肖貞林
紀志罡
不知從何時起,信息技術已滲透進人們生產與生活的每個角落。醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸、武器裝備、航空航天、星際飛行……各行各業(yè)都離不開信息技術的支撐。時至今日,“信息化時代”已成為21世紀一大重要標簽,但信息社會的基石又來源于哪里?
“我們的電子產品,不管是電腦、手機,還是各種可穿戴設備,所有的功能實際上都承載在一個小小的芯片上,而這個芯片就是通過精心設計一個個微納尺度的電子器件的位置擺放和連接而成的,這也就是我們通常所說的集成電路產業(yè)?!鄙虾=煌ù髮W微納電子學系教授紀志罡如是說。
今天,集成電路已經在各行各業(yè)中發(fā)揮著至關重要的作用,是現代信息社會的基石?!斑@也是為何我會選擇在這個領域開展研究的原因,因為離產業(yè)非常近,我希望能用自己的專業(yè)為國家做一些力所能及的事情?!奔o志罡說道。
大眾對于現代信息社會的基石——集成電路,有些熟悉又陌生的矛盾感。尤其近幾年,隨著國際貿易戰(zhàn)、科技戰(zhàn)的全面升級,一些國家試圖用芯片、操作系統(tǒng)等技術限制中國信息技術的發(fā)展,一次又一次的封鎖事件讓“芯片”“集成電路”等詞上了熱搜榜,成為人們耳熟能詳的“卡脖子”技術。然而,雖然時常聽到這幾個詞,但其具體含義卻鮮為人知。相比新中國成立以來成功研制的“兩彈一星”、高鐵、“北斗”衛(wèi)星導航系統(tǒng)等一系列大制作、大成果,人們對這樣一枚小小的芯片為何難倒這么多人充滿了疑惑。
集成電路產業(yè)的核心目標就是制作出支撐信息社會的各種芯片。每一個芯片里面的核心則是比頭發(fā)絲還小幾千倍的微型電子器件。集成電路制造廠商需要開發(fā)先進的工藝制造出一個個這樣的電子器件并按照電路設計師的要求把它們連接在一起,最終制作在一小塊或幾小塊半導體晶片或介質基片上,然后封裝在一個管殼內,成為具有所需電路功能的微型結構。“我們現在看到的電子產品越來越多,功能也越來越多,比如手表還有其他可穿戴設備,我們希望它們不僅能有更多的功能,與此同時功耗又非常低,盡量可以滿足大家長時間使用的需求,這些要求最終都要在芯片上實現,也就是說我們怎么樣才能把這么多功能承載在一個小小的芯片上,實際上最終還是落在一個個微納電子器件上,怎么才能做出可靠、質量高、良率高的微納電子器件?這其實就是我們研究的核心方向之一?!奔o志罡介紹。
這樣的微納電子器件制作到底難在哪兒?其實,從集成電路誕生的歷程就能窺見一斑。1946年,世界上第一臺電子計算機在美國誕生:這是一個占地150平方米、重達30噸的龐然大物,里面的電路使用了近18000只電子管、6000個開關、7000只電阻、10000只電容以及50萬條線,耗電量高達140千瓦。雖然這臺計算機的問世,標志著電腦時代的開始,但由于使用的電子管體積很大,耗電量大,易發(fā)熱,因而工作的時間不能太長。顯然,這樣的龐然大物無法滿足人們的日常要求,能否減小它的體積?晶體管的發(fā)明使這種想法成為了可能,在此之前要實現電流放大功能只能依靠體積大、耗電量大、結構脆弱的電子管。而晶體管具有電子管的主要功能,并且克服了電子管的上述缺點,因此在晶體管發(fā)明后,很快就出現了基于半導體的集成電路的構想。1958年,世界上第一塊集成電路問世,它的發(fā)明人之一杰克·基爾比(Jack Kilby)還因此獲得了2000年的諾貝爾物理學獎。
此后,集成電路進入了快速發(fā)展階段。1964年,Intel摩爾提出摩爾定律,預測晶體管集成度將會每18個月增加1倍;1966年,美國貝爾實驗室使用比較完善的硅外延平面工藝制造成第一塊公認的大規(guī)模集成電路;1978年,64kb動態(tài)隨機存儲器誕生,不足0.5平方厘米的硅片上集成了14萬個晶體管,標志著超大規(guī)模集成電路(VLSI)時代的來臨……集成電路開始向體積越來越小、功能越來越多的方向不斷發(fā)展。
