6月9日，在南京舉辦的世界半導(dǎo)體大會(huì)上，中科院院士、上海交大黨委常委、副校長毛軍發(fā)做主題為《半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路》的報(bào)告。

 

 

 

我們都很清楚芯片現(xiàn)在有兩條主要發(fā)展路線：一是延續(xù)摩爾定律；二是繞道摩爾定律。大家很清楚摩爾定律，現(xiàn)在面臨一些挑戰(zhàn)，一是物理極限挑戰(zhàn)，二是技術(shù)手段挑戰(zhàn)，三是經(jīng)濟(jì)成本挑戰(zhàn)，光算經(jīng)濟(jì)賬都不得了。繞道摩爾定律有很多途徑，吳院士會(huì)專門介紹。途徑之一就是異質(zhì)集成電路。

 

什么是異質(zhì)集成電路？

 

我們都清楚有兩類主要的半導(dǎo)體材料：一類是以硅為代表的元素半導(dǎo)體；第二類是以生化鉀等為代表的化合物半導(dǎo)體。這兩類半導(dǎo)體各有優(yōu)缺點(diǎn)，從材料到電路優(yōu)點(diǎn)很突出，缺點(diǎn)也很突出?，F(xiàn)狀是一些復(fù)雜的電子系統(tǒng)比如圖所示前端的電子系統(tǒng)用任何單一的半導(dǎo)體工藝都比較難的完美實(shí)現(xiàn)，有些部件用硅石墨芯片，有些部件更適合用氮化鎵芯片，所以我們自然想到有沒有一種辦法把不同節(jié)點(diǎn)的半導(dǎo)體材料工藝結(jié)合起來。今天要講的異質(zhì)繼承就具有這個(gè)功能。

 

所謂半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路：將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件成芯片（都含光電子器件或芯片），與無源元件或天線，通過異質(zhì)鍵合成或外研生長等方式集成而實(shí)現(xiàn)的。

 

異質(zhì)繼承特色很突出：一是可以融合不同半導(dǎo)體材料、工藝、結(jié)構(gòu)和元器件或芯片的優(yōu)點(diǎn)；二是采用系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念；三是應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)比如IP和小芯片，chiplet；具有2.5維或3維高密度結(jié)構(gòu)。正因?yàn)檫@些特色，所以優(yōu)點(diǎn)很突出：實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的復(fù)雜功能、優(yōu)異的綜合性能，突破單一半導(dǎo)體工藝的性能極限；二是靈活性大、可靠性高、研發(fā)周期短；三是是3維集成所以可以實(shí)現(xiàn)小型化輕質(zhì)化；對半導(dǎo)體設(shè)備要求相對比較低，不受EUV光刻機(jī)限制。正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)超越摩爾定律的重要路線之一。

 

在半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路中有特殊的集成電路叫毫米波異質(zhì)集成電路。我們很清楚，毫米波是從30個(gè)G到300個(gè)G的頻段波段，帶寬很寬，而且器件小型化，所以也是國際上半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路發(fā)展的重點(diǎn)方向。它有三個(gè)特殊原因，對異質(zhì)集成電路需求更加迫切：一是滿足很多需求從5G、6G到航天導(dǎo)航到無人駕駛到智能裝備到物聯(lián)網(wǎng)都需要毫米波技術(shù)；二是毫米波系統(tǒng)往往包括數(shù)字電路、模擬電路、射頻微波電路，所以對于異質(zhì)集成更加迫切；三是毫米波異質(zhì)所面臨的挑戰(zhàn)和問題更為嚴(yán)峻和復(fù)雜。因?yàn)轭l率高具有分布式參數(shù)，從“路”向場演變；模塊之間的間距只有微秒量級、耦合緊密，造成設(shè)計(jì)工藝更加復(fù)雜。

 

研究半導(dǎo)體異質(zhì)繼承的科學(xué)意義也是很顯著的?？梢酝ㄟ^集成電路從目前單一同質(zhì)工藝向多種異質(zhì)工藝集成方向發(fā)展，從目前二維平面集成向三維立集成方向發(fā)展，從TOP-DOWN到BOTTOM-UP發(fā)展，這就是它的意義與價(jià)值，可以實(shí)現(xiàn)高性能的復(fù)雜系統(tǒng)。它的價(jià)值首先是電子系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展的新途徑；其次是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展新方向；最后也是我們國家半導(dǎo)體集成電路變道超車發(fā)展的新機(jī)遇。

 

 

