6月9日,在南京举办的世界半导体大会上,中科院院士、上海交大党委常委、副校长毛军发做主题为《半导体异质集成电路》的报告。

 

   中科院院士、上海交大党委常委、副校长毛军发

 

 一、异质集成电路背景与意义。

我们都很清楚芯片现在有两条主要发展路线:一是延续摩尔定律;二是绕道摩尔定律。大家很清楚摩尔定律,现在面临一些挑战,一是物理极限挑战,二是技术手段挑战,三是经济成本挑战,光算经济账都不得了。绕道摩尔定律有很多途径,吴院士会专门介绍。途径之一就是异质集成电路。

    

什么是异质集成电路?

我们都清楚有两类主要的半导体材料:一类是以硅为代表的元素半导体;第二类是以生化钾等为代表的化合物半导体。这两类半导体各有优缺点,从材料到电路优点很突出,缺点也很突出。现状是一些复杂的电子系统比如图所示前端的电子系统用任何单一的半导体工艺都比较难的完美实现,有些部件用硅石墨芯片,有些部件更适合用氮化镓芯片,所以我们自然想到有没有一种办法把不同节点的半导体材料工艺结合起来。今天要讲的异质继承就具有这个功能。

    

所谓半导体异质集成电路:将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片、硅基低成本高集成器件成芯片(都含光电子器件或芯片),与无源元件或天线,通过异质键合成或外研生长等方式集成而实现的。

    

异质继承特色很突出:一是可以融合不同半导体材料、工艺、结构和元器件或芯片的优点;二是采用系统设计理念;三是应用先进技术比如IP和小芯片,chiplet;具有2.5维或3维高密度结构。正因为这些特色,所以优点很突出:实现强大的复杂功能、优异的综合性能,突破单一半导体工艺的性能极限;二是灵活性大、可靠性高、研发周期短;三是是3维集成所以可以实现小型化轻质化;对半导体设备要求相对比较低,不受EUV光刻机限制。正因为这些优点超越摩尔定律的重要路线之一。

    

在半导体异质集成电路中有特殊的集成电路叫毫米波异质集成电路。我们很清楚,毫米波是从30个G到300个G的频段波段,带宽很宽,而且器件小型化,所以也是国际上半导体异质集成电路发展的重点方向。它有三个特殊原因,对异质集成电路需求更加迫切:一是满足很多需求从5G、6G到航天导航到无人驾驶到智能装备到物联网都需要毫米波技术;二是毫米波系统往往包括数字电路、模拟电路、射频微波电路,所以对于异质集成更加迫切;三是毫米波异质所面临的挑战和问题更为严峻和复杂。因为频率高具有分布式参数,从“路”向场演变;模块之间的间距只有微秒量级、耦合紧密,造成设计工艺更加复杂。

    

研究半导体异质继承的科学意义也是很显著的。可以通过集成电路从目前单一同质工艺向多种异质工艺集成方向发展,从目前二维平面集成向三维立集成方向发展,从TOP-DOWN到BOTTOM-UP发展,这就是它的意义与价值,可以实现高性能的复杂系统。它的价值首先是电子系统集成技术发展的新途径;其次是后摩尔时代集成电路发展新方向;最后也是我们国家半导体集成电路变道超车发展的新机遇。  

    

二、半导体异质集成的现状与问题

国际上从EDA工具到工艺到芯片都有一些研究基础和进展。从工具来讲,NAGS开发了当前异质集成最先进的工艺,这些工艺的功能包括版图设计、电路综合分析,而且是与业界的标准工艺是兼容的。

    

从工艺来讲目前有四种主流的半导体异质集成工艺,最先进也是难度最大的是异质外延生长工艺。它是芯片的异步集成半导体技术,后面三种包括异质外延转移、小芯片组装和异质兼容是小系统级的集成,各有优点和缺点。

    

异剂集成电路样品研究发展也有很多进展。比如美国DRAPA的SMART项目中,研制出44G的毫米波雷达系统,总厚度10mm,功能密度相比于传统提高了2个数量级。

    

小芯片也有很多进展,不管是互联还是多种形式。右上角是英特尔在去年IEDM重要的半导体国际会议之一发布他们三维异质集成的产品,右下角是三星公司在同样的会议上发布他们的三维异质集成的样品。台积电是以代工著称,但是近几年高度重视芯片的封装集成的技术,而且起点非常高,比如他们用最先进的3Dfabric制作出三维对立的芯片,达到12层。右下角是台积电用于智能手机的3Dsystem。

   

如果要说发展趋势,我想它和芯片类似,芯片有一个摩尔定律,封装集成有一个系统集成定律,指的是复杂电子系统中能够集成的芯片数量、元器件数量也是每18个月或者2年翻一番,功能提高一倍,成本下降一半。红颜色的曲线就是系统集成的曲线,更加陡峭。根据芯片发展路线以前叫国际半导体发展蓝图相关的异质集成发展蓝图,而ITRS停止发布了。总体趋势也是集成度工作速度不断提高,特别是电子光电、机械一体化集成,这也是重要的发展趋势。这样就带来三大主要挑战:多物理调控;多性能协同(信号、电源完整性,热、力);多材质融合(半导体硅、化合物半导体、金属、玻璃等等)。

    

这三个挑战就会引起四个主要的关键科技问题:一是解决半导体异剂集成电路跨尺度多物理场紧密耦合;二是多性能、多功能协同机制,电特性、应力特性、热特性往往是相互矛盾的,功能也需要协同;三是由于不同的材料晶格、膨胀系数差异,需建立异质界面动力学,认识扩散、成核、粘合机理,通过界面调控融合,实现高可靠异质集成。异质集成受制于电热、应力多物理特性,我们要认识它们之间的内在关系,从而实现半导体工艺量化设计与控制。目前的工艺主要是一些定性分析和量化,我们希望能够从定性走向定量,这也是一个飞跃。

    

第四个科技问题是异质集成电路可测性原理。因为是三维高密度集成,探测点很少,频率比较较的话耦合效应很严重,为测试带来挑战,因此我们要掌握可测性原理建立物理特性可测试的充分和必要挑战。

    

针对这四个问题我们提出总体研究思路。打破集成电路传统“路”的思路,我们向场的演变,场的结合,进行多学科交叉,包括电子科学与技术、物理学特别是人工智能对电路的设计,需要力学、化学、材料等等多学科交叉开展研究。

   

三、成果与展望

未来10年研究目标,包括把光电子和电子集成在一起,这个难度更大,我们也希望能够突破异质生长工艺,把软件完全商业化。

    

总结

摩尔定律正面临严峻挑战,这也是一个转折点,也是一个机遇。