突破！在50纳米的硅片空间-访北京大学“系统芯片中新器件新工艺基础研究”项目组

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突破！在50纳米的硅片空间-访北京大学“系统芯片中新器件新工艺基础研究”项目组 [复制链接]

来源:科技日报
记者：向杰 实习生：张涵雪
首席：张兴
时间：2006年6月21日下午
地点：北京大学信息科学技术学院

　　
　　电脑、手机、MP3……几乎所有的电子产品中都有芯片的存在，现在已经很难想象，如果离开芯片，人们的生活将会变成怎样。目前中国计算机、手机等电子消费品的产量已经是世界第一，但由于还没有完全掌握核心芯片技术，有些方面还停留在装配业的水平上。973计划“系统芯片中新器件新工艺基础研究”项目的研究目标正是针对五十纳米以下的芯片制造工艺水平，提出创新的新型半导体器件结构，并使用新的工艺制作出新一代的系统芯片。
　　联系采访时，电话那头的声音是有些低沉的，让人不免想象，未曾谋面的973计划“系统芯片中新器件新工艺基础研究”的首席科学家张兴应该是一位满头银发的老者。然而，当在北大他的办公室亲眼见过本人后，记者才意识到，这种想象原来是那么不靠谱———“老者”不过是一个刚刚跨过不惑之年的年轻学者。也就是说，在2000年，当他成为973课题的首席科学家时，才35岁！
　　“新锐”———一个词语从脑海里没遮拦地蹦了出来，尽管这个词可能不是很准确，但一时间，记者想不出一个更好的词汇来形容眼前的这位首席。
　　记者：请问该课题立项的初衷是什么？
　　张兴：微电子是高技术和信息产业的核心和基础。在全球信息产业飞速发展、网络经济迅速兴起、知识经济初见端倪、现代国防和未来战争中尖端技术不断崛起的今天，微电子比以往任何时候都更显示出其重要的战略地位。
　　近年来，虽然国际微电子产业处于有升有降的波浪式发展状态，但我国的微电子产业却一枝独秀，始终保持着每年30%%以上的递增速度。特别是随着中芯国际等一批大规模、高水平集成电路制造企业的投入运行，国际上先进的半导体工艺正被迅速地直接引入到我国，制造工艺技术达到了12英寸、100纳米的工艺技术水平，因此可以说我国微电子产业已经进入了一个跳跃式发展阶段。然而，尽管如此，我国的微电子产业却也面临着自主知识产权的困扰，近年来多次出现的专利权纠纷就是一个明证。
　　目前，随着国际经济形势的变化，半导体工业竞争逐渐白热化，半导体工艺不断向微小尺度方向发展来降低成本，提高竞争力，迫使半导体工艺技术保持快速发展。为了加强我国微电子产业的竞争力，我们必须大力发展具有自主知识产权的下一代微电子工艺技术，使我们能够在今后的微电子技术领域拥有自己的一席之地，这正是我们当初提出该973项目的初衷。
　　记者：课题的主要研究目标是什么？
　　张兴：如你所知，我们课题的名字叫做“系统芯片中新器件新工艺基础研究”。它研究的目标是针对50纳米以下的制造工艺水平，提出我们创新的新型半导体器件结构，并使用新的工艺制作出新一代的系统芯片。
　　记者：这种芯片与我们日常生活有什么联系？
　　张兴：联系太多了。它在我们的生活中已经无处不在，手机、MP3……几乎所有的电子产品内都有芯片的存在。
　　记者：50纳米以下是一个什么概念？
　　张兴：在系统芯片研究领域，大家一直在追求更小的体积，更低的能耗，显然系统芯片的尺寸越小越好。否则，我们今天可以放在掌心的手机还会如同十几年前一样，像块砖头。
　　一般认为，当器件尺寸在大于45纳米以上工艺水平时，靠传统的按比例缩小尺寸就可以实现系统芯片性能的提高。但是，当继续缩小到45纳米以下时，一个为大家比较公认的瓶颈出现了。因为一旦达到这个尺寸，再使用传统思路缩小器件的尺寸，很多寄生的效应就会产生，比如发热问题，它自己都能把自己烧毁，更别提提高系统芯片的性能了。
　　所以，在这个尺寸上，大家必须寻找一种新的器件结构，使用新的工艺才能突破这个瓶颈，使系统芯片的性能获得进一步的提高。
　　记者：5年前，课题在立项之时，把研究目标定在50纳米以下是否比较超前？
