编者按:随着集成电路晶体管密度越来越接近物理极限,单纯依靠提高制程来提升集成电路性能变得越来越困难。围绕如何发展“后摩尔时代”的集成电路产业,全球都在积极寻找新技术、新方法和新路径。为进一步推动中国集成电路在后摩尔时代的技术创新、加速产业发展,特推出相关领域院士访谈,探讨后摩尔时代半导体产业的发展方向。

 

 

几十年来,集成电路产业一直遵循摩尔定律高速发展,制程节点正在逐渐向3纳米演进。但是,受技术瓶颈和研制成本剧增等因素影响,摩尔定律正逼近极限。在后摩尔时代,谁会成为未来集成电路的技术方向呢?近日,中国科学院院士张跃接受了《中国电子报》记者专访。

 

新型关键半导体材料研制是未来主要技术发展方向之一

 

记者:随着后摩尔时代的演进,您认为延续摩尔定律的技术主要有哪些?

 

张 跃:过去的半个多世纪,摩尔定律成功地促进了半导体科学、工业技术与社会资本的深度融合,刺激了集成电路产业的飞速发展,也加速了人类从信息时代跨向人工智能时代的前进脚步。然而随着尺寸微缩极限的到来,集成电路通过直接缩小沟道尺寸实现高集成度和高数据处理能力都面临着巨大的挑战。随着集成电路从平面制造技术向三维制造技术发展,工艺复杂性以及制造成本显著增加,集成电路制造技术进入了后摩尔时代。当前,人们正在从软件架构、硬件结构、连接方式以及新材料制造等多方面努力寻找延续摩尔定律的方法。

 

从产业的角度看,目前集成电路的先进制程已经进入7纳米和5纳米工艺节点。然而,随着极紫外(EUV)曝光技术等复杂制造工艺的引入和系统设计难度的增加,集成电路制造成本显著提升。

 

从材料科学的角度看,传统硅基材料在尺寸微缩极限下遇到的关键挑战,是造成集成电路工艺复杂性和系统设计难度显著提升的重要因素。首先,随着晶体管集成度的提高,处于晶体管结构中的沟道半导体材料(如硅、锗等)厚度减小到了10纳米数量级,仅有几十个原子大小。在这种情况下,量子限域效应会导致传统半导体材料的电学性能显著衰退,当达到一到两个纳米的极限尺寸时,硅、锗等传统半导体材料的迁移率都会接近零,成为不导电的绝缘体,无法实现晶体管的基本功能。

 

其次,传统晶体管半导体器件的主要结构是异质结构。晶体管中涉及的材料很多,包括半导体材料、氧化物材料、金属材料。一般地,采用外延生长工艺将两种材料连接起来构成异质结构。然而在两种材料连接的界面处,由于原子的大小和结合方式都不一样,会产生很多没有成键的电荷散射中心。随着尺寸减小,这些电荷散射中心的不良影响显著增加,晶体管中电荷传输效率低,需要更大的工作电压驱动,导致器件功耗无法降低。

 

因此,如何克服尺寸微缩极限下传统半导体材料性能衰退和异质结器件功耗大的瓶颈问题,是延续后摩尔定律的主要途径之一。从目前的发展情况看,在未来的一段时间内,通过研发更高精度的工艺制造技术和更加优化的器件与系统架构的硅基集成电路仍然是主导全球集成电路发展的关键技术路线。但是,未雨绸缪,瞄准下一代工艺技术节点,研究可以弥补硅基技术路线中传统半导体材料性能的短板,研制新型关键半导体材料将是未来重要的技术路线之一。

 

为此,美、日、韩、欧盟等国家和地区以及Intel、IBM、IMEC、三星、台积电等主要厂商在未来技术路线中均把研发新型关键半导体材料作为重要的发展方向之一。我国也在聚焦高端芯片、集成电路装备和工艺技术、集成电路关键材料等关键核心技术的研发。

 

后摩尔时代,全球科技界和产业界都处在积极探索和寻找下一代关键半导体材料的十字路口前。时不我待,紧紧抓住这个重大机遇期,突破新型关键半导体材料的技术瓶颈,将为我国引领未来科技与产业变革打下坚实基础。

 

石墨烯晶体管集成电路的发展仍然面临着巨大挑战

 

记者:石墨烯技术在集成电路上有没有发展前景?

