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在有兩條主要發展路線：一是延續摩爾定律；二是繞道摩爾定律。大家很清楚摩爾定律，現在面臨一些挑戰，一是物理極限挑戰，二是技術手段挑戰，三是經濟成本挑戰，光算經濟賬都不得了。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缺點，從材料到電路優點很突出，缺點也很突出。現狀是一些復雜的電子系統比如圖所示前端的電子系統用任何單一的半導體工藝都比較難的完美實現，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點；二是采用系統設計理念；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，所以優點很突出：實現強大的復雜功能、優異的綜合性能，突破單一半導體工藝的性能極限；二是靈活性大、可靠性高、研發周期短；三是是3維集成所以可以實現小型化輕質化；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網都需要毫米波技術；二是毫米波系統往往包括數字電路、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和問題更為嚴峻和復雜。因為頻率高具有分布式參數，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展，從目前二維平面集成向三維立集成方向發展，從TOP-DOWN到BOTTOM-UP發展，這就是它的意義與價值，可以實現高性能的復雜系統。它的價值首先是電子系統集成技術發展的新途徑；其次是后摩爾時代集成電路發展新方向；最后也是我們國家半導體集成電路變道超車發展的新機遇。

 

 

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級的集成，各有優點和缺點。

 

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

 

小芯片也有很多進展，不管是互聯還是多種形式。右上角是英特爾在去年IEDM重要的半導體國際會議之一發布他們三維異質集成的產品，右下角是三星公司在同樣的會議上發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集成定律，指的是復雜電子系統中能夠集成的芯片數量、元器件數量也是每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集成的曲線，更加陡峭。根據芯片發展路線以前叫國際半導體發展藍圖相關的異質集成發展藍圖，而ITRS停止發布了。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，這也是重要的發展趨勢。這樣就帶來三大主要挑戰：多物理調控；多性能協同（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，功能也需要協同；三是由于不同的材料晶格、膨脹系數差異，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在關系，從而實現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，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。

 

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“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，把軟件完全商業化。