毛軍發(fā)院士：半導體異質(zhì)集成電路的現狀與挑戰

1   背景與意義

芯片現在有2 條主要發(fā)展路線(xiàn)：①延續摩爾定律；②繞道摩爾定律。摩爾定律現在面臨一些挑戰，物理極限挑戰；技術(shù)手段挑戰；經(jīng)濟成本挑戰——光算經(jīng)濟賬都不得了。繞道摩爾定律有很多途徑，途徑之一是異質(zhì)集成電路。

1.1 異質(zhì)集成電路的特點(diǎn)

有2 類(lèi)主要的半導體材料：①以硅為代表的元素半導體；②以砷化鎵等為代表的化合物半導體。這兩類(lèi)半導體各有優(yōu)缺點(diǎn)，從材料到電路優(yōu)點(diǎn)很突出，電路缺點(diǎn)也很突出（表1）。

現狀是一些復雜的電子系統，如毫米波收發(fā)前端系統，用任何單一的半導體工藝都較難完美實(shí)現（圖2），有些部件用SiGe 芯片，有些部件更適合用GaN 芯片，所以人們自然而然地想到有沒(méi)有一種辦法把不同節點(diǎn)的半導體材料工藝結合起來(lái)。異質(zhì)集成就具有這個(gè)功能。

半導體異質(zhì)集成電路是將不同工藝節點(diǎn)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組成芯片（都含光電子器件或芯片）與無(wú)源元件（含MEMS）或天線(xiàn)，通過(guò)異質(zhì)鍵合或外延生長(cháng)等方式集成而實(shí)現的集成電路或系統。

圖1 中國科學(xué)院院士，上海交通大學(xué)黨委常委、副校長(cháng)毛軍發(fā)

異質(zhì)集成特色很突出：①可以融合不同的半導體材料、工藝、結構和元器件或芯片的優(yōu)點(diǎn)；②采用系統設計理念；③應用先進(jìn)技術(shù)，例如IP 和小芯片（chiplet），以及集成無(wú)源器件等新技術(shù)；具有2.5 維或3 維高密度結構。正因為這些特色，所以異質(zhì)集成的優(yōu)點(diǎn)很突出：①實(shí)現強大的復雜功能、優(yōu)異的綜合性能，突破單一半導體工藝的性能極限；②靈活性大，可靠性高，研發(fā)周期短，成本低；③ 3 維集成可以實(shí)現小型化、輕質(zhì)化；④對半導體設備要求相對比較低，不受EUV 光刻機限制，因此是“超越摩爾定律”的重要路線(xiàn)之一。

1.2 毫米波異質(zhì)集成電路

在半導體異質(zhì)集成電路中有種特殊的集成電路：毫米波異質(zhì)集成電路。毫米波是從（30 ～ 300）GHz 的波段，帶寬很寬，而且器件小型化，所以也是國際上半導體異質(zhì)集成電路發(fā)展的重點(diǎn)方向。

現在對異質(zhì)集成電路需求迫切，主要有3 個(gè)原因：①從5G、6G 到航天導航、無(wú)人駕駛、智能裝備、物聯(lián)網(wǎng)等都需要毫米波技術(shù)；②毫米波系統包括數字電路、模擬電路、射頻微波電路，所以對于異質(zhì)集成的需求更加迫切；③毫米波異質(zhì)所面臨的挑戰和問(wèn)題更為嚴峻和復雜：因為頻率高，具有分布式參數，從“路”向場(chǎng)演變，設計更加困難；波長(cháng)短，模塊之間的間距只有微米量級，集成度高，對工藝要求更加精細；有電磁寄生效應，耦合緊密，測試更加復雜。

研究半導體異質(zhì)集成的科學(xué)意義也是很顯著(zhù)的?？梢酝ㄟ^(guò)集成電路從目前單一同質(zhì)工藝向多種異質(zhì)工藝集成方向發(fā)展，從目前2 維平面集成向3 維立集成方向發(fā)展，從Top-Down（自頂向下）到Bottom-Up（自底向上）發(fā)展。

