上世纪60年代，英特尔公司创始人之一——戈登·摩尔提出了的“摩尔定律”。直到现在，这一定律都在见证半导体产业的飞速发展。
然而，芯片的进一步小型化遇到越来越多的技术局限。在传统硅芯片技术上所能取得的进步受到物理法则的限制也越来越严重。在这一背景下，影响半导体行业近半个世纪的摩尔定律还能持续多久，成为业界争论的热点。
纳米CMOS时代的困扰
由于晶体管特征尺寸的减小，可以带来集成电路密度和性能上的提高，以及分摊在单元功能上成本的下降。因此，自集成电路诞生之日起，半导体产业的竞争就始终聚焦在加工尺寸的微细化上。一直以来，CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺是传统芯片制造所采用的主流技术。但是，随着集成电路的主流加工工艺进入纳米级(<0.1微米)阶段，CMOS技术也开始面临挑战。而该技术能否继续有效，将直接决定摩尔定律寿命的长短。
半导体、中国科学院微电子研究所研究员徐秋霞告诉《科学时报》，目前CMOS技术仍是现代电子产品中的支撑技术。平面CMOS技术遵循等比例缩小的原则，其特征尺寸已从20 世纪50年代初期的约125微米进化到现在的90纳米技术代，在集成电路工业大生产中获得了巨大成功。然而，当器件特征尺寸缩小到65纳米技术代及以后，继续缩小加工尺寸将遇到一系列器件物理的限制和互连问题的严重影响：从器件角度看，纳米尺度CMOS器件中的短沟效应、强场效应、量子效应、寄生参量的影响、工艺参数涨落等问题对器件泄漏电流、亚阈值斜率、开态/关态电流等性能的影响越来越突出，电路速度和功耗的矛盾也将更加严重。随着集成度和工作频率增加，功耗密度增大，导致芯片过热，可引起电路失效。另一方面，进入纳米尺度后，互连电阻及互连电容不仅对电路速度的影响更为明显，而且会对信号完整性产生影响，逐渐成为影响电路终性能的重要因素。
“为了克服这些困难、进一步拓展摩尔定律的应用领域，现在，半导体业界主要制定了两个方向的目标。”徐秋霞说。就近期目标而言，主要是研究新结构，引入新材料、新工艺，进一步拓展传统CMOS器件等比例缩小的能力。而远期目标则是研究一种全新的信息处理方法。
挖掘CMOS技术的潜力
“由于40多年近万亿计的资金投入，其产业能力和技术积累决定了21世纪的微电子技术仍将以硅为主流。”徐秋霞说。
根据目前业界的主流看法，传统的CMOS器件等比例缩小将可延伸至2020年的14nm技术节点(物理沟道长度6nm)。徐秋霞认为，在2020年以前，硅基的研发还有很大空间。而且，即使到了2020年以后的纳电子时代，硅基仍会占有较大比例。因为任何一种新的信息处理技术都必须满足的首要条件是，能够在CMOS技术的能力范围之外进一步提高微电子技术的集成度，同时能够与CMOS平台兼容。
然而，如果传统的CMOS技术不能设法克服工艺技术和本身结构特点的限制，集成电路将无法继续按比例缩小下去。寻找怎样的途径来解决这一问题，是目前半导体界面临的挑战。
据记者了解，在从微米、亚微米、超深亚微米直到纳米尺寸的CMOS关键技术研究方面，中科院微电子所已取得了一系列丰硕成果。在去年年初举行的全国科技大会上，徐秋霞主导完成的“亚30纳米CMOS器件若干关键工艺技术研究”获国家技术发明二等奖。
徐秋霞告诉记者，亚30纳米CMOS器件研制是国际上正在开展的前沿性探索研究，尚处于百家争鸣的知识创新和产权竞争中。通过开展亚30纳米CMOS器件及关键工艺技术研究，该课题申请了20项发明，并自主研发成功了8项新颖的、具有实用价值的工艺模块。在此基础上，中科院微电子所在国内首次成功研制高性能栅长27 nm CMOS器件及CMOS 32分频器电路(其中嵌入了201级环形振荡器)。该课题研究成果在通过由李志坚院士、吴德馨院士和王占国院士等组成的委员会的鉴定时，们一致认为：“中科院微电子所在国内首次完成了亚30纳米CMOS器件及关键工艺技术研究；研制完成的栅长27纳米CMOS器件在指标方面已与国际同类先进研究成果具有同步性；采用的关键工艺技术具有新颖性，是拥有自主知识产权的创新成果。”
向32纳米技术代进军
市场研究公司Gartner的报告指出，2015年纳米级半导体技术市场可达500亿~700亿美元的规模，占整个半导体市场15%的份额。在《国家中长期科技发展规划纲要》中，特别将“极大规模集成电路制造技术及成套工艺”列为16个重大专项之一，IC制造技术的发展已上升到国家战略的高度。
徐秋霞告诉记者，未来5到10年，中国半导体制造技术领域主要将瞄准32/22纳米技术代及以下的关键技术进行研究，希望能够在该领域拥有更多的自主知识产权，为我国IC产业的可持续发展提供技术支撑。
“32纳米技术代的技术竞争尚未形成格局，这对中国来说是一个必须把握好的机会。”徐秋霞说。为了在即将到来的半导体技术竞争中抢占制高点，徐秋霞呼吁，国家应尽早着手开展32纳米/22纳米技术代的前瞻性研究，以获取该领域拥有我国自主知识产权的关键技术，为我国IC产业进一步的可持续发展、升级提供有力的技术支撑。
