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半導體

專訪中國工程院院士吳漢明:硅基技術在產業上的地位,未來幾十年應該仍不可撼動

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開欄的話:隨著集成電路晶體管密度越來越接近物理極限,單純依靠提高制程來提升集成電路性能變得越來越困難。圍繞如何發展“后摩爾時代”的集成電路產業,全球都在積極尋找新技術、新方法和新路徑。為進一步推動中國集成電路在后摩爾時代的技術創新、加速產業發展,中國半導體行業協會聯合《中國電子報》推出“后摩爾時代技術演進院士談”系列報道,將采訪相關領域院士,探討后摩爾時代半導體產業的發展方向。

幾十年來,半導體產業一直遵循摩爾定律高速發展,半導體制程節點正在逐漸向3納米演進。但是,受技術瓶頸和研制成本劇增等因素的影響,摩爾定律正在逼近物理極限。在后摩爾時代,什么樣的技術會起到關鍵性作用?我國又存在哪些技術壁壘亟待突破?中國工程院院士、浙江大學微納電子學院院長吳漢明在接受記者專訪時,分享了他的觀點與思考。

記者:當前,人們不太可能僅通過CMOS晶體管微縮推動半導體技術發展。隨著后摩爾時代的到來,您認為延續摩爾定律的技術主要有哪些?

吳漢明:摩爾定律是平面特征尺寸縮微發展技術的節奏,隨著這個節奏趨于緩慢,呈現泛摩爾(More than Moore)技術路線的后摩爾時代就來臨了。后摩爾時代具備以下五個特點:一是技術方向依然還在探索;二是不僅僅刻意追求特征線寬;三是應用范圍寬,可上天可入地;四是市場碎片化,沒有明顯壟斷;五是研發經費相對低廉。

基于這五個特點,便產生了五個與之對應的泛摩爾機遇:一是寬廣的技術創新空間;二是設備價格低,技術發展條件不苛刻;三是市場空間極大,投入收回的難度低;四是有利于創新型中小企業的成長,在科創板支持下容易在市場中生存下來;五是產品研發容易啟動,對于研發團隊的技術水平和科研經費方面的要求不高。這些機遇如果把握得好,就可以有效縮小與世界產業技術水平的差距。

在與許居衍院士討論過后,商討出了后摩爾時代四個技術的主要發展方向:一是“硅-馮”范式。具體為二進制基礎的MOSFET、CMOS(平面)和泛CMOS(立體柵FinFET、納米線環柵NWFET、碳納米管CNTFET等技術),這是目前產業主流技術的方向。二是類硅模式。現行架構下NC FET(負電容)、TFET(隧穿)、相變FET、SET(單電子)等電荷變換的非CMOS技術。這是延續摩爾定律的主要技術路線。三是類腦模式。3D封裝模擬神經元特性、存算一體等計算,具有并行性、低功耗的特點,這將是人工智能的主要途徑,有很好的產業前景。四是新興范式。具體為狀態變換(信息強相關電子態/自旋取向)、新器件技術(自旋器件/量子)和新興架構(量子計算/神經形態計算)。這項技術屬于基礎研究范疇,規模產業化應用應該在至少十年之后。

記者:隨著后摩爾時代的到來,刻蝕工藝有哪些新的技術趨勢?在半導體工藝技術演進中發揮了怎樣的作用?

吳漢明:等離子體刻蝕是整個工藝流程最具挑戰性的技術之一。這是因為刻蝕工藝中涉及的問題是多學科交叉的領域,包括力學、物理、化學、數學、材料和系統控制等。

目前的等離子體刻蝕技術朝兩個大方向發展,首先是軟刻蝕(Soft Etch),追求高選擇率、各向同性刻蝕、低損傷等,主要針對邏輯器件;另一種是硬刻蝕(HardEtch),追求高深寬比的刻蝕能力和刻蝕形貌,主要針對存儲器。原子層刻蝕(ALE)技術是軟刻蝕有前景的技術選項之一,基本可以達到刻蝕工藝中的無損傷要求,但主要存在的問題是工藝產出率較慢,該技術目前正處于商業化的前期,值得關注。

未來,等離子體刻蝕技術的發展趨勢鑒于成本的因素,主要是減少關鍵尺寸(CD)和刻蝕率主導的薄膜厚度不均勻性。另外、硅基新材料的引進給刻蝕工藝技術帶來了新的挑戰,如應變硅材料、前段的高k 金屬柵(HKMG)和后段的超低k介質刻蝕都需要基于系統研發工作,推進整體芯片工藝發展。其他后摩爾時代推出的新材料也正在不斷地被應用到芯片制造中,相應的刻蝕工藝技術都需要同步或先行發展,例如III-V 族材料、磁性材料和存儲功能刻蝕,都需要研究其相應的物理和化學特點,開發適合于產業化應用的刻蝕工藝技術。

目前,產業期待能建立一個適用的工藝模型,來指導當下的工藝研發,這樣就可以大大加速研發進程,并且降低研發費用,縮短研發周期。未來,隨著人工智能技術的發展,等離子體刻蝕技術必將是刻蝕技術發展的核心。為此,必須開發可靠的等離子體刻蝕模型和先進的數據采集和處理技術。

記 者:您曾在2021數博會上公開表示,讓一個國家或者一個地區做一個光刻機是不現實的。光刻機的制作難度之大,可能是很多國家在很多年內都無法突破的,我國也同樣受限于此,您覺得我國該如何擺脫這層枷鎖?