　　张兴：当时世界上批量生产的系统芯片水平一般在180纳米到250纳米之间，实验室研究水平达到50纳米的还很少。我国虽然一直比较重视系统芯片方面的研究，但应该看到，我们与世界先进水平还是有一定差距的。在这样的基础上，我们能否利用后发优势，形成突破？说实话，当时大家的心里也是有些忐忑的。
　　现在回想起来，当时定的目标确实比较高，但通过5年的不懈努力，我们最终完成了这个目标，而且效果还不错。
　　记者：做出了50纳米以下的新器件是课题最大的收获，可以这样理解吗？
　　张兴：我们研究的重点并不是单纯的追求更小的器件尺寸。我们更看重的是在50纳米以下系统芯片工艺中，提出适于系统芯片集成的新型的器件结构。
　　课题组目前已经提出了一些新的结构，并在现有实验室条件下，利用这些新的结构制作出了实验性的器件。它们有可能会应用到今后的大批量生产中。
　　记者：这个项目最主要的创新点是什么？
　　张兴：我个人认为，课题的创新主要体现在3个方面。
　　一是我们提出了多种新的适于亚50纳米系统芯片集成的器件结构。大家都知道，新结构是突破纳米尺度系统芯片发展的瓶颈。现在世界上不同的科学家都在提出一些不同的结构，但最终哪一个会应用到批量生产上，谁也不是很清楚。我们目前已经提出了独创的结构原型，下一步计划在此基础上进行优化，使某些结构能应用到批量生产当中去。
　　二是我们做出了一个对纳米尺度器件进行仿真和模拟的平台。以往想要知道一种新器件的性能，往往要把这个器件做出来，再进行实验得到数据。这个成本是很高的。比如利用现在的工艺，做一个90纳米水平的系统芯片，进行一次实际的工艺流片，费用约需要几十万美元。如果芯片设计中出点差错，造成的浪费是惊人的。鉴于此，课题组开发出了一套基于量子力学基础理论，针对50纳米以下尺寸器件的模型和模拟软件平台，利用该平台可以在电脑上模拟出新结构器件的实际性能，从而大大节约了费用。
　　三是我们在材料方面也有不少创新。因为新器件不可避免需要使用新的材料。比如以往经常在芯片中使用的一种介质氧化硅，到了50纳米以下工艺水平时，就可能不再适用，必须找到新的替代材料。在这方面我们也取得了很大的进展。
　　记者：作为微电子领域的973项目首席科学家，您认为我国目前在信息产业方面有哪些不足？
　　张兴：在十六大以后，我国把信息化提到了国家战略的高度，是很英明的。
　　在我国传统能源进一步稀缺，越来越依赖于进口的情况下，发展新的产业，寻找新的突破口是很有必要的。而信息产业对原料的要求很低，主要靠人的智慧。芯片中最主要的材料就是硅，它在地球上含量很高，仅次于氧元素，可以说用之不尽，但硅片一旦变成芯片，也就是将知识集成于芯片中，就可以创造出极大的价值。因此可以说芯片产业是典型的知识经济。
　　但目前我们的问题是，重应用轻研究。目前中国计算机、手机等电子消费品的产量已经是世界第一，然而即使如此，由于我们还不掌握其中的核心芯片技术，因此有些方面还停留在装配业的水平上。
　　芯片与软件是我国信息产业最薄弱的两个环节，这两点不解决，我国的信息产业就会停留在替人打工的阶段。
　　记者：那您认为我们最有可能从哪个方面进行突破？
　　张兴：近年来，我国在系统芯片和通讯芯片上都取得了一定的进展。但想要与英特尔这样的芯片巨人进行竞争还是有较大距离的。
　　目前，我们有一个很好的机遇就是嵌入式系统芯片。它与CPU最大的不同是，CPU是通用芯片，而系统芯片具有一定的专用性。它可以和我国的一些行业标准结合起来，将之固化到芯片上。这是比较容易控制的，也是可以拉动设计技术、制造技术、封装技术及软件等产业迅速发展的。
　　最明显的例子是身份证芯片，它必须使用具有自主知识产权的技术。据我所知，这个行业已经拉动了几个企业的营业额直线上升。我国一年有上亿片的需求量，这个市场是十分巨大的。
　　记者：请您最后介绍一下课题所取得的学术成绩。
　　张兴：我们这个课题5年一共在国内外学术刊物和学术会议上发表学术论文587篇，专著4本，其中SCI收录论文219篇；EI收录248篇，据不完全统计，我们发表的学术论文已经被引用150余次，得到了很好的评价。除此之外，课题组的成员还受邀在国际学术会议上作了24次报告。
　　课题还获得了一系列的具有原始创新的专利技术，申请了多达86项发明专利，其中28项发明专利己获授权。这为我国从微电子大国向微电子强国过渡起到了一定的推动作用。