微米和纳米科技材料

摸索比14纳米节点更小的芯片工艺技术—中国芯片开发的“先行官”

要想在集成电路领域超越世界先进水平,就像体操全能,仅一两个参数超越不能算超越,只有几百个参数拿出来,都是世界先进水平,这才是超越。

电脑、电视、手机……生活中这些常用电器体积越来越小,功能却越来越多,拆开电器设备,一个个小小的芯片替代了大大的电路板,用一台上百倍的光学显微镜能隐约看到芯片内部错综复杂的电路,仍能找到以前电路板的痕迹。中芯国际作为国内集成电路龙头企业,芯片产品线上应用28纳米工艺技术,而39岁的卜伟海已成长为先导技术研究团队的负责人,正在摸索比14纳米节点更小的芯片工艺技术。

摸索比14纳米节点更小的芯片工艺技术—中国芯片开发的“先行官”

博士研修 发明两个新型器件

“微电子,听这名字就能感觉高端”卜伟海考入北京大学选择微电子专业只是凭感觉,微电子学领域领军人物、北大教授王阳元院士一次关于微电子学的讲座让他热血沸腾,立志为国家产业发展做出贡献。

2005年,在卜伟海毕业答辩时,将研究3年设计出的两个新结构器件,可达到降低应用功耗效果作了全面的汇报。他的导师——也是中芯国际企业创建者之一的王阳元院士提出期望,检验研究成果的应用价值,是要看能否应用到产业上,实现产品质量提升。

什么新结构器件让学术界泰斗如此感兴趣呢?当时集成电路企业普遍应用90纳米工艺技术,而卜伟海在博士研修期间参与了大学承担的973项目,解决50纳米以下技术节点面临的问题,为此,他带领学弟学妹在学校实验平台开展了3年的研究。

“一个开关器件容易漏电,白白浪费大量能源”卜伟海说,开关两端中间有漏电通道,开关下方是另一个漏电通道,他通过两种途径对传统器件进行改进。没有合适设备就到各大高校寻找资源,通过离子注入多种物质制造隔断层,千百次调整注入物质的配比及剂量,不同程度调整注入和退火工艺,最终设计出两个新结构器件,开关漏电量大大降低,同时性能在一定程度上得到了提高。

先导研究 进入企业探索产品研发道路

一般来说,每一个先进技术节点的产品工艺研发都是以先导研究成果为基础的。北京学者吴汉明博士创立的中芯国际先导研究部门聚集了大批行业高技术人才,在研发部门突破一个又一个技术节点时,他们正在研究下一个技术节点的可行性方案。卜伟海在导师及同学的影响下,2011年进入中芯国际,被吴博士派到先导研究这一重要部门。

2012年,28纳米工艺技术取得进展,将要在产线上大规模推进,此时以卜伟海为骨干成员的团队接到一个任务,在千人计划专家俞少峰博士的指导下开展20纳米工艺技术的可行性研究。看文献、看专利、读学术论文、研究产线生产潜力……,将下一代工艺技术研究与产线情况结合,搭建原始的框架,把工艺流程建起来,一些性能指标、工艺参数定下来,把指导性的方案做出来。20纳米研究方案交接给量产研发部门后又进行了14纳米工艺技术先导研究。

说起来容易做起来难,其中涉及大量的理论推断、技术研究。降低功耗仍然是研究主题,体硅衬底材料器件容易出现漏电,卜伟海所在团队经过研究实验,将衬底内导电物质掏空,再放一些绝缘物质进去,取得明显降耗成果,形成的改进方案还成功申请了专利。在20-14纳米工艺技术研究中,他共申请了20多项专利技术。

摸索比14纳米节点更小的芯片工艺技术—中国芯片开发的“先行官”

承担国家重大专项 研究取得阶段性成果

2015年,中芯国际与北大、清华、中科院、微电子所、复旦等学校共同承担“14纳米以下技术带国际新型器件及关键工艺研究”这个863国家重大专项的研究,卜伟海成为公司该项目的主要负责人。

芯片应用TFET(遂穿场效应晶体管)的方案是卜伟海带领团队与北大团队一起设计的,是当前重大专项取得的阶段性成果。“该晶体管的应用,可实现能耗的大幅降低”卜伟海说,目前芯片应用的晶体管,电压达到一定程度才会有反应,而实验发现TFET只要有电压就能够打开,正在进行优化设计,让一些参数达到工艺需求。

可穿戴设备、手机没电的尴尬有希望得到解决,TFET将来应用在芯片上,电子产品功耗更低、耗电量更少,可穿戴设备、手机这些产品续航时长将大大延长。

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