“實際上跟人們打交道的并不是器件本身,而是一個電路,甚至于一個系統(tǒng),就像蓋房子一樣。不過,一塊磚頭如果有裂縫并不影響整個房子的建筑,但電子器件不是這樣,它每一個部分的要求都非常高?!奔o志罡說。
從龐然大物到毫米、微米甚至納米級的改變,其背后的艱辛可想而知。半個多世紀以來,集成電路發(fā)展史上每一次歷史性跨越無不依賴于背后設計、制作工藝的整體水平升級。2003年,Intel正式推出奔騰4E系列,它采用90nm工藝,標志著芯片工藝正式進入納米時代。
“這是一個里程碑式事件,此前集成電路芯片工藝一直停留在微米級別,消息出來后國內也深受震撼,我們當時也在跟國內芯片制造領域的一家先進企業(yè)合作,希望能做出納米級的芯片,但太難了,就是做不出來。”紀志罡感嘆。
紀志罡初次拜訪上海交通大學微米納米加工技術國家級重點實驗室
如果不限制大小空間,要實現多少功能都很容易,但如果想在幾十納米、幾納米器件上實現這么多功能簡直難如登天。在芯片工藝進入納米時代的那一年,紀志罡剛剛考上北京大學微電子學與固體電子學碩士專業(yè),在導師的帶領下與國內芯片公司合作不斷向納米級芯片發(fā)起挑戰(zhàn),但遺憾的是最終未能成功?!捌渲泻苤匾囊粋€問題就是良率不過關,還有可靠性問題。這也促使我在讀博士的時候選擇了可靠性作為研究方向?!奔o志罡說道。
2006年,在英國利物浦約翰摩爾斯大學納米電子學攻讀博士的紀志罡開始將可靠性作為重點研究方向。在晶體管長期可靠性/可漲落性建模方面,作為該領域最早認識到測量速度重要性的幾位研究人員之一,2007年讀博期間,紀志罡就開發(fā)了自制的測試設備,實現微秒級的測量速度。在此基礎上,他首次通過實驗確定了快速氧化陷阱的存在,推翻了當時普遍公認的理論假設?;诖?,他通過實驗導出其恢復的物理過程,提取帶隙內外的缺陷能量分布,實驗分離生長和生成的缺陷,從而開發(fā)出新的As-grown-Generation(A-G)模型,并已經成功應用于多種可靠性領域,實現精準的長期可靠性評估。不僅如此,該研究工作也獲得了2017年度英國國家牛頓獎提名,以表彰其對英國國家經濟和電子器件研究所作的貢獻。
“雖然我選擇了可靠性作為研究方向,但之前總覺得在集成電路領域一般比較大的影響都來自于企業(yè)或者很大的研究機構,前半個多世紀的發(fā)展歷史也是這樣,但是這個獎項的入圍讓我意識到只要在一個方向上不斷突破,衍生出來的可能性可能遠比我們想象得要多。”紀志罡說。
2006年,在紀志罡將可靠性作為未來發(fā)展方向之時,很多人對此其實并不太理解,總是會問為什么要做可靠性?這有什么意義?把芯片功能做出來不就可以了?
“當時國內對可靠性的認識的確不足,實際上國內現在才開始往這個方向去做,而歐洲2006年就已經開始以可靠性為中心來做設計和制造了?!奔o志罡說道,“從集成電路的角度來講,可靠性是一個非常核心的方向。以前對于不是特別小的器件,可靠性問題還不是很凸顯,但現在隨著器件越來越小,想把它做好的代價也越來越大了,甚至于不是任何一家公司或者幾家公司能夠承受的情況?!?/p>
據了解,一塊7nm芯片大概需要4000道工藝流程,一個7nm工藝的芯片制造工廠,它的建設成本大概是100億到200億美元,這幾乎相當于航空母艦戰(zhàn)斗群的制造價格。巨大的成本無疑代表著一旦制造工藝失敗隨之而來的就是無法想象的代價。在這樣的情況下,行業(yè)開始提出如何能用不可靠的器件來建立一個可靠的電路或者可靠的系統(tǒng)。
“這就需要我們對電子器件有一個深刻的物理認知,然后從中得到一個可靠性的模型,利用數學方法把這些模型進行合理簡化、計算,最終做出一個電路的時候我們不僅知道這個電路的功能是什么,還能選擇性地去看,如果某些器件出現問題,這個電路是否還能正常工作。有了這樣的系統(tǒng),人們就能考慮如何設計新的架構、新的算法來彌補器件上的不足。換句話說,我們的工作相當于在設計和制造中間加了一個紐帶把它們聯(lián)系起來?!奔o志罡介紹,可靠性研究涉及的范圍其實很廣,比如現在做微納電子器件的技術路線有很多,做出來的種類也是五花八門,但如何評估出最合適的電子器件以及如何把這樣的電子器件做好,就涉及可靠性的表征技術方面。
