《孫子兵法·兵勢》中說道“凡戰(zhàn)者，以正合，以奇勝”，即一方面要有正面進(jìn)攻，大兵團(tuán)推進(jìn)，另一方面要有出奇制勝的招數(shù)，守正出奇方能贏得戰(zhàn)爭。而最近業(yè)界關(guān)注的中國科學(xué)院微電子研究所在22納米技術(shù)研發(fā)取得重大進(jìn)展的消息，是否意味著22納米技術(shù)的“出奇”已到來?“22納米先導(dǎo)研發(fā)技術(shù)突破是在某些關(guān)鍵技術(shù)如高K金屬柵等相關(guān)技術(shù)的新材料、新結(jié)構(gòu)上取得的，不是全套工藝，要進(jìn)入量產(chǎn)還需要更大量的開發(fā)工作。”中國科學(xué)院微電子研究所所長葉甜春在接受《中國電子報》記者專訪時直言指出。

關(guān)鍵性技術(shù)取得突破

多年來，在CoCom輸出條款以及Wassennaar協(xié)定的限制下，中國大陸一直無法取得外來最先進(jìn)的高科技產(chǎn)品與技術(shù)，并因此發(fā)展受阻。同時，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在摩爾定律的指引下狂飆猛進(jìn)，如今主流工藝已經(jīng)進(jìn)入28納米，更先進(jìn)工藝也不時有試產(chǎn)消息傳出，然而中國大陸在22納米技術(shù)開發(fā)道路上仍落于人后。

“此次突破是中國科學(xué)院微電子研究所聯(lián)合北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊在制造企業(yè)支持下經(jīng)過3年多的共同努力的階段進(jìn)展，此次22納米研究突破的意義并不僅僅在于技術(shù)差距上的追趕，更重要的是我們在這種高度全球化的尖端技術(shù)上開始擁有自己的知識產(chǎn)權(quán)，對提升大陸IC產(chǎn)業(yè)的核心競爭力將發(fā)揮作用。” 葉甜春表示。

但業(yè)界也有質(zhì)疑，中科院目前只有8英寸研發(fā)線，在8英寸線上做高端IC工藝沒意義，現(xiàn)在已是12英寸晶圓時代，8英寸都改做模擬和混合電路了，而且開發(fā)22納米工藝需要用浸沒式曝光機(jī)。對此，葉甜春指出，以方法創(chuàng)新為主的先導(dǎo)研發(fā)不同于以生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)為主的產(chǎn)業(yè)開發(fā)。先導(dǎo)研發(fā)在業(yè)內(nèi)有個專有詞“path finding”(路徑尋找)，是指先期進(jìn)行新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的探索和研究，尋找創(chuàng)新點，好比特種部隊和偵察兵，穿插到敵后探路并占領(lǐng)一些關(guān)鍵據(jù)點，迎接大部隊的到來。說8英寸設(shè)備不能研發(fā)出12英寸生產(chǎn)線用的技術(shù)，就好比說偵察兵沒有飛機(jī)大炮不能打仗一樣。實際上，先導(dǎo)研發(fā)和生產(chǎn)開發(fā)是有機(jī)結(jié)合的兩個階段，先導(dǎo)研發(fā)并不依賴生產(chǎn)設(shè)備，關(guān)鍵是研發(fā)目標(biāo)和取向要處處考慮到生產(chǎn)的需求，進(jìn)行到一定階段就必須到12英寸生產(chǎn)線上去再開發(fā)。

這其中的關(guān)鍵就是知識產(chǎn)權(quán)。在專利之路上，研發(fā)團(tuán)隊也是“有的放矢”。據(jù)了解，22納米和14納米涉及的專利包括器件結(jié)構(gòu)、高K金屬柵(HKMG)、溝道應(yīng)變工程等幾個大項，而每一項又都包含若干項單元技術(shù)，涉及非常多的專利。葉甜春形象地將專利比喻成“必經(jīng)之路上的卡子”，而專利費則是“買路錢”。他指出，如高K金屬柵就包括先柵、后柵、新型MG、界面工程等，中科院微電子所的做法是在別人已有的專利基礎(chǔ)上分析是否能繞道或設(shè)立新的道路目標(biāo)，在專利布局時考慮專利組合，并且一定要成體系。比如在新型高應(yīng)力金屬柵CMOS集成方法上有10多個專利組合，利用了金屬柵的特殊特性，在后柵集成中形成高應(yīng)力結(jié)構(gòu)，顯著提高了器件驅(qū)動性能。這一方法已在一家制造企業(yè)12英寸線上得到初步驗證，柵長26納米的nMOS器件驅(qū)動電流提高了35%，達(dá)到業(yè)界先進(jìn)水平。