國際上從EDA工具到工藝到芯片都有一些研究基礎(chǔ)和進(jìn)展。從工具來講，NAGS開發(fā)了當(dāng)前異質(zhì)集成最先進(jìn)的工藝，這些工藝的功能包括版圖設(shè)計(jì)、電路綜合分析，而且是與業(yè)界的標(biāo)準(zhǔn)工藝是兼容的。

 

從工藝來講目前有四種主流的半導(dǎo)體異質(zhì)集成工藝，最先進(jìn)也是難度最大的是異質(zhì)外延生長工藝。它是芯片的異步集成半導(dǎo)體技術(shù)，后面三種包括異質(zhì)外延轉(zhuǎn)移、小芯片組裝和異質(zhì)兼容是小系統(tǒng)級的集成，各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

 

異劑集成電路樣品研究發(fā)展也有很多進(jìn)展。比如美國DRAPA的SMART項(xiàng)目中，研制出44G的毫米波雷達(dá)系統(tǒng)，總厚度10mm，功能密度相比于傳統(tǒng)提高了2個(gè)數(shù)量級。

 

小芯片也有很多進(jìn)展，不管是互聯(lián)還是多種形式。右上角是英特爾在去年IEDM重要的半導(dǎo)體國際會(huì)議之一發(fā)布他們?nèi)S異質(zhì)集成的產(chǎn)品，右下角是三星公司在同樣的會(huì)議上發(fā)布他們的三維異質(zhì)集成的樣品。臺(tái)積電是以代工著稱，但是近幾年高度重視芯片的封裝集成的技術(shù)，而且起點(diǎn)非常高，比如他們用最先進(jìn)的3Dfabric制作出三維對立的芯片，達(dá)到12層。右下角是臺(tái)積電用于智能手機(jī)的3Dsystem。

 

如果要說發(fā)展趨勢，我想它和芯片類似，芯片有一個(gè)摩爾定律，封裝集成有一個(gè)系統(tǒng)集成定律，指的是復(fù)雜電子系統(tǒng)中能夠集成的芯片數(shù)量、元器件數(shù)量也是每18個(gè)月或者2年翻一番，功能提高一倍，成本下降一半。紅顏色的曲線就是系統(tǒng)集成的曲線，更加陡峭。根據(jù)芯片發(fā)展路線以前叫國際半導(dǎo)體發(fā)展藍(lán)圖相關(guān)的異質(zhì)集成發(fā)展藍(lán)圖，而ITRS停止發(fā)布了?？傮w趨勢也是集成度工作速度不斷提高，特別是電子光電、機(jī)械一體化集成，這也是重要的發(fā)展趨勢。這樣就帶來三大主要挑戰(zhàn)：多物理調(diào)控；多性能協(xié)同（信號、電源完整性，熱、力）；多材質(zhì)融合（半導(dǎo)體硅、化合物半導(dǎo)體、金屬、玻璃等等）。

 

這三個(gè)挑戰(zhàn)就會(huì)引起四個(gè)主要的關(guān)鍵科技問題：一是解決半導(dǎo)體異劑集成電路跨尺度多物理場緊密耦合；二是多性能、多功能協(xié)同機(jī)制，電特性、應(yīng)力特性、熱特性往往是相互矛盾的，功能也需要協(xié)同；三是由于不同的材料晶格、膨脹系數(shù)差異，需建立異質(zhì)界面動(dòng)力學(xué)，認(rèn)識(shí)擴(kuò)散、成核、粘合機(jī)理，通過界面調(diào)控融合，實(shí)現(xiàn)高可靠異質(zhì)集成。異質(zhì)集成受制于電熱、應(yīng)力多物理特性，我們要認(rèn)識(shí)它們之間的內(nèi)在關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體工藝量化設(shè)計(jì)與控制。目前的工藝主要是一些定性分析和量化，我們希望能夠從定性走向定量，這也是一個(gè)飛躍。

 

第四個(gè)科技問題是異質(zhì)集成電路可測性原理。因?yàn)槭侨S高密度集成，探測點(diǎn)很少，頻率比較較的話耦合效應(yīng)很嚴(yán)重，為測試帶來挑戰(zhàn)，因此我們要掌握可測性原理建立物理特性可測試的充分和必要挑戰(zhàn)。

 

針對這四個(gè)問題我們提出總體研究思路。打破集成電路傳統(tǒng)“路”的思路，我們向場的演變，場的結(jié)合，進(jìn)行多學(xué)科交叉，包括電子科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)特別是人工智能對電路的設(shè)計(jì)，需要力學(xué)、化學(xué)、材料等等多學(xué)科交叉開展研究。

 

 

未來10年研究目標(biāo)，包括把光電子和電子集成在一起，這個(gè)難度更大，我們也希望能夠突破異質(zhì)生長工藝，把軟件完全商業(yè)化。