半導體器件表征技術對于器件制造技術流程開發(fā)及其材料選擇至關重要,是確保電子器件生產的關鍵環(huán)節(jié)。國際生產廠商(如:Intel)和頂級研發(fā)機構(如:微電子研究中心,簡稱IMEC)均有專門的部門來進行針對性的技術設計以及部署。而由于關鍵工藝和集成技術的限制,中國在此領域的研究總體還比較落后。
基于多年研究經驗,紀志罡在微納器件核心表征技術開發(fā)方面取得多個重要突破,開發(fā)出多種適合于納米尺度先進工藝下的器件表征技術,如微納器件溝道遷移率提取技術。該技術為第一個基于超快測量平臺的測量技術,實現小尺度及高漏電的器件中的真實遷移率提取,確保工藝技術人員理解未成熟工藝器件的可靠性根源,并提出解決方案。該技術得到吉時利儀器公司(Keithley)的認可和現金資助。在其支持下,該技術已被包含在其商業(yè)產品Keithley 4200半導體設備的功能庫中,并在Test Patterns雜志上報道。根據該公司提供的統(tǒng)計數據,該應用已在79家機構使用。
還有快速晶圓級可靠性監(jiān)控技術(fWLR)。fWLR可縮短電子器件可靠性評估時間,實現快速周轉,因此在亞10納米器件開發(fā)中至關重要。紀志罡和北京大學共同開發(fā)的VSS技術將傳統(tǒng)可靠性評估周期從幾天縮短到不到兩小時。基于該技術,他進一步開發(fā)出的dVSS技術,將其適用性又進一步擴展到器件性能漲落性的評估。
團隊合影
與此同時,在高可靠性的微納器件工藝優(yōu)化方面,紀志罡同樣取得了諸多創(chuàng)新成果。CMOS技術的成功推動了MOSFET特征尺寸的不斷縮小,這不可避免地接近了基本極限,需要使用新穎的材料和新的器件結構。盡管已經制造和報告了許多創(chuàng)紀錄的器件,但它們的可靠性存在嚴重問題。對此,紀志罡進行了系列研究。在鍺基器件可靠性優(yōu)化方面,他首次通過實驗方式識別并提取出兩種類型的邊界陷阱及其能量分布,并通過物理仿真,標定出其物理來源,實現工藝優(yōu)化,最終和IMEC的同事一同將其最大工作電壓提高了1.7倍,并在當年頂級會議VLSI-T上宣讀。此外,該工作也被邀請在IMEC內部介紹給其工業(yè)合作伙伴。在新材料器件ESD可靠性工藝優(yōu)化方面,他還首次設計出fTLP技術跟蹤缺陷位置,利用該技術,第一次揭示了新材料和結構中的ESD的物理起源和缺陷機制,為新材料器件的ESD響應提供了清晰的物理模型,并基于該理論,成功為新型InGaAs器件選擇合適襯底材料和生長條件完成優(yōu)化。這項工作在IEEE國際可靠性物理研討會中受到好評,并受邀在由靜電放電協(xié)會(EDA)舉辦的國際靜電放電研討會(IEW)上進行講演。
到目前為止,在可靠性相關研究方面,紀志罡已發(fā)表和指導SCI論文超過100篇。在五年一次的英國研究評級中,他代表電子工程系準備并提交其研究成果影響案例,并被英國國家評審委員會評價“相當大的影響”。
紀志罡介紹,在歐洲進行可靠性研究的這些年,給他留下了極為深刻的印象。在他看來,除了學術研究上的創(chuàng)新之外,產學研合作也是至關重要的一點。
“我們跟很多單位一起合作,包括IMEC這樣的頂級研發(fā)機構,還有大學、企業(yè)等,每個單位都有自己擅長的地方以及看待問題的角度,通過這些閉環(huán)我們能很快找到哪些是正確的結論、哪些是錯誤的結論,并且非常有效地將整個項目組織起來。同時在這個過程中不斷有新的合作者加入。比如我們有一些同學畢業(yè)后去了馬來西亞,又把這個項目延伸到了馬來西亞,之后與馬來西亞的工業(yè)界合作,幫助他們盡快篩選電子器件的可靠性,同時也讓我們的工作跟產業(yè)迅速結合起來擴大影響力,進而形成良性循環(huán)。”紀志罡說道。
