作為高科技產(chǎn)業(yè)的核心，芯片產(chǎn)業(yè)已成為世界各國綜合國力競爭的重要砝碼。芯片目前主要被美國壟斷市場，占據(jù)全球50％的份額。
國內(nèi)芯片業(yè)雖持續(xù)蓬勃發(fā)展，但在高端芯片制造領(lǐng)域仍處于劣勢(shì)位置。國內(nèi)芯片產(chǎn)業(yè)高度依賴外部市場，在技術(shù)受限的情況下，被美國“卡脖子”的困境更為凸顯。
國內(nèi)芯片常遭“卡脖子”的技術(shù)主要涉及三方面，一是制程工藝；二是裝備／材料；三是設(shè)計(jì)IP核／EDA工具。我國科研人員一直在不斷努力解決芯片從設(shè)計(jì)到制造的卡脖子問題，近期，科研團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破。
國內(nèi)EDA軟件實(shí)現(xiàn)新突破
眾所周知，EDA處于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)倒金字塔型格局中的塔尖，以100億美元每年的行業(yè)規(guī)模支撐著將近6000億美元規(guī)模的集成電路產(chǎn)業(yè)，可以說對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的限制有著“牽一發(fā)動(dòng)全身”的效應(yīng)。
然而就是這顆半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)皇冠上的明珠，70％以上的市場份額都被國外企業(yè)壟斷，Synopsys、Cadence、Siemens EDA三足鼎立，且這三家公司都與美國資本有著千絲萬縷的聯(lián)系。
近日，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院劉世元教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出我國首款完全自主可控的OPC軟件，并已在相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。
光刻是芯片制造中最為關(guān)鍵的一種工藝，就是通過光刻成像系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)好的圖形轉(zhuǎn)移到硅片上。隨著芯片尺寸不斷縮小，硅片上的曝光圖形會(huì)產(chǎn)生畸變。在90nm甚至180nm以下芯片的光刻制造前，都必須采用一類名為OPC（光學(xué)臨近校正）的算法軟件進(jìn)行優(yōu)化。
據(jù)劉世元介紹，“沒有OPC，即使用了光刻機(jī)，也造不出芯片?！監(jiān)PC軟件即“光學(xué)鄰近校正軟件”，是芯片設(shè)計(jì)工具EDA的一種。沒有OPC，所有IC制造廠商將失去將芯片設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為芯片產(chǎn)品的能力。
目前，全球OPC工具軟件市場完全由Synopsys、Mentor、ASML－Brion等三家美國公司占領(lǐng)。如今，隨著華中大科研團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)全國首款OPC軟件，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，未來也將助力我國芯片制造業(yè)發(fā)展。
晶體管密度翻倍
眾所周知，晶圓上的晶體管越多，芯片性能越強(qiáng)。每一代工藝的進(jìn)步，其實(shí)最終都是為了在有限的芯片面積中，塞進(jìn)更多的晶體管。
芯片工藝進(jìn)入3nm后，要再微縮晶體管之間的距離就越來越難了，距離越近就會(huì)出現(xiàn)短溝道效率，導(dǎo)致性能不穩(wěn)定，漏電，功耗大，發(fā)熱大等問題。
針對(duì)這一關(guān)鍵難題，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院的周鵬教授，包文中研究員及信息科學(xué)與工程學(xué)院的萬景研究員，創(chuàng)新地提出了硅基二維異質(zhì)集成疊層晶體管技術(shù)。這種新技術(shù)，可以在芯片工藝不變的情況下，讓器件集成密度翻倍。
筆者了解到，復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將新型二維原子晶體引入傳統(tǒng)的硅基芯片制造流程，實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)異質(zhì)CFET技術(shù)。相比于硅材料，二維原子晶體的原子層精度使其在小尺寸器件中具有優(yōu)越的短溝道控制能力。
該技術(shù)利用成熟的后端工藝將新型二維材料集成在硅基芯片上，并利用兩者高度匹配的物理特性，成功實(shí)現(xiàn)4英寸大規(guī)模三維異質(zhì)集成互補(bǔ)場效應(yīng)晶體管。在相同的工藝節(jié)點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)了器件集成密度翻倍，并獲得了卓越的電學(xué)性能。
據(jù)悉，研究人員利用硅基集成電路的標(biāo)準(zhǔn)后端工藝，將二硫化鉬（MoS?）三維堆疊在傳統(tǒng)的硅基芯片上，形成p型硅－n型二硫化鉬的異質(zhì)CFET結(jié)構(gòu)。二硫化鉬的低溫工藝與當(dāng)前硅基集成電路的后端工藝流程高度兼容，大幅降低了工藝難度且避免了器件的退化。同時(shí)，兩種材料的載流子遷移率接近，器件性能完美匹配，使異質(zhì)CFET的性能優(yōu)于傳統(tǒng)硅基及其他材料。
目前，基于工業(yè)化產(chǎn)線的更大尺寸晶圓級(jí)異質(zhì)CFET技術(shù)正在研發(fā)中。如果該技術(shù)應(yīng)用起來，那么中國芯又多了一條突圍的路徑了。
寫在最后
國產(chǎn)芯片實(shí)現(xiàn)重大突破是所有人翹首以盼的，其中的艱難也是可以預(yù)見的。“卡脖子”技術(shù)大都具有投入高、耗時(shí)長、難度大的特點(diǎn)，僅靠單方面的力量很難短時(shí)間見效，必須調(diào)動(dòng)全社會(huì)的力量來共同參與。
相信隨著國內(nèi)擴(kuò)大產(chǎn)能，加大投入，人才日益完備，實(shí)現(xiàn)芯片產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的自主可控，形成新的替代技術(shù)軌道，將指日可待。
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