浅析高k栅介质材料在CMOS技术中的专利应用

作为微电子产业的核心技术，CMOS集成电路技术一直在遵循摩尔定律发展，MOS器件尺寸的持续缩小，IC的集成度持续提高，推动了电子信息技术的飞速发展。然而，传统SiO2 栅极材料的厚度已接近物理极限，厚度减薄引发的栅漏电流和功耗急剧增大等可靠性问题阻碍了元器件新工艺节点的进一步缩小。如何既能够继续对器件进行等比例缩小，同时又能够减小器件功耗？高k介质正逐渐代替SiO2成为了研究热点。

本文检索了近十年（2015年-2024年）与高k栅介质材料相关的CMOS技术专利技术数据，并展开分析，从而探究该项技术的发展现状，以期为技术人员在该领域的研究提供参考。

一、高k栅介质材料相关的CMOS技术专利发展分布

HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3是当前研究最为广泛的高K介质材料，从图1可以看出，2015年至2022年，高k栅介质在CMOS中应用相关的专利申请量虽然在部分年份存在下降趋势，但总体仍是稳中向上增长的。至于2023年和2024年检索到的专利申请量下降，这与相应年份申请的专利尚未全部公开有关，暂不具有参考价值。

图1.近十年HfO2等常见高k栅介质材料相关的CMOS技术专利申请量变化图

图1还显示，在不同的高k介质材料中，Al2O3为使用最为广泛的高k介质材料，HfO2次之。Al2O3具有化学稳定性优异、界面钝化效果好的优点，同时也存在介电常数较小（k值为9）的问题，这使得研究人员常常选择Al2O3与其他高k材料（如HfO2、ZrO2等）组合使用，得到复合高k栅介质材料，因而使用率最高。HfO2因为兼具的介电常数（k值为25）、热稳定性好、本征缺陷密度低、与CMOS工艺兼容等综合性能优势，这使得其成为高k介质中研究热点。

图2.近十年单层高k介质和复合高k介质的专利申请量比对表

进一步对比分析了近十年HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3等四种高k材料单独作为高k介质材料和复合作为高k介质材料的专利申请量（如图2所示），可以看出Al2O3被大量（约4700余项专利）作为复合高k介质来使用。HfO2次之，也大量（4000余项专利）被用作为复合高k介质材料来使用。ZrO2 和La2O3极少单独作为高k介质材料来使用，被作为复合高k介质的使用率均高于95%。以上分析显示，相比于单独一种高k介质材料，更多的专利技术选择使用复合高k介质材料。

二、高k栅介质专利技术在创新主体中的分布情况

本文还对不同创新主体采用高k栅介质的专利技术情况进行了探究，图3中我们选取台积电、中芯国际、三星、英特尔4个企业和中国科学院、西安电子科技大学2个科研单位为示例，统计了近十年相关专利申请量，结果显示，4个企业申请量明显高于科研单位的专利申请量，原因在于CMOS技术更需要大规模的应用作为技术迭代发展的基础，在这一方面企业相比科研单位具有天然的优势。

图3.近十年不同创新主体采用高k栅介质的累计专利申请量对比

图4.不同创新主体采用高k栅介质的历年专利申请量对比

此外，本文还对不同创新主体采用高k栅介质的历年专利申请量进行了对比，结果显示台积电、三星和英特尔3家企业在近十年在高k栅介质MOS技术方面持续保持了较大的技术研发力度，每年均有较大的专利申请量。中芯国际自2018年后，在该领域的专利技术申请量上有明显的下降，这可能是国际上对其进行的卡脖子技术制裁导致的，虽然下降明显，但该公司仍保持着对高k栅介质MOS技术的研发工作并未中断。

图5近十年不同创新主体在不同衬底材料上应用高k栅介质的专利申请量对比

进一步的，我们对台积电、中芯国际、三星和英特尔4个企业在不同衬底材料（包括Si基、Ge基、GaN基、GaAS基、SiC基等5种半导体材料作为衬底）上应用高k栅介质的情况进行了分析比对。结果显示，4家企业仍均是以Si作为主要衬底材料，这与硅基技术具有更低的技术成本有关。此外，中芯国际在Ge基、GaN基、GaAS基、SiC基的专利布局量均高于其他三家，这体现出其在其他衬底的应用上投入了更大的研发力度，并且在这一领域逐渐建立出后发优势。

这为相关企业的技术研发和专利布局提供了一定的参考价值，在竞争对手传统优势行业中，常常需要在跟进研发的同时，适当绕开对方的优势技术点，在相近的技术分支上投入更大的研发力度，以便为后续实现弯道超车建立基础。

三、结语

本文从专利申请角度全面分析了近十年高k栅介质材料在CMOS技术上的应用，并以常见的4种高k介质的专利申请量分析为切入点，分析出复合高k介质材料已逐渐成为本领域技术研发的主流。此外在对不同创新主体采用高k栅介质的专利技术情况进行分析的过程中，各大创新主体仍在持续推进高k介质材料在CMOS技术上的研发工作，并以中芯国际为例，为企业如何在对手优势的领域中进行专利布局提供了参考借鉴。

作者简介：

池晓伟（1990.5-），男，汉族，硕士研究生，知识产权师，研究方向：知识产权研究，工作单位:国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心。

王敏（1995.7-），女，汉族，硕士研究生，助理知识产权师，研究方向：知识产权研究，工作单位:国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心。