2019年年底,正值國內集成電路領域發(fā)展最需核心專業(yè)人才之時,在英國利物浦約翰摩爾斯大學電子工程系研究工作十余年的紀志罡,加入了上海交通大學微納電子系工作,正式成為歸國潮一員。如紀志罡所言,能用自己所學的專業(yè)為國家做一些力所能及的事情,也是他最初的科研目標。
“以前國內對集成電路可能沒有太多的關注,但未來肯定不會了。從總體趨勢來看,這幾年國內外差距也在不斷縮小。但是集成電路有一個很大的問題就在于它是一個交叉學科,需要各個不同領域的人參與進來,而且不僅是集成電路一個產業(yè),還涉及數學、物理、化學等各個學科,需要不同的老師、工程師們緊密合作才能解決‘卡脖子’問題?!奔o志罡說道。
不過,在紀志罡看來,中國在這方面其實有很大的優(yōu)勢。一是近幾年的歸國潮在各個領域都集聚起了一大批優(yōu)秀人才,這些人才在各自的方向都取得了杰出成果,而且合作意識都很強;二是嚴峻的國際形勢某種意義上也是一大助推器,能幫助國家盡快地調整思路,集中精力攻克難關?!皬臍v史上看,你會發(fā)現中國其實越是困難時期最后爆發(fā)出來的力量越強,而且一旦爆發(fā)出來之后總體實力都會上一個臺階。我覺得我們最大的一個特點就是危機的時候特別團結,不管遇到什么樣的難關,最終一定能夠以某種方式解決問題,甚至會以我們想不到的方式發(fā)生。包括2020年新冠肺炎疫情發(fā)生,一說封城大家?guī)讉€月足不出戶,這在任何一個國家都是很難做到的?!奔o志罡感嘆。
從集成電路領域來看,國內近兩年也開始出現一些擁有自主知識產權的企業(yè)?!拔覀內鄙俚牟皇羌夹g,其實是一個生態(tài)?!痹诩o志罡看來,一個東西到底好不好,需要在一個生態(tài)中去磨煉,最終磨成大家都能接受的樣子,而此前國內芯片沒有發(fā)展起來其實就是缺少這樣可供磨煉的生態(tài)。
“如果人們手中已經擁有好用的電腦了,肯定不會扔掉電腦去用非常落后的計算器,現在國外對我們實行的一些封鎖禁令在一定意義上其實創(chuàng)造了一個非常好的生態(tài)環(huán)境,在這樣的環(huán)境下我相信我們的產業(yè)會發(fā)展得很快?!倍?,在他看來,對于如今已經進入10nm、7nm的芯片時代而言,尺寸大小已不是改善性能的唯一目標?!澳呐缕骷]有做到那般小,但性能達到要求的話也是可以的,現在很多性能已經證明不完全依賴于更小尺寸來實現了?!奔o志罡說道。
近幾年,紀志罡也在不斷嘗試新的思路來提高集成電路的性能。在萬物聯(lián)網(IoT)時代,數十億設備將被連接。這種日益緊密聯(lián)系的社會需要高度安全的方式來保護數據、基礎設施和公民,否則后果可能是災難性的。實施加密安全性很復雜,最困難的挑戰(zhàn)之一就是創(chuàng)建隨機數源,這是大多數安全系統(tǒng)的核心。在此形勢下,紀志罡領導并開發(fā)了新一代的真隨機數發(fā)生器。與通過模擬電路收集隨機性的現有產品不同,其實現了精準缺陷注入技術,使得晶體管產生清晰二進制特性,從而通過簡單的全數字電路設計獲得隨機性,同時自然地實現安全性,并且確保了低功耗、可靠性、芯片面積以及低成本,該項目受邀在2018年度國際頂級會議VLSI-T參加現場展示。
技術的發(fā)展依賴于生態(tài),而今天時地利人和,中國的集成電路領域正在飛速發(fā)展中。加入上海交通大學不到一年,團隊與平臺的發(fā)展速度就已超出紀志罡預料。“沒想到學校給予了我們這么大支持,我也希望能盡快打造出我們自己的可靠性表征和分析平臺,把專業(yè)擴散到企業(yè)中去。因為目前來看,已經發(fā)現有一些我們解決了或者相對比較容易解決的問題,實際上卻是很多企業(yè)‘卡脖子’的地方,我也希望能帶領團隊幫助企業(yè)盡快攻克難關?!奔o志罡說道。