目前，中科院微電子研究所、北京大學(xué)、清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)等的開發(fā)團(tuán)隊已完成了1369項專利申請(國際專利申請424項)，其中高K/金屬柵制程及相關(guān)專利、金屬堆疊結(jié)構(gòu)及其他專利已開始著手在中國大陸相關(guān)制造企業(yè)導(dǎo)入再開發(fā)。

重在加快產(chǎn)業(yè)化

然而，在22納米關(guān)鍵技術(shù)上取得突破還只是“萬里長征”的第一步，如何加快實現(xiàn)量產(chǎn)才是未來面臨的最大考驗。業(yè)界專家莫大康指出，從65納米/55納米到45納米/40納米，工藝變化不大，但到了28納米，由于P結(jié)、N結(jié)溝道的漏電流急劇增加，引起晶體管參數(shù)變化，需要在材料、結(jié)構(gòu)上改進(jìn)。中科院微電子所在HKMG等方面的研發(fā)突破是成績，但要在生產(chǎn)線上實現(xiàn)量產(chǎn)還有許多問題需要解決。莫大康分析道，臺積電在28納米就由于成品率問題飽受詬病，而且28納米從樣片到引入量產(chǎn)時間至少要18個月，不像此前工藝大概8～10個月即可，預(yù)計20納米的爬坡階段將更長。因為成品率與價格掛鉤，工藝升級芯片價格下降推動摩爾定律向前，如果成品率不高導(dǎo)致芯片價格難以降低的話，摩爾定律也將終止。

水清木華研發(fā)總監(jiān)周彥武也指出，東芝和英特爾2010年在實驗室就可以做到14納米，但量產(chǎn)遠(yuǎn)比實驗室困難百萬倍，東芝的19納米工藝上周已開始量產(chǎn)。

葉甜春指出，目前研發(fā)團(tuán)隊正全力與相關(guān)企業(yè)合作，以期早日實現(xiàn)量產(chǎn)。研發(fā)成果已在生產(chǎn)線上做了初步驗證，技術(shù)可行，但要量產(chǎn)工作量更大。

一方面，任何研發(fā)成果的產(chǎn)業(yè)化脫不開產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)實。摩爾定律經(jīng)過多年的發(fā)展，每一世代升級都會引入一些新材料、新制造工藝，然而只有20%涉及材料、結(jié)構(gòu)到制造工藝的改進(jìn)和提升，80%是在以往工藝積累的基礎(chǔ)上。而目前大陸某些領(lǐng)先制造企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了65納米、40納米技術(shù)的量產(chǎn)，28納米技術(shù)也即將進(jìn)入量產(chǎn)，可以說“萬事俱備，只欠東風(fēng)”。“我們開發(fā)的不是成套系統(tǒng)技術(shù)，而是關(guān)鍵技術(shù)，如今大陸代工業(yè)技術(shù)水平積累已達(dá)到相當(dāng)高的程度，再結(jié)合我們的關(guān)鍵技術(shù)點，就能實現(xiàn)更大的突破。如果只有我們的關(guān)鍵技術(shù)點，而代工業(yè)沒有足夠的技術(shù)積累，也是不可能量產(chǎn)的。” 葉甜春指出。

另一方面，更大量的開發(fā)工作需要企業(yè)變成主體，而研發(fā)團(tuán)隊變成配角，這樣產(chǎn)學(xué)研的分工合作才能更好地體現(xiàn)出其價值。葉甜春將產(chǎn)學(xué)研合作比喻成大兵團(tuán)作戰(zhàn)。他解釋說，研究院所是偵察部隊，先占領(lǐng)山頭，但攻城略地還要靠主力部隊，而企業(yè)是主力部隊。關(guān)鍵技術(shù)的突破與生產(chǎn)線是多少英寸線沒什么關(guān)聯(lián)，但量產(chǎn)一定要在12英寸線上實現(xiàn)，而且后續(xù)技術(shù)要繼續(xù)完善，需要以企業(yè)為主體來推進(jìn)。

