专访中国工程院院士吴汉明:硅基技术在产业上的地位,未来几十年应该仍不可撼动

发布于:2021/9/3 9:15:53 | 3538 次阅读

    开栏的话: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,中国半导体行业协会联合《中国电子报》推出“后摩尔时代技术演进院士谈”系列报道,将采访相关领域院士,探讨后摩尔时代半导体产业的发展方向。
    几十年来,半导体产业一直遵循摩尔定律高速发展,半导体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的影响,摩尔定律正在逼近物理极限。在后摩尔时代,什么样的技术会起到关键性作用?我国又存在哪些技术壁垒亟待突破?中国工程院院士、浙江大学微纳电子学院院长吴汉明在接受记者专访时,分享了他的观点与思考。
    记者:当前,人们不太可能仅通过CMOS晶体管微缩推动半导体技术发展。随着后摩尔时代的到来,您认为延续摩尔定律的技术主要有哪些?
    吴汉明:摩尔定律是平面特征尺寸缩微发展技术的节奏,随着这个节奏趋于缓慢,呈现泛摩尔(More than Moore)技术路线的后摩尔时代就来临了。后摩尔时代具备以下五个特点:一是技术方向依然还在探索;二是不仅仅刻意追求特征线宽;三是应用范围宽,可上天可入地;四是市场碎片化,没有明显垄断;五是研发经费相对低廉。
    基于这五个特点,便产生了五个与之对应的泛摩尔机遇:一是宽广的技术创新空间;二是设备价格低,技术发展条件不苛刻;三是市场空间极大,投入收回的难度低;四是有利于创新型中小企业的成长,在科创板支持下容易在市场中生存下来;五是产品研发容易启动,对于研发团队的技术水平和科研经费方面的要求不高。这些机遇如果把握得好,就可以有效缩小与世界产业技术水平的差距。
    在与许居衍院士讨论过后,商讨出了后摩尔时代四个技术的主要发展方向:一是“硅-冯”范式。具体为二进制基础的MOSFET、CMOS(平面)和泛CMOS(立体栅FinFET、纳米线环栅NWFET、碳纳米管CNTFET等技术),这是目前产业主流技术的方向。二是类硅模式。现行架构下NC FET(负电容)、TFET(隧穿)、相变FET、SET(单电子)等电荷变换的非CMOS技术。这是延续摩尔定律的主要技术路线。三是类脑模式。3D封装模拟神经元特性、存算一体等计算,具有并行性、低功耗的特点,这将是人工智能的主要途径,有很好的产业前景。四是新兴范式。具体为状态变换(信息强相关电子态/自旋取向)、新器件技术(自旋器件/量子)和新兴架构(量子计算/神经形态计算)。这项技术属于基础研究范畴,规模产业化应用应该在至少十年之后。
    记者:随着后摩尔时代的到来,刻蚀工艺有哪些新的技术趋势?在半导体工艺技术演进中发挥了怎样的作用?
    吴汉明:等离子体刻蚀是整个工艺流程最具挑战性的技术之一。这是因为刻蚀工艺中涉及的问题是多学科交叉的领域,包括力学、物理、化学、数学、材料和系统控制等。
    目前的等离子体刻蚀技术朝两个大方向发展,首先是软刻蚀(Soft Etch),追求高选择率、各向同性刻蚀、低损伤等,主要针对逻辑器件;另一种是硬刻蚀(HardEtch),追求高深宽比的刻蚀能力和刻蚀形貌,主要针对存储器。原子层刻蚀(ALE)技术是软刻蚀有前景的技术选项之一,基本可以达到刻蚀工艺中的无损伤要求,但主要存在的问题是工艺产出率较慢,该技术目前正处于商业化的前期,值得关注。
    未来,等离子体刻蚀技术的发展趋势鉴于成本的因素,主要是减少关键尺寸(CD)和刻蚀率主导的薄膜厚度不均匀性。另外、硅基新材料的引进给刻蚀工艺技术带来了新的挑战,如应变硅材料、前段的高k 金属栅(HKMG)和后段的超低k介质刻蚀都需要基于系统研发工作,推进整体芯片工艺发展。其他后摩尔时代推出的新材料也正在不断地被应用到芯片制造中,相应的刻蚀工艺技术都需要同步或先行发展,例如III-V 族材料、磁性材料和存储功能刻蚀,都需要研究其相应的物理和化学特点,开发适合于产业化应用的刻蚀工艺技术。
    目前,产业期待能建立一个适用的工艺模型,来指导当下的工艺研发,这样就可以大大加速研发进程,并且降低研发费用,缩短研发周期。未来,随着人工智能技术的发展,等离子体刻蚀技术必将是刻蚀技术发展的核心。为此,必须开发可靠的等离子体刻蚀模型和先进的数据采集和处理技术。
    记 者:您曾在2021数博会上公开表示,让一个国家或者一个地区做一个光刻机是不现实的。光刻机的制作难度之大,可能是很多国家在很多年内都无法突破的,我国也同样受限于此,您觉得我国该如何摆脱这层枷锁?
