【正文】 005年提出為了集成電路的進(jìn)一步發(fā)展要開展新興材料、新型器件、新工藝技術(shù)和摩爾定律以外的擴(kuò)展摩爾定律（more than Moore）的研究，2007年更加明確了今后三個(gè)發(fā)展方向。（1）延續(xù)摩爾定律（More Moore）:繼續(xù)以等比例縮小CMOS器件的工藝特征尺寸，提高集成度，以及通過新材料的運(yùn)用和器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新來改善電路的性能。集成各種存儲(chǔ)器、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理和邏輯電路等，繼續(xù)以信息處理數(shù)字電路為主發(fā)展數(shù)以億計(jì)以上晶體管的系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）技術(shù)。（2）擴(kuò)展摩爾定律（More than Moore）：以系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）為代表的功能多樣化道路列為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的新方向，著眼于增加系統(tǒng)集成的多種功能，而不是過去一直追求縮小特征尺寸和提高器件密度。即將數(shù)字和非數(shù)字功能、硅和非硅材料與器件、CMOS和非CMOS電路等光電、MEMS、甚至生物芯片等集成在一個(gè)封裝內(nèi)，完成單片SOC不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能和特定的封裝級(jí)子系統(tǒng)或系統(tǒng)。這將導(dǎo)致電子學(xué)系統(tǒng)的革命性變化。（3）超越CMOS（Beyond CMOS）：探索新原理、新材料和器件與電路的新結(jié)構(gòu)向著納米、亞納米以及多功能化器件方向發(fā)展，發(fā)明和簡化新的信息處理技術(shù)，以取代面臨極限的CMOS器件，如自旋電子、單電子、量子、分子和單原子器件等?；谏鲜鲆笱芯康牟牧虾推骷饕菨M足電路的高性能和特殊功能的要求?？v觀集成電路的發(fā)展歷史，不斷創(chuàng)新是CMOS電路前進(jìn)的推動(dòng)力。自從60年代初解決了硅的表面和界面態(tài)問題后MOS電路以其工藝簡單，易于大規(guī)模集成而得到迅速發(fā)展。80年代初CMOS的新結(jié)構(gòu)電路又以低功耗和抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)逐步取代了N溝MOS和雙極型集成電路，從而開創(chuàng)了集成電路和信息時(shí)代的新紀(jì)元。1974年Dannard提出了MOS器件等比例縮小理論，指出了在保證性能不變的情況下器件尺寸縮小的規(guī)律。從一開始SiO2介質(zhì)Al柵電極到能夠自對(duì)準(zhǔn)和耐較高溫度的多晶硅柵極，再發(fā)展到目前可以將柵絕緣層隧穿電流減少幾個(gè)數(shù)量級(jí)的高K介質(zhì)和金屬柵。在工藝技術(shù)方面以作為圖形轉(zhuǎn)移的光刻機(jī)的曝光波長為例，由開始紫外光的G線（436納米）、I線（365納米）發(fā)展至深紫外248納米和193納米，進(jìn)一步結(jié)合光學(xué)鄰近效應(yīng)修正、浸沒式光刻和雙重圖形等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)將193納米技術(shù)一直沿用到22納米，甚至14納米。未來14nm節(jié)點(diǎn)以下技術(shù)的發(fā)展可能是極紫外（）光刻等。當(dāng)然無論是器件結(jié)構(gòu)還是器件工藝的創(chuàng)新遠(yuǎn)不至于此。每一個(gè)發(fā)展中的里程碑都蘊(yùn)涵著研究人員大量創(chuàng)新的結(jié)果，使得器件尺寸不斷縮小和電路的性能繼續(xù)改善。在今天CMOS器件面臨物理極限的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)形勢(shì)下，以創(chuàng)新尋求解決方案更是急不可待任務(wù)。ITRS提出的擴(kuò)展摩爾定律（More than Moore）和超越CMOS（Beyond CMOS）的兩個(gè)新方向，都是基于CMOS以外的創(chuàng)新考慮。它們勢(shì)必會(huì)給集成電路的發(fā)展開辟新的天地。然而作為集成電路主流的CMOS技術(shù)以它的成熟工藝技術(shù)、優(yōu)越的性價(jià)比、多年來形成的系統(tǒng)芯片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，不會(huì)輕易被其它器件所超越。因此在近期不短的時(shí)間內(nèi)研究的核心仍將是在工藝技術(shù)、器件結(jié)構(gòu)、甚至新材料的不斷變革中繼續(xù)縮小尺寸和提高性能，把集成電路推向更高的水平。