“以往半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)與研發(fā)互相割裂，因此效果差強(qiáng)人意，但我們在研發(fā)模式上，從以前目標(biāo)性不強(qiáng)的打哪指哪到現(xiàn)在指哪打哪，目標(biāo)性很強(qiáng)。我們一直與大陸相關(guān)代工廠緊密合作，因此可與產(chǎn)業(yè)界相呼應(yīng)，預(yù)計轉(zhuǎn)入量產(chǎn)時間要比以往快得多。” 葉甜春說，“預(yù)期有望在兩三年內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。”他還進(jìn)一步提到，大陸有的制造企業(yè)正在向55納米、45納米工藝走，有的預(yù)計到年底實現(xiàn)28納米量產(chǎn)，他們的研發(fā)超前一些，也將在20納米工藝上很快聚合產(chǎn)生“裂變”。而且，14納米FINFET工藝已經(jīng)做了一年多的研發(fā)了。隨著大陸代工業(yè)的積累與進(jìn)步，以及產(chǎn)學(xué)研的深度融合，到2018年大陸代工業(yè)節(jié)奏或與國際水平同步。

在產(chǎn)品層面，葉甜春介紹說，他們的技術(shù)都基于主流CMOS工藝，瞄準(zhǔn)的是移動通信等產(chǎn)品需求。同時，產(chǎn)業(yè)化還需設(shè)計企業(yè)和制造企業(yè)實現(xiàn)從產(chǎn)品定義到工藝結(jié)合的深度融合。

代工業(yè)環(huán)境向好

中科院微電子所等在22納米研發(fā)技術(shù)的突破不僅昭顯了我國技術(shù)的實力，也表明我國代工業(yè)整體配套環(huán)境在不斷改善，而這與國家重大專項的支持密不可分。葉甜春介紹說，國家專項致力于支持技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新相結(jié)合，目前大陸設(shè)備、材料業(yè)等獲得不少的突破，產(chǎn)業(yè)鏈的聯(lián)合攻關(guān)取得較大進(jìn)展，一些新的設(shè)備已在研究中心開始試用，有一兩種高端設(shè)備已達(dá)到20納米水平，大陸不少設(shè)備廠商也在致力于20納米設(shè)備的開發(fā)。

從整體來看，大陸代工業(yè)與國際先進(jìn)水平差距已然縮小。葉甜春分析說，在2013年，大陸主流制造企業(yè)40納米已經(jīng)量產(chǎn)，28納米計劃今年年底量產(chǎn)，這說明大陸代工業(yè)進(jìn)步明顯。“國內(nèi)代工體系成長非?？?，一是工藝提升，二是客戶服務(wù)能力提升，很多大的設(shè)計企業(yè)和制造廠已經(jīng)聯(lián)合做新產(chǎn)品新工藝的開發(fā)，結(jié)合緊密。”葉甜春提出。

摩爾定律是否敲響終止的鐘聲，業(yè)界對于半導(dǎo)體業(yè)的前景會產(chǎn)生各種看法。莫大康提到，其中大的方面包括從工藝看在14納米之后如何走下去以及450毫米硅片的進(jìn)程等。而且業(yè)界領(lǐng)袖也都“分道揚(yáng)鑣”，采用的工藝技術(shù)路線不盡相同。

葉甜春表示，450毫米晶圓不太可能成為代工業(yè)主流，12英寸永遠(yuǎn)有生命力，如果是18英寸，那需要有天量的產(chǎn)品規(guī)模才能支撐，代工線也要講究經(jīng)濟(jì)效益，要尋求市場合適定位，12英寸仍將是主流。大陸一是要從產(chǎn)品出發(fā)，結(jié)合工藝開發(fā)，設(shè)計與制造深度融合，整個行業(yè)將發(fā)生大的改觀。二是在設(shè)備和材料方面尋求突破，材料涉及產(chǎn)品成本，設(shè)備是產(chǎn)業(yè)根基，持續(xù)改進(jìn)就能提升產(chǎn)業(yè)競爭力。