历史上的今天
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2021年04月17日 | 王阳元院士：以10倍投资强度持续支持集成电路产业
2021-04-17 来源：爱集微
我国集成电路产业短板和市场占有率不高的现状，促使我们要认真思考如何以创新驱动发展。
十九届五中全会提出：“增强机遇意识和风险意识，立足社会主义初级阶段基本国情，保持战略定力，办好自己的事，认识和把握发展规律，发扬斗争精神。”
为此，就“十四五”发展规划和2035年远景目标提出一些建议。
创新驱动发展
“摩尔时代”向“后摩尔时代”转变
随着物联网、大数据、云计算、人工智能和量子计算的发展速度越来越快，对集成电路创新量的需求也越来越多，质的需求也越来越高。
一般来说，人们将16 nm非经典CMOS作为基础器件以后的时代称为“后摩尔时代”。
随着加工尺寸的不断缩小，微电子学科正在转向纳电子学科，“摩尔时代”正在转向“后摩尔时代”，沿着延续摩尔、拓展摩尔、超越摩尔与丰富摩尔的路径不断向前发展。
后摩尔时代集成电路的发展
1）延续摩尔（More Moore）
集成电路加工的特征尺寸以及芯片上集成的晶体管数将继续沿着摩尔预测的规律发展。
其实，最早的集成电路特征尺寸为10 μm，随着加工技术的进步，集成电路的特征尺寸呈规律缩小，尤其在0.8 μm以后。
特征尺寸继续缩小主要表现在系统芯片SoC（system on chip）上。
特征尺寸每缩小至上一节点的70%，芯片性能可以提高15%，面积减少50%，功耗降低40%，成本减少35%。
2）拓展摩尔（More than Moore）
拓展摩尔的主要表现形式是发展集成微纳系统（如MEMS，NEMS）和系统封装（System in Package，SiP），即将不同工艺、不同功能的器件（模拟、射频、高压、功率、传动、驱动、生物等）封装在一个集成电路中，形成多功能集成系统。
集成电路特征尺寸的缩小及相应典型产品（根据公开资料整理）
3）超越摩尔（Beyond Moore）
主要是各种新器件的研发，包括量子器件、单电子器件、自旋器件、磁通量器件、石墨烯器件、碳纳米管、碳纳米线等。
4）丰富摩尔（Much Moore）
建立新形态的信息科学技术及产业。
增强原始创新能力
2020年9月11日，习近平总书记在科学家座谈会上的讲话中指出：“基础研究是科技创新的源头。在激烈的国际竞争面前，在单边主义、保护主义上升的大背景下，我们必须走出适合国情的创新路子，特别是要把原始创新能力提升摆在更加突出的位置。”
一部集成电路发展史就是一部原始创新的发明史。在材料、器件结构和专用设备的创新中，正在研发、并期待进入量产阶段的关键技术有：
专用材料：高频、高速、高功率、抗辐照、耐高温器件使用的化合物半导体材料，包括III-V族（GaAs、GaN、InP）、II-VI族（ZnS、CdTe）、IV-IV族（SiC）、氧化物半导体（ZnO、Ga2O3、NiO、MoO3）等；新型互连材料（钴Co、钌Ru、碳纳米管）；碳基材料（石墨烯，碳纳米管）；纳米线材料以及量子线材料等。
器件结构：垂直场效应晶体管（VFET）、互补场效应晶体管（CFET）、围栅场效应晶体管（GAAFET）、隧道效应晶体管（TFET）、自旋场效应晶体管（SFET）、磁阻存储器（MRAM）、阻变存储器（RRAM）、相变存储器（PCRAM）、量子集成电路（quantum IC）及生物医学芯片（biomedical chip）等。
专用设备：最主要是7 nm以下工艺必备的EUV，且要不断提高EUV的数值孔（numerical aperture，NA）。
集成电路技术与产业的重要发明和预测
微电子研究中心（IMEC）发布的最新技术路线表明，在28 nm技术节点上，采用了高K金属栅（HKMG）工艺；在16 nm/14 nm节点之后，器件结构开始转向3D的Fin FET，从7 nm/5 nm节点开始，钴代替铜成为互连的新型材料。
同时，0.33 NA的EUV正式投入生产；围栅晶体管结构将部分取代Fin FET结构，成为主流产品结构。
2005年，北京大学微纳电子研究院的年轻团队就对围栅器件结构、基础理论、输运特性和可靠性进行了全面研究，取得了在世界范围内最早的研究成果。
按目前预测，韩国三星公司在3 nm技术和台积电2 nm技术节点上都将采用围栅结构，且在2~3年内实现量产。
北京大学微纳电子研究院还正在进行隧道效应晶体管等多种超低功耗器件的新结构、新原理研究，隧道效应晶体管正在中芯国际进行量产试验，有可能在3~5年内用于低功耗物联网系统中。
清华大学的可重构设计是芯片架构设计的原始创新，已开始在Intel的产品开发中得到应用。
从4 nm/3 nm节点开始，采用“半镶嵌”（semi damascene）技术的钌将成为主流互连材料，EUV的数值孔径将从0.33提升到0.55，纳米片（nanosheet）结构的产品开始进入批量生产流程。
史海拾趣
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