英特爾已計(jì)劃于2015年推出10納米制程芯片，并開始對(duì)7納米和5納米制程技術(shù)進(jìn)行研究，CMOS的物理極限一再被推向更小的尺寸。未來，能否驅(qū)動(dòng)CMOS技術(shù)向前發(fā)展的關(guān)鍵依賴于新的制造工藝、新型晶體管結(jié)構(gòu)和新的溝道材料等方面的創(chuàng)新成果。CMOS技術(shù)將會(huì)繼續(xù)擁有大的發(fā)展前景和空間。過去為了減小短溝道效應(yīng)（SCE）在溝道區(qū)摻雜更多的磷和硼，造成閾值電壓升高，電流下降和速度降低，而摻雜數(shù)目所產(chǎn)生的隨機(jī)摻雜波動(dòng)（RDF）所產(chǎn)生的隨機(jī)閾值變化將會(huì)導(dǎo)致超過100mv的閾值變化。此外，亞閾值漏電電流、柵隧道電流、體漏電電流和器件溫度的上升都將導(dǎo)致對(duì)功耗等問題嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。為了解決上述問題出現(xiàn)了多種新的器件結(jié)構(gòu)，這里只簡述當(dāng)前國際上對(duì)于CMOS技術(shù)發(fā)展的主要方向歸納為以下幾方面：一、延續(xù)平面型CMOS晶體管—全耗盡（FD）型CMOS技術(shù)IBM公司2009年12月推出了全耗盡超薄SOI（FDETSOI）CMOS技術(shù)（圖1），具有優(yōu)良的短溝道效應(yīng)控制能力，由于本體不摻雜可降低器件參數(shù)的波動(dòng)和體漏電電流，其工藝技術(shù)與當(dāng)前平面CMOS主流技術(shù)兼容等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)全耗盡性能，發(fā)展到15nm則將進(jìn)一步減小到5nm。因此如何解決極薄硅膜的晶體完整，抵制氧和其它雜質(zhì)的擴(kuò)散，以及硅層厚度的均勻性（厚度誤差控制在177。）等基片材料制造是需要研究突破的關(guān)鍵問題。目前只有Soitec公司能提供少量的ETSOI產(chǎn)品。除了材料問題外，器件的工藝技術(shù)也有相當(dāng)大的變革，如采用原位摻雜（insitedoping）和脈沖退火（spikeanneal）代替離子注入，高溫處理等工藝。這種平面型結(jié)構(gòu)由于源、漏和柵都處于同一平面內(nèi)，不利于器件密度的提升，最終仍然將轉(zhuǎn)向立體型晶體管結(jié)構(gòu)。二、采用全新的立體型（FinFET或三柵）晶體管結(jié)構(gòu)所謂FinFET就是將FDETSOI的薄硅層轉(zhuǎn)90度變成立體的硅鰭片（Fin）這樣可以縱向外延較厚，避免了薄硅外延的質(zhì)量問題，再用刻蝕技術(shù)在橫向形成幾個(gè)nm的全耗盡區(qū)，節(jié)省了源漏占據(jù)硅襯底的面積，使得器件密度和性能均有較大的提高。FinFET的優(yōu)點(diǎn)是在一個(gè)縱向立體薄硅片的對(duì)面兩側(cè)的雙柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全耗盡型工作。其襯底可以是SOI，也可以是體硅。體硅與SOI的區(qū)別在于Fin底部沒有和襯底隔離開，有利于散熱，但是Fin的底部受柵極的控制較弱而形成非完全耗盡的晶體管易造成較大的泄漏電流，因此需要在Fin底部附近形成穿通阻擋層，雖然增加了工藝的復(fù)雜性，卻避免采用昂貴的SOI襯底。Intel報(bào)道體硅襯底泄漏電流已達(dá)1na/181。m（手機(jī)設(shè)備要求10pa/181。m）距離需求尚有一段距離。FinFET器件柵的寬度設(shè)計(jì)是不連續(xù)的（圖3），只能增加Fin的數(shù)目，柵寬呈Fin的倍數(shù)。FinFET能夠具有全耗盡晶體管的優(yōu)良特性，又能使器件尺寸不斷縮小，密度繼續(xù)增加，是未來集成電路的必然趨勢(shì)。立體結(jié)構(gòu)給制造工藝技術(shù)和設(shè)計(jì)帶來較大的變革，這需要更多的復(fù)雜工藝技術(shù)創(chuàng)新獲得最終的解決?！　　　∪⑿聹系啦牧掀骷虏牧显谘永m(xù)CMOS技術(shù)方面起著重要的作用。采用IIIV族半導(dǎo)體異質(zhì)溝道的器件具有高遷移率，高有效速度，工作電流較硅有顯著增加，此外可以降低工作電壓（只有目前所用電壓的一半，）和功耗。2009年IEDM會(huì)議上斯坦福大學(xué)教授KrishnaSaraswat預(yù)言10nm柵長后需要選用新的溝道材料，近來呼聲較高的是由電子遷移率高的IIIV材料（如InGaAs等）為NMOS管和空穴遷移率高的Ge材料為PMOS管構(gòu)成優(yōu)良的互補(bǔ)CMOS結(jié)構(gòu)。這些只是在電路中性能要求高的部分用選擇外延方法實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)平面型制造工藝基本兼容。進(jìn)一步的研究是尋找能同時(shí)滿足N溝和P溝器件的高遷移率材料，這樣就可以簡化工藝，又提高了性能。