先进集成电路技术展望.docxVIP

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，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κ金属栅、应变硅、鳍式场效应晶体管（FinField-EffectTransistor,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5nm技术节点，并向着3nm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。28nm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”；22nm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28nm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（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor,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（ChenmingHu）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