以更灵活地调整沟道特征尺寸，包括沟道长度、宽度和高 度，以便在提升电路集成度的情况下维持开启电流，保证器件的驱动能力；显著 增加器件栅电压的控制面积，提高器件的栅控能力，从而减小器件的泄漏电流，更 好地控制MOSFET关断状态，这是FinFET技术的核心作用。结合应变硅
11、和高k栅 介质等工艺，FinFET技术已经发展出Enhanced FinFET、SuperFin等先进结构和 制造工艺（图3）。在台积电、三星、英特尔等晶圆代工企业的共同推动下，FinFET技术已从22 nm节点发展到5 nm节点。台积电日前宣布，未来3 nm节点 芯片产品继续使用FinFET技术。因此，FinFET技术仍是未来集成电路先进工艺的 主流技术之一。硅衬底栅介质图2 FinFET器件结构2IntelE*Cry in罠trftrisistor fnnovadon in ih 盟si 20 y轴rs cklivcrvil by Heel and we ar driving tlw ne
12、st wiirh RiblxMiFet & lowerViaX*取取r Mwlri 2(J22 *&wn=hl7hit*iMBUixMiDr*dM3 NmaAp=艺H咼图3 英特尔集成电路晶体管发展情况汇总随着FinFET技术的成熟度不断提升，其生产成本将持续降低，先进工艺占集 成电路市场的比例也将不断提高。从技术更迭角度，先进工艺的持续性研发投入对 中国集成电路企业保持市场竞争力起着至关重要的作用。值得一提的是，与成熟工 艺相比，先进工艺具有高利润率的优势。例如，以成熟工艺为主要营收项目的中芯 国际， 2020年营收额为274.7亿元，净利润为43.32亿元，利润率为16%；与之对 比的是以
13、先进工艺为主要营收项目的台积电，2020年营收额为3100亿元，净利润 为1200亿元，利润率为39%。由此可知，攻克先进工艺是中国集成电路产业通往 技术高地和利润高地的必由之路，晚攻克不如早攻克。目前，台积电、三星、英特 尔是最主要的先进工艺晶圆代工企业，都具备5 nm节点先进工艺的生产能力；中 国大陆企业具备14 nm节点先进工艺的代工能力，但在10 nm及以下节点先进工艺 的生产能力上，与国外及中国台湾地区企业相比还有一定的技术差距。2.3 先进工艺三维集成技术发展现状自FinFET技术开始，集成电路在物理上的第三个维度成为研究人员重点开拓 的领域，已发展出器件级三维集成、电路级三维集成
14、、芯片级三维集成等方向。2.3.1器件级三维集成一一环栅场效应晶体管FinFET技术已经发展接近10年，推动集成电路进入5 nm先进工艺节点。然而该技术对维持M0SFET器件的正常工作 却越发“力不从心”，尤其是难以较好地控制泄漏电流。为了进一步提升栅电压对 沟道电流的控制能力，一个必然的趋势是将M0SFET扁平的沟道“悬空”，再次提 升栅电压的控制面积(图4 (a)，并彻底切断来自硅衬底区域的泄漏电流。这种结构的MOSFET称之为“纳米片晶体管”。纳米片晶体管延伸出的另一种结构是“纳米线晶体管”，该结构将扁平的沟道制成圆柱形（图4（b）。通常，纳米片晶体管和纳米线晶体管统称为环栅场效应晶体管
15、（Gate-All-Around Field-Effect Transistor, GAAFET）。栅介质图4纳米片晶体管器件结构（a）与纳米线晶体管器件结构（b）MOSFET包含”型（NMOS ）和卩型（PMOS ）晶体管2种类型，N型和P型晶体管构成反向器单元，在此基础上通过反相器和晶体管的复杂组合最终形成集成电路。GAAFET技术为集成电路布局提供了另一种方式：将N型和P型晶体管沿垂直方向0.8-0.60.40.20200,50VJNa13 nm50 nm堆叠，以器件级三维集成的方式形成反向器，或堆叠多层，形成更为复杂的结构单元（图5（a），这样既可以显著提升电路集成度，又可以提升电路性能（图5(b)。PMOS(NMOS* 怙=075 V 亠比广1.00 V 检必lE-3rIE-4-IE-5IE-6- 1E-7 lE-8IE呂图5英特尔三维堆叠互补金属氧化物半导体（CMOS）反相器透射电子显微镜图（a）与电学特性以及NMOS和PMOS晶体管电学性能（b）三星和英特尔将GAAFET技术作为下一代芯片的技术选择；台积电宣布3 nm节 点仍采用FinFET技术，但