石墨烯具有高遷移率（是硅的100倍），而且電子和空穴的遷移率兩者相近，適于作對(duì)稱的N溝和P溝晶體管，組成互補(bǔ)CMOS結(jié)構(gòu)。因此若能在硅上生長石墨烯薄膜將會(huì)結(jié)合硅基和碳基材料的優(yōu)點(diǎn)，是集成電路的又一創(chuàng)新。　　　　四、其它新型場效應(yīng)晶體管，如平面雙柵晶體管、隧穿場效應(yīng)晶體管（TFET）和納米線MOS晶體管等都具有一定的優(yōu)勢(shì)和需要克服的缺點(diǎn)，有待進(jìn)一步研究解決鑒于CMOS技術(shù)具有優(yōu)越的性能，制造工藝非常成熟，易于自動(dòng)化和大規(guī)模生產(chǎn)，已成為計(jì)算機(jī)和通信業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，我們應(yīng)當(dāng)在充分挖掘現(xiàn)有成熟工藝的潛力的同時(shí)，重視研究未來集成電路器件所面臨的變革。集成電路新器件的優(yōu)選條件是低成本、低功耗、高速度、大容量、易于大規(guī)模生產(chǎn)、能與CMOS技術(shù)兼容和與現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)兼容等。相信在10nm節(jié)點(diǎn)以后CMOS仍將具有較大的技術(shù)空間，需要我們繼續(xù)探索和創(chuàng)新。參考文獻(xiàn)：1）“CMOS Transitions to 22 and 15 nm”Semiconductor International， January， ， 20102）“UltraFast（）CMOS Circuits in Fully Depleted SOI Films”IEEE Transaction on ED ， ， ， March 1992圖片由網(wǎng)上下載。技術(shù)創(chuàng)新是推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的不竭動(dòng)力中國科學(xué)院院士、上海市集成電路行業(yè)協(xié)會(huì)名譽(yù)會(huì)長 鄒世昌摘要：本文在分析半導(dǎo)體器件創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用的基礎(chǔ)上，提出當(dāng)前集成電路技術(shù)發(fā)展正處于戰(zhàn)略轉(zhuǎn)折期，緊緊抓住這個(gè)機(jī)遇，合理布局，積極創(chuàng)新，有利于實(shí)現(xiàn)我國集成電路產(chǎn)業(yè)跨越式的發(fā)展。集成電路產(chǎn)業(yè)被譽(yù)為當(dāng)代技術(shù)創(chuàng)新最多、技術(shù)更新最快的產(chǎn)業(yè)。雖然集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展離不開應(yīng)用市場的外力驅(qū)動(dòng)，但是集成電路技術(shù)的每一項(xiàng)創(chuàng)新，無論是器件創(chuàng)新、工藝創(chuàng)新、還是產(chǎn)品創(chuàng)新，始終是推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力。一、從“半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新年代表”說起從世界第一枚鍺點(diǎn)接觸三極管發(fā)明至今已有60余年的歷史。在這60多年中，新的半導(dǎo)體器件不斷誕生，新的工藝技術(shù)層出不窮，新的半導(dǎo)體產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，這些技術(shù)創(chuàng)新成果就像無數(shù)的江河湖水傾注于集成電路產(chǎn)業(yè)的浩瀚大海，形成了一波又一波的集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展浪潮。首先，我們將1947年至2011年半導(dǎo)體及集成電路領(lǐng)域的主要發(fā)明創(chuàng)新列成一張“半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新年代表”（如表1）。