吳漢明:眾所周知,光刻機只是芯片制造的眾多必要基礎條件之一。有了先進光刻機也不一定做出先進芯片。擁有先進光刻機的美國、歐洲和日本在先進芯片制造工藝上落后中國臺灣地區和韓國,我們20年芯片制造工藝發展史都間接證明了這一點。

目前全球最高端的EUV光刻機是由各國5000多家頂尖的零部件材料供應商支持,是全世界高精尖技術的結晶。其中荷蘭本國的技術成分只有小部分,大部分技術來源于其他國家。我們可能不必沿著現有的技術路線去拼命追趕最高端的EUV光刻機。要用創新思維開展光刻機技術中的原始創新探索,用開放的容納百川的心態從國內外物色招聘世界級的領軍人物,努力發現新的原理性的技術,從而支持企業制造具有自己核心技術的國產光刻機。

如果按照已有的技術路線以追隨模式攻關,恐怕難以趕上世界領先國家的先進光刻技術。因此可以認為,短期內完全依靠一個國家和地區用閉門造車的方法做成可產業化應用的先進光刻機不現實,更不可能依靠一個國家和地區來支撐先進光刻機產業的可持續發展。

因此我們必須要有清醒的頭腦,在堅持自立自強的技術路線同時,要保持開放心態,積極設法與擁有全球化理念和先進技術的公司開展合作。走出去、請進來,推動國際企業本土化、本土企業國際化。充分發揮我們巨大的市場優勢,積極開展雙循環發展路線。遵循經濟發展規律,將我們商業界的朋友發展起來,一定要有可以實施外循環的通道。那些違反經濟發展規律,用意識形態劃分的商業聯盟的企圖是注定要失敗的。

需要堅持企業為創新主體。制定各種優惠政策支持光刻機整機企業和芯片制造企業,在國家重大專項技術成果(193nm ArF光刻機)基礎上,聯合推動光刻機研發。力爭在“十四五”期間,由整機企業牽頭將國產光刻機的產能提升到滿足我國建設新芯片制造生產線的部分需求。

記者:石墨烯芯片這項技術的發展前景怎樣?石墨烯技術對于推動集成電路的發展有何助力?

吳漢明:石墨烯芯片的優異性能的確非常吸引人,未來應用前景可期。因為新材料的全新物理機制,可以實現全新的邏輯、存儲及互聯概念,推動了半導體產業的革新。然而現實很骨感,現有的主流硅基技術由于成本和完備的生態鏈,在產業上的地位在未來幾十年應該是不可撼動的。也許在某些應用場景石墨烯芯片有較大的優勢,但是大規模的石墨烯場效應晶體管替代硅基在短期內并沒有機會。科學家們下一步需要繼續研究其性能,包括研究哪些金屬及制備工藝不會對石墨烯的導電性造成損害。

制造芯片所需的高純度的石墨烯獲取難度很大,石墨烯晶圓的制造也十分困難,雖然已經做出了原型,證實了技術上的可行性,但是產業化應用還有很長的路要走。即便生產制造技術取得突破,在與主流硅基競爭時,成本問題仍是必須邁過的坎。還需建設相應的產業生態鏈,如設計工具和制造裝備等,這將是一項極大規模的系統工程。

記 者:對于我國半導體產業的創新發展,您還有哪些建議?

吳漢明:目前我國集成電路產業發展面臨的困難很多。因為產業鏈特別長,想在每個環節上都做到面面俱到非常難。面對當前錯綜復雜的國際形勢,我們要有自己的發展定力,全力練就自身內功。堅持內循環為主的雙循環發展思路。保持開放心態,支持全球化發展。

在芯片制造領域有以下四個方面的建議:一是充分利用國家重大專項取得的成果,繼續支持先進工藝研發工作的同時,大力支持特色工藝和相關的產業鏈的各環節發展。后摩爾時代的產業技術發展趨緩,市場和技術創新空間大,也是我們作為追趕者的機會。

二是堅持產業引領技術路線。我國集成電路技術研發起點不晚(1958年自制硅單晶,1965年研發IC芯片,2014年出臺了《國家集成電路產業發展推進綱要》,經歷了7年多的發展,我國進口半導體總值占全球半導體市場的比例從64.8%增加至82.2%),但投入的資金太散太少,龍頭企業發展過緩,產業領軍人才奇缺,遠跟不上全球產業發展的步伐。我們的科技創新一定要有產業引領才有機會。

三是保持戰略定力,堅持自立自強對外開放的發展道路。以開放心態與全球企業合作。雖然全球化途徑不暢,我們依然需要努力推動本土企業國際化、外企本土化進程。其中世界IP龍頭企業ARM公司和其他一些國際大公司的本土化也許是值得研究和參考的例子。

四是建立具有成套工藝能力的設計、制造一體化,科教產教融合的公共技術平臺。成套工藝是芯片產業技術水平的唯一標志。在具備成套工藝基礎上,這個平臺需要具備以下四大功能:一是孵化創新型中小設計企業,縮短研發周期;二是為裝備和材料企業等提供成套工藝驗證流片;三是構建科教產教融合的產業新人才培養模式,提供產教融合實習場景;四是成套工藝支持企業研發、生產芯片制造的共性技術(例如產品良率提升、芯片生產優化調度、虛擬生產線建設等)。平臺建設須保持開放心態,與全球企業開展交流。針對性地培養具有前瞻性,能夠引領未來發展的復合型、工程型人才和科技創新領軍人才。

責任編輯:許子皓


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