它的意義與價(jià)值是可以實(shí)現高性能的復雜系統。首先是電子系統集成技術(shù)發(fā)展的新途徑；其次是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展新方向；最后也是我國半導體集成電路變道超車(chē)發(fā)展的新機遇。

2   現狀與問(wèn)題

2.1 國際上EDA、工藝、封裝的研究基礎和進(jìn)展國際上從EDA 工具到工藝，到封裝有一些研究基礎和進(jìn)展。

●   從工具來(lái)看，NAGS 開(kāi)發(fā)了當前異質(zhì)集成最先進(jìn)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)界的標準工藝兼容的。

●   從工藝來(lái)看，目前有4 種主流的半導體異質(zhì)集成工藝。最先進(jìn)也是難度最大的是異質(zhì)外延生長(cháng)工藝，它是器件級的異質(zhì)集成；另外3 種包括異質(zhì)外延轉移、小芯片微米級組裝、異質(zhì)晶圓鍵合（是小系統級的集成），各有優(yōu)缺點(diǎn)。

異質(zhì)集成電路樣品研究發(fā)展也有很多進(jìn)展。例如美國DRAPA 的SMART 項目中，研制出44 GHz 的毫米波雷達系統，整個(gè)陣列厚度小于10 mm，功能密度相比傳統提高了2 個(gè)數量級。

小芯片也有很多進(jìn)展，不管是互聯(lián)還是多種形式。例如英特爾和三星在2020 年IEDM 重要的半導體國際會(huì )議都發(fā)布了3 維異質(zhì)集成的產(chǎn)品。臺積電是以代工著(zhù)稱(chēng)，但是近幾年高度重視芯片的封裝集成的技術(shù)，而且起點(diǎn)非常高，例如他們用最先進(jìn)的3D Fabric 制作出3 維堆疊的芯片——SoIC，達到12 層，還有臺積電用于智能手機的3D System。

●   封裝技術(shù)的重心正在慢慢從后端封裝廠(chǎng)移到前端半導體代工廠(chǎng)。芯片有一個(gè)摩爾定律，封裝集成有一個(gè)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(gè)月或2 年翻一番，功能提高1 倍，成本下降一半。圖3 是系統集成定律的曲線(xiàn)，可見(jiàn)更加陡峭。

圖3 集成電路摩爾定律與系統集成定律

2.2 異質(zhì)集成發(fā)展藍圖（HIR）帶來(lái)的挑戰

根據異質(zhì)集成發(fā)展藍圖（HIR）[ 注：以前叫國際半導體發(fā)展藍圖（ITRS），現在已停止發(fā)布了]，總體趨勢也是集成度和工作速度不斷提高，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(lái)三大主要挑戰：多物理調控（電磁、溫度、應力）；多性能協(xié)同（信號/ 電源完整性、熱、力……）；多材質(zhì)融合（半導體硅、化合物半導體、Cu 等金屬、BCB材料……）。

這三大挑戰就會(huì )引起4 個(gè)主要科技問(wèn)題：①跨尺度電、熱、應力多物理場(chǎng)緊密耦合；②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；③由于不同的材料晶格、膨脹系數差異，需建立異質(zhì)界面動(dòng)力學(xué)，認識擴散、成核、粘合機理，通過(guò)界面調控融合實(shí)現高可靠異質(zhì)集成。異質(zhì)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(guān)系，從而實(shí)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(gè)飛躍。④異質(zhì)集成電路可測性原理。因為是3 維高密度集成，探測點(diǎn)很少，耦合效應很?chē)乐?，帶?lái)了測試挑戰，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認知。

針對這4 個(gè)問(wèn)題，毛軍發(fā)院士等專(zhuān)家提出了總體研究思路：打破集成電路傳統“路”的思路，以耦合多物理場(chǎng)理論為基礎，場(chǎng)、路結合，進(jìn)行多學(xué)科交叉，包括電子科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué)，特別是人工智能對電路的設計，需要力學(xué)、化學(xué)、材料等多學(xué)科交叉開(kāi)展研究（如圖4）。

圖4 總體研究思路

3   成果與展望

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

摩爾定律正面臨嚴峻挑戰，這也是一個(gè)轉折點(diǎn)，也是一個(gè)機遇。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年8月期）