中国成功研发出3纳米晶体管，领先国际芯片行业一年多

中国科学院微电子研究所研究团队近日开发出世界最先进的3纳米晶体管，这个节点相当于一条人类DNA链的宽度，允许在一个指甲盖大小的芯片上能集成几百亿个这种晶体管。

目前，现有的硅基晶体管受玻尔兹曼热力学限制，室温下亚阈值摆幅SS≥60mV/dec，阻碍了工作电压的继续降低。当集成电路技术进入5纳米及以下节点，随着集成度的持续增加，在维持器件性能的同时，还面临功耗急剧增加的严重挑战。

资料显示，本次负责3纳米晶体管工艺开发的是微电子所的集成电路先导工艺研发中心。该中心主要面向5纳米及以下节点高性能和低功耗晶体管性能需求，基于主流后高K金属栅（HKMG-last）三维FinFET器件集成技术，研制高性能的负电容FinFET器件。FinFET器件是一种新型场效应管，全称Fin Field-Effect Transistor，中文名叫鳍式场效应晶体管，这种设计可以改善电路控制并减少漏电流，缩短晶体管的闸长。


先导中心殷华湘研究员团队在主流后HKMG FinFET集成工艺的基础上，通过材料工艺优化和多栅器件电容匹配设计，结合高质量低界面态的3纳米铪锆金属氧化物薄膜，研制成功性能优异的NC-FinFET器件（是一种新型负电容场效应管，即负电容鳍式场效应晶体管），实现了SS和阈值电压回滞分别为34.5mV/dec和9mV的500纳米栅长NC-FinFET器件，以及SS和阈值电压回滞分别为53mV/dec和40mV的20纳米栅长NC-FinFET器件。其中，500纳米栅长NC-FinFET器件的驱动电流比常规HfO2基FinFET器件（非NC-FinFET）提升了260%且电流开关比（Ion/Ioff）大于1x106，标志着微电子所在新型NC-FinFET器件的研制方面取得了重要进展。


在国际上，碳纳米管被认为是构建纳米晶体管的理想材料；理论和实验研究均表明相较硅基器件而言，其具有5-10倍的本征速度和功耗优势，性能接近由量子测不准原理所决定的电子开关的极限，有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。

韩国三星计划到明年上半年完成3纳米晶体管的研发。同7纳米技术相比，基于3纳米技术的处理器只需用一半的电力，性能却会提高35%。

目前，中科院微电子所已经着手研发一种更小尺寸的晶体管，即原子大小（0.5纳米）。