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

 

 

 

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)，二是技術手段挑戰(zhàn)，三是經(jīng)濟成本挑戰(zhàn)，光算經(jīng)濟賬都不得了。繞道摩爾定律有很多途徑，吳院士會專門介紹。途徑之一就是異質集成電路。

 

什么是異質集成電路？

 

我們都清楚有兩類主要的半導體材料：一類是以硅為代表的元素半導體；第二類是以生化鉀等為代表的化合物半導體。這兩類半導體各有優(yōu)缺點，從材料到電路優(yōu)點很突出，缺點也很突出。現(xiàn)狀是一些復雜的電子系統(tǒng)比如圖所示前端的電子系統(tǒng)用任何單一的半導體工藝都比較難的完美實現(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)點的半導體材料工藝結合起來。今天要講的異質繼承就具有這個功能。

 

所謂半導體異質集成電路：將不同工藝節(jié)點的化合物半導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，通過異質鍵合成或外研生長等方式集成而實現(xiàn)的。

 

異質繼承特色很突出：一是可以融合不同半導體材料、工藝、結構和元器件或芯片的優(yōu)點；二是采用系統(tǒng)設計理念；三是應用先進技術比如IP和小芯片，chiplet；具有2.5維或3維高密度結構。正因為這些特色，所以優(yōu)點很突出：實現(xiàn)強大的復雜功能、優(yōu)異的綜合性能，突破單一半導體工藝的性能極限；二是靈活性大、可靠性高、研發(fā)周期短；三是是3維集成所以可以實現(xiàn)小型化輕質化；對半導體設備要求相對比較低，不受EUV光刻機限制。正因為這些優(yōu)點超越摩爾定律的重要路線之一。

 

在半導體異質集成電路中有特殊的集成電路叫毫米波異質集成電路。我們很清楚，毫米波是從30個G到300個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體異質集成電路發(fā)展的重點方向。它有三個特殊原因，對異質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；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，所以對于異質集成更加迫切；三是毫米波異質所面臨的挑戰(zhàn)和問題更為嚴峻和復雜。因為頻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，造成設計工藝更加復雜。

 

研究半導體異質繼承的科學意義也是很顯著的。可以通過集成電路從目前單一同質工藝向多種異質工藝集成方向發(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值，可以實現(xiàn)高性能的復雜系統(tǒng)。它的價值首先是電子系統(tǒng)集成技術發(fā)展的新途徑；其次是后摩爾時代集成電路發(fā)展新方向；最后也是我們國家半導體集成電路變道超車發(fā)展的新機遇。

 

 

國際上從EDA工具到工藝到芯片都有一些研究基礎和進展。從工具來講，NAGS開發(fā)了當前異質集成最先進的工藝，這些工藝的功能包括版圖設計、電路綜合分析，而且是與業(yè)界的標準工藝是兼容的。

 

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

 

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

 

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

 

如果要說發(fā)展趨勢，我想它和芯片類似，芯片有一個摩爾定律，封裝集成有一個系統(tǒng)集成定律，指的是復雜電子系統(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體發(fā)展藍圖相關的異質集成發(fā)展藍圖，而ITRS停止發(fā)布了。總體趨勢也是集成度工作速度不斷提高，特別是電子光電、機械一體化集成，這也是重要的發(fā)展趨勢。這樣就帶來三大主要挑戰(zhàn)：多物理調控；多性能協(xié)同（信號、電源完整性，熱、力）；多材質融合（半導體硅、化合物半導體、金屬、玻璃等等）。

 

這三個挑戰(zhàn)就會引起四個主要的關鍵科技問題：一是解決半導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)同機制，電特性、應力特性、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，需建立異質界面動力學，認識擴散、成核、粘合機理，通過界面調控融合，實現(xiàn)高可靠異質集成。異質集成受制于電熱、應力多物理特性，我們要認識它們之間的內(nèi)在關系，從而實現(xiàn)半導體工藝量化設計與控制。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，這也是一個飛躍。

 

第四個科技問題是異質集成電路可測性原理。因為是三維高密度集成，探測點很少，頻率比較較的話耦合效應很嚴重，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，場的結合，進行多學科交叉，包括電子科學與技術、物理學特別是人工智能對電路的設計，需要力學、化學、材料等等多學科交叉開展研究。

 

 

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