 

张 跃:在人类社会的科技进步和产业发展中,碳材料家族一直起着举足轻重的作用,比如煤炭是人类使用的主要能源之一,石墨是优秀的润滑、导热材料,碳纤维材料是工业制造和纺织品等领域的重要战略材料。几乎每一种碳材料的发现都会引起从科学到产业领域的广泛关注。自低维碳材料兴起以来,不断涌现出零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯和石墨炔等碳的同素异形体。三十年来,新型低维碳材料的迅速发展极大地推动了信息电子、能源催化、航空航天、生物医药等领域的不断进步。

 

石墨烯是碳材料家族的重要成员之一,从诞生之初就带着闪亮的光环。从结构上,石墨烯是人类可以制造的最薄材料,它的厚度和一个原子的直径相当,是头发丝的六十万分之一。从性能上,石墨烯独特的狄拉克锥形能带结构,使得其具有超高的载流子迁移率。这些都突破了人们对传统材料认识和理解的极限,一时间石墨烯好像变成了无所不能的材料。随着对石墨烯研究的系统深入和完善,人们对石墨烯材料有了更客观和全面的了解。

 

在集成电路中,石墨烯最大的优势是迁移率高,也就是电子“跑得快”,可以使晶体管运算速度大幅提升。但是,晶体管工作不仅需要电子跑得快,还需要有良好的开关特性,也就是电子能“停得住”。因此,石墨烯晶体管在制造过程中需要进行掺杂,这样又会降低它的迁移率,失去本来的优势。如何既保证石墨烯晶体管高运算速度,又保证高的开关性能,是石墨烯晶体管与芯片研制的关键。另外,石墨烯的优异性能主要源自完美、平整的单层结构。如何获得晶圆尺寸、完美、平整的单层石墨烯结构,仍然是目前石墨烯在集成电路应用中的最大挑战之一。

 

二维材料及其范德华异质结电子学器件是后摩尔时代重要发展方向

 

记者:新型二维材料及范德华电子学器件会成为后摩尔时代的技术方向吗?

 

张 跃:近年来,二维材料及其范德华异质结电子学器件已经在超低功耗晶体管、超快逻辑运算、光电互联以及新型高密度存储等领域表现出巨大的发展潜力。美国、欧盟等国家和地区高度重视新型二维材料集成电路的发展,已经先后开始实施了国家战略计划,积极推动二维材料及其范德华异质结电子学器件的研究,并取得应用突破。IRDS(国际器件与系统发展路线)也将二维半导体材料作为未来集成电路沟道材料列入2028发展技术节点。国内外知名集成电路企业也纷纷启动了二维材料及其范德华异质结电子学器件的研究。

 

二维材料及其范德华电子学器件研究发展迅速,正处于即将取得突破性进展的重要阶段,也是知识产权争夺最激烈的关键时期。然而,我国在该领域研究存在突破方向不集中、研究力量薄弱、协调统筹力度不足等问题。为了推动我国二维材料及其范德华电子学器件的发展,我们要进一步凝聚力量,建立明确的应用需求导向,尽快实现技术创新与突破。

 

当前,我们将着力围绕二维材料与范德华电子学器件基础理论体系、新原理高性能电子器件设计构筑以及功能耦合与集成互联技术等方面开展研究。力争用三到五年的时间验证二维材料与范德华电子学器件在未来集成电路发展技术路线中的可行性,在与硅技术融合发展的新型二维材料及其范德华异质结电子学器件领域实现突破,推动未来集成电路制造技术的变革性发展。

 

加速推进关键材料技术突破,掌握未来核心技术

 

记者:您对我国半导体产业的创新发展有哪些建议?

 

张 跃:硅基集成电路作为现代电子工业发展的主阵地,在进入后摩尔时代面临着功耗激增和成本上涨的巨大挑战。发展新材料,探索与硅基技术兼容的新材料、新结构器件集成制造技术,是未来集成电路的重要发展趋势,也是后摩尔时代集成电路发展的主要技术路线之一。

 

在当前信息技术发展处于寻求变革性材料的关键节点上,世界各主要创新型国家均在加大未来集成电路用下一代关键半导体材料的投入,争夺核心技术知识产权。二维材料具有独特的结构与性能优势,以及三维堆垛集成优势。与硅基融合发展的二维材料及其范德华异质结电子学器件将是后摩尔时代重要方向。

 

纵观集成电路的发展历程,在过去的二十年时间里,应变硅材料与技术、浸没式曝光技术、High-k材料与技术、SOI技术以及FinFET技术等新材料与新技术不断涌现,推动了集成电路的跨越式发展。然而,我们也要清醒地认识到,这些技术突破都经历了漫长的研发周期和大量的人力、装备和资金投入。因此,二维材料及其范德华异质结电子学器件的研究与发展也必将是一个长远和系统的过程,是涉及信息、物理、材料、化学、机械、自动化等多学科交叉的前沿领域,需要建立和完善二维材料与范德华异质结基础理论体系,发展二维范德华电子学器件构筑与互联技术,研制先进原位表征与集成装置,推动未来集成电路产业变革性发展。

 

“一代材料,一代技术,一代装备,一代产业”,谁能率先突破、拔得头筹,谁就能在新一轮国际竞争中占据有利地位,成为引领未来的科技与产业革命的主导者。我国应当抓紧信息技术变革的重要战略机遇期,加速推进关键材料技术实现从“0”到“1”的重要突破。

 

 

作者丨许子皓

编辑丨连晓东
美编丨马利亚