    吴汉明:众所周知,光刻机只是芯片制造的众多必要基础条件之一。有了先进光刻机也不一定做出先进芯片。拥有先进光刻机的美国、欧洲和日本在先进芯片制造工艺上落后中国台湾地区和韩国,我们20年芯片制造工艺发展史都间接证明了这一点。
    目前全球最高端的EUV光刻机是由各国5000多家顶尖的零部件材料供应商支持,是全世界高精尖技术的结晶。其中荷兰本国的技术成分只有小部分,大部分技术来源于其他国家。我们可能不必沿着现有的技术路线去拼命追赶最高端的EUV光刻机。要用创新思维开展光刻机技术中的原始创新探索,用开放的容纳百川的心态从国内外物色招聘世界级的领军人物,努力发现新的原理性的技术,从而支持企业制造具有自己核心技术的国产光刻机。
    如果按照已有的技术路线以追随模式攻关,恐怕难以赶上世界领先国家的先进光刻技术。因此可以认为,短期内完全依靠一个国家和地区用闭门造车的方法做成可产业化应用的先进光刻机不现实,更不可能依靠一个国家和地区来支撑先进光刻机产业的可持续发展。
    因此我们必须要有清醒的头脑,在坚持自立自强的技术路线同时,要保持开放心态,积极设法与拥有全球化理念和先进技术的公司开展合作。走出去、请进来,推动国际企业本土化、本土企业国际化。充分发挥我们巨大的市场优势,积极开展双循环发展路线。遵循经济发展规律,将我们商业界的朋友发展起来,一定要有可以实施外循环的通道。那些违反经济发展规律,用意识形态划分的商业联盟的企图是注定要失败的。
    需要坚持企业为创新主体。制定各种优惠政策支持光刻机整机企业和芯片制造企业,在国家重大专项技术成果(193nm ArF光刻机)基础上,联合推动光刻机研发。力争在“十四五”期间,由整机企业牵头将国产光刻机的产能提升到满足我国建设新芯片制造生产线的部分需求。
    记者:石墨烯芯片这项技术的发展前景怎样?石墨烯技术对于推动集成电路的发展有何助力?
    吴汉明:石墨烯芯片的优异性能的确非常吸引人,未来应用前景可期。因为新材料的全新物理机制,可以实现全新的逻辑、存储及互联概念,推动了半导体产业的革新。然而现实很骨感,现有的主流硅基技术由于成本和完备的生态链,在产业上的地位在未来几十年应该是不可撼动的。也许在某些应用场景石墨烯芯片有较大的优势,但是大规模的石墨烯场效应晶体管替代硅基在短期内并没有机会。科学家们下一步需要继续研究其性能,包括研究哪些金属及制备工艺不会对石墨烯的导电性造成损害。
    制造芯片所需的高纯度的石墨烯获取难度很大,石墨烯晶圆的制造也十分困难,虽然已经做出了原型,证实了技术上的可行性,但是产业化应用还有很长的路要走。即便生产制造技术取得突破,在与主流硅基竞争时,成本问题仍是必须迈过的坎。还需建设相应的产业生态链,如设计工具和制造装备等,这将是一项极大规模的系统工程。
    记 者:对于我国半导体产业的创新发展,您还有哪些建议?
    吴汉明:目前我国集成电路产业发展面临的困难很多。因为产业链特别长,想在每个环节上都做到面面俱到非常难。面对当前错综复杂的国际形势,我们要有自己的发展定力,全力练就自身内功。坚持内循环为主的双循环发展思路。保持开放心态,支持全球化发展。
    在芯片制造领域有以下四个方面的建议:一是充分利用国家重大专项取得的成果,继续支持先进工艺研发工作的同时,大力支持特色工艺和相关的产业链的各环节发展。后摩尔时代的产业技术发展趋缓,市场和技术创新空间大,也是我们作为追赶者的机会。
    二是坚持产业引领技术路线。我国集成电路技术研发起点不晚(1958年自制硅单晶,1965年研发IC芯片,2014年出台了《国家集成电路产业发展推进纲要》,经历了7年多的发展,我国进口半导体总值占全球半导体市场的比例从64.8%增加至82.2%),但投入的资金太散太少,龙头企业发展过缓,产业领军人才奇缺,远跟不上全球产业发展的步伐。我们的科技创新一定要有产业引领才有机会。
    三是保持战略定力,坚持自立自强对外开放的发展道路。以开放心态与全球企业合作。虽然全球化途径不畅,我们依然需要努力推动本土企业国际化、外企本土化进程。其中世界IP龙头企业ARM公司和其他一些国际大公司的本土化也许是值得研究和参考的例子。
    四是建立具有成套工艺能力的设计、制造一体化,科教产教融合的公共技术平台。成套工艺是芯片产业技术水平的唯一标志。在具备成套工艺基础上,这个平台需要具备以下四大功能:一是孵化创新型中小设计企业,缩短研发周期;二是为装备和材料企业等提供成套工艺验证流片;三是构建科教产教融合的产业新人才培养模式,提供产教融合实习场景;四是成套工艺支持企业研发、生产芯片制造的共性技术(例如产品良率提升、芯片生产优化调度、虚拟生产线建设等)。平台建设须保持开放心态,与全球企业开展交流。针对性地培养具有前瞻性,能够引领未来发展的复合型、工程型人才和科技创新领军人才。
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