然后，我們可以從中看到：表1 半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新年代表年份器件創(chuàng)新工藝創(chuàng)新產(chǎn)品創(chuàng)新1947*鍺點(diǎn)接觸三極管1949鍺合金晶體管鍺合金工藝1953鍺合金擴(kuò)散晶體管鍺、硅擴(kuò)散工藝1954硅晶體管太陽能電池1956*隧道效應(yīng)二極管1957硅可控整流器（SCR）1958*集成電路（IC）1959硅平面工藝1960第一塊實(shí)用化集成電路1961MOS場效應(yīng)晶體管TTL集成電路小規(guī)模集成電路（SSI）1962光電二極管（LED）1963MOS集成電路1964中規(guī)模集成電路（MSI）1965砷化鎵臺(tái)面場效應(yīng)晶體管1967動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）1969*電荷耦合器件（CCD）電可擦寫固定存儲(chǔ)器（EEPROM）3英寸硅片大規(guī)模集成電路（LSI）1970靜電感應(yīng)晶體管（SIT）1971810微米工藝4位微處理器（i4004）1kb動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（1kb DRAM）19736微米工藝8080CPU4kb DRAM19784英寸硅片、4微米工藝19803微米工藝64kb DRAM1983256kb DRAM80286 CPU19866英寸硅片、80386 CPU1987快閃存儲(chǔ)器（Flash）有機(jī)發(fā)光二級(jí)管（OLED）19894Mb DRAM80486 CPU1993CMOS圖像傳感器（CIS）16Mb DRAMPentium19948英寸硅片超大規(guī)模集成電路（VLSI）1995PentiumⅡ1997蘭光光電二極管蘭光激光器1998PCRAM銅（Cu）互連工藝PentiumⅢ1999256Mb DRAM200012英寸硅片極大規(guī)模集成電路（ULSI）2001200390納米工藝2Gb NAND Flash2004*石墨烯（Graphone）DDR DRAM200565納米工藝DDR2 DRAM2006雙核CPU8Gb NAND Flash200745納米工藝高k介質(zhì)金屬柵結(jié)構(gòu)（HK/MG）16Gb NAND Flash2008三維MOS晶體管（FinFET）四核CPU2Gb 移動(dòng) DRAM32Gb NAND Flash200932納米工藝八核CPUDDR3 DRAM201028納米工藝APU（CPU+GPU）201122納米工藝酷睿iii7*注：鍺點(diǎn)接觸晶體管、隧道效應(yīng)二極管（FED）、集成電路（IC）、電荷耦合器件（CCD）和石墨烯（Graphene）是迄今為止在半導(dǎo)體領(lǐng)域內(nèi)獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)的五項(xiàng)重大發(fā)明。（一）半導(dǎo)體器件的發(fā)明大都集中于上世代七十年代以前，每一種半導(dǎo)體效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)都孕育了該類半導(dǎo)體器件的發(fā)明這時(shí)期的主要發(fā)明有：晶體管、集成電路（IC）、太陽能電池（solarcell）、光電二極管（LED）、硅可控整流器（SCR）和電荷耦合器件（CCD）等。其中，晶體管的發(fā)明迎來了上世紀(jì)5060年代晶體管的“黃金時(shí)代”。也為集成電路發(fā)明吹響了前奏曲。集成電路的發(fā)明是半導(dǎo)體領(lǐng)域的最大創(chuàng)新成就，集成電路的發(fā)明和發(fā)展不僅使其成為當(dāng)代半導(dǎo)體領(lǐng)域的主角，而且也極大改變了近代電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。太陽能電池和光電二極管雖然發(fā)明很早，但正如法國經(jīng)濟(jì)學(xué)家諾爾曼?泊爾（NormanPoire）所說，“一個(gè)新技術(shù)的出現(xiàn)平均要經(jīng)過28年的發(fā)展才能成熟，然后進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期”，因而直至上世紀(jì)80年代以后才分別興起了光伏產(chǎn)業(yè)（PV）和半導(dǎo)體顯示產(chǎn)業(yè)。以后，光電二極管又和1987年發(fā)明的有機(jī)發(fā)光二級(jí)管（OLED）以及1997年發(fā)明的藍(lán)光光電二極管結(jié)合，共同掀起了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展高潮。這些新興的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，造就了豐富多彩“泛半導(dǎo)體技術(shù)”和“泛半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)”。（二）縱觀半導(dǎo)體工藝技術(shù)的創(chuàng)新歷程，縮小特征尺寸和增長硅片直徑是推動(dòng)集成電路技術(shù)進(jìn)步的兩大要素特征尺寸有規(guī)律的不斷縮小是摩爾定律的物理基礎(chǔ)。集成電路集成度的不斷增加，使許多復(fù)雜功能的芯片成為現(xiàn)實(shí)，從而創(chuàng)造了集成電路產(chǎn)品的一代又一代的“奇跡”。硅片直徑的每次增大，既推動(dòng)了集成電路生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)