毛軍發院士：半導體異質集成電路的現狀與挑戰

迎九

編者按：在“2021世界半導體大會暨南京國際半導體博覽會”的“高峰論壇”上，中國科學院院士，上海交通大學黨委常委、副校長毛軍發做了《半導體異質集成電路》的報告，介紹了背景與意義，現狀與問題。

1 背景與意義

芯片現在有2條主要發展路線：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；技術手段挑戰；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，途徑之一是異質集成電路。

1.1 異質集成電路的特點

有2類主要的半導體材料：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。這兩類半導體各有優缺點，從材料到電路優點很突出，電路缺點也很突出（表1）。

現狀是一些復雜的電子系統，如毫米波收發前端系統，用任何單一的半導體工藝都較難完美實現（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有一種辦法把不同節點的半導體材料工藝結合起來。異質集成就具有這個功能。

半導體異質集成電路是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組成芯片（都含光電子器件或芯片）與無源元件（含MEMS）或天線，通過異質鍵合或外延生長等方式集成而實現的集成電路或系統。

異質集成特色很突出：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點；②采用系統設計理念；③應用先進技術，例如IP和小芯片（chiplet），以及集成無源器件等新技術；具有2.5維或3維高密度結構。

正因為這些特色，所以異質集成的優點很突出：①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；②靈活性大，可靠性高，研發周期短，成本低；③3維集成可以實現小型化、輕質化；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”的重要路線之一。

1.2 毫米波異質集成電路

在半導體異質集成電路中有種特殊的集成電路：毫米波異質集成電路。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集成電路發展的重點方向。

現在對異質集成電路需求迫切，主要有3個原因：①從5G、6G到航天導航、無人駕駛、智能裝備、物聯網等都需要毫米波技術；②毫米波系統包括數字電路、模擬電路、射頻微波電路，所以對于異質集成的需求更加迫切；③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，設計更加困難；波長短，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。

研究半導體異質集成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2維平面集成向3維立集成方向發展，從Top-Down（自頂向下）到Bottom-Up（自底向上）發展。

它的意義與價值是可以實現高性能的復雜系統。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；最后也是我國半導體集成電路變道超車發展的新機遇。

2 現狀與問題

2.1 國際上EDA、工藝、封裝的研究基礎和進展

國際上從EDA工具到工藝，到封裝有一些研究基礎和進展。

● 從工具來看，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兼容的。

● 從工藝來看，目前有4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，它是器件級的異質集成；另外3種包括異質外延轉移、小芯片微米級組裝、異質晶圓鍵合（是小系統級的集成），各有優缺點。

異質集成電路樣品研究發展也有很多進展。例如美國DRAPA的SMART項目中，研制出44 GHz的毫米波雷達系統，整個陣列厚度小于10 mm，功能密度相比傳統提高了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。例如英特爾和三星在2020年IEDM重要的半導體國際會議都發布了3維異質集成的產品。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，例如他們用最先進的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。

● 封裝技術的重心正在慢慢從后端封裝廠移到前端半導體代工廠。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，可見更加陡峭。

2.2 異質集成發展藍圖（HIR）帶來的挑戰

根據異質集成發展藍圖（HIR）[注：以前叫國際半導體發展藍圖（ITRS），現在已停止發布了]，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，這也是重要的發展趨勢。這樣就帶來三大主要挑戰：多物理調控（電磁、溫度、應力）；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、Cu等金屬、BCB材料……）。

這三大挑戰就會引起4個主要科技問題：①跨尺度電、熱、應力多物理場緊密耦合；②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；③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。④異質集成電路可測性原理。因為是3維高密度集成，探測點很少，耦合效應很嚴重，帶來了測試挑戰，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個問題，毛軍發院士等專家提出了總體研究思路：打破集成電路傳統“路”的思路，以耦合多物理場理論為基礎，場、路結合，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、材料等多學科交叉開展研究（如圖4）。

3 成果與展望

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，讓軟件完全商業化。

摩爾定律正面臨嚴峻挑戰，這也是一個轉折點，也是一個機遇。