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先导工艺研发中心:16nm已做完7nm和5正在布局;清

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  集成电路芯片是信息时代的核心基石,它被誉为现代工业的“粮食”,更成为全球高科技竞争中的战略必争制高点。?然而,长期以来,我国芯片产业一直受到西方在先进制造装备、,材料和工艺引进等方面的种种限制,想要拥有自主知识产权的高技术芯片,就必须发展我国自己的集成电路制造体系。

  近年来,我国在集成电路芯片领域投入巨大人力物力,,取得了显著成效。,尤其是中科院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心通过4年的艰苦攻关,在22纳米关键工艺技术先导研究与平台建设上,实现了重要突破。

  这让我国集成电路制造产业开始拥有自己的话语权,该成果也为我国继续自主研发16纳米及以下技术代的关键工艺提供了必要的技术支撑,表明我国已开始在全球尖端集成电路技术创新链中拥有了自己的地位。在2016年度北京市科学技术奖评选中,“22纳米集成电路核心工艺技术及应用”项目荣获一等奖。

  很多人知道摩尔定律,但很少有人知道,在2004年左右,?摩尔定律差点“死了”。

  最终是一个名为高K-金属栅极的技术,让我们今天可以轻松的工作、上网,而不用考虑芯片太热、漏电等问题造成的电脑或手机性能下降。

  根据摩尔定律,每18个月就会在同样面积的硅片上把两倍的晶体管“塞”进去。按之前的工艺,已经将晶体管的组成部分做到了几个分子和原子的厚度,组成半导体的材料已经达到了极限。其中,最早达到这个极限的部件是组成晶体管的栅极氧化物——栅极介电质,?原有的工艺都是采用二氧化硅层作为栅极介电质。

  “我们可以把栅极比喻为控制水管的阀门,开启让水流过,关闭截止水流。”中科院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心主任赵超告诉记者,从65nm开始,我们已经无法让二氧化硅栅极介电质继续缩减变薄,如果不能解决栅极向下的漏电问题以及源极和漏极之间的漏电问题,摩尔定律可能会失效,新一代处理器的问世可能变得遥遥无期。

  寻找比二氧化硅更好的“绝缘体”,迫在眉睫。“这种材料应具有良好的绝缘属性,同时在栅极和晶体硅衬底的通道之间(源极和漏极之间)产生很好的场效应。”赵超告诉记者,英特尔公司的科学家经过反复测试,率先在22纳米 CMOS技术节点引入高K-金属栅极技术,有效地降低了成本,。减少了功耗并提高了器件性能。

  “这项技术拯救了摩尔定律,成功研制高K-金属栅极并将之付诸量产,被誉为半导体业界40年来里程碑式的革命性突破。”赵超说。

  自此,22纳米CMOS技术成了全球研究开发的又一代有重大技术创新的集成电路制造工艺,各国都投入了巨大资金,力争抢占技术制高点。

  这是我国集成电路研发体系绕不过去的坎。“2009年,在国家科技重大专项的支持下,我国开始22纳米关键技术先导研发。我们与项目联合承担单位,北京大学、清华大学、复旦大学和中科院微系统所的项目组一道,开展了系统的联合攻关。,”赵超说。

  4位“千人计划”、5位中科院百人计划,30多位工业界核心的工程师团队……先导工艺研发中心拥有这样一支令人艳羡的国际化研发团队。

  2009年,在国家科技重大专项的支持下,微电子所成立研发团队并引进了一大批海归,建成了拥有200多名研发人员的集成电路先导工艺研发中心,赵超就是其中的一位。

  “我们研发与工业主流工艺兼容的22纳米器件结构和工艺制程几乎是从零开始。”赵超说。

  尤其是器件制造工艺及集成技术给团队带来巨大挑战:一是界面工程,需要研究高K材料与硅沟道的界面态特性、应力引入控制机制、影响载流子迁移率的原理机制等;二是栅工程,对高性能的NMOS和PMOS器件而言,筛选出具有合适功函数的金属栅材料及堆叠结构避免费米钉扎效应,降低刻蚀工艺及集成技术的难度至关重要;三是需要实现超浅结的源漏工程,确保器件具有良好的短沟道效应抑制特性和欧姆接触。

  针对上述核心问题,项目组开展了系统的研究工作,仅用了7个月的时间就漂亮地完成了原定两年多时间的工作:国内首次采用后高K工艺流程,获得小于30纳米栅长的NMOSFET和PMOSFET器件,器件性能优良;对栅工程中阈值电压(Vt)调节,界面层去除,栅介质及金属层填充等工艺难点作了系统研发,为工业界的二次开发提供了一系列工艺解决方案。

  “这标志着我国也加入了高端集成电路先导工艺研发的国际俱乐部。”赵超自豪地说。

  整个团队的付出开始得到回报:该团队随后在更具挑战性的鳍型晶体管(FinFET3D)研发上取得良好进展,完成与工业主流工艺兼容的FinFET工艺集成和器件研发。

  “这些成果为国内芯片制造企业的生产技术开发扫清道路,为半导体集成电路行业中无生产线设计公司及早介入工艺创造条件。”赵超表示。

  由于项目团队采用了与工业生产一致的工艺方法和流程,具备向产业界转移的条件,因而对我国集成电路产业的技术升级形成了具有实际意义的推动作用。

  “我们是国家集成电路工艺研发战役中的‘侦察部队’。”赵超告诉科技日报记者,“在与国际巨头的竞争中,我们就是要用专利布局的方法占领战略要地。”

  国家科技重大专项02专项的领导在项目一开始就提出了“专利导向下的研发战略”。“过去,我国在知识产权建设上没有合理的战略布局,是把专利当论文用,我们辛辛苦苦研发的技术其实早就被别人申报了专利。这样,即使有自主研发,也做不到自主知识产权。”赵超感叹道。

  自研发之初,项目团队就把为国内集成电路高K-金属栅极关键工艺建成具有自主知识产权的保护体系作为目标,分析制定了专利地图,寻找专利漏洞,抢占专利先机。这是我国科研方法的一次巨大改变。

  “其实专利就是炮弹,是打仗用的。”赵超告诉记者,在集成电路领域,专利不仅是保护自己的有力盾牌,也是打击对手的锋利武器,专利纠纷经常发生,没有知识产权保护体系就像是毫无防御工事的阵地。

  据了解,项目团队在该领域申请发明专利1650项,其中高K-金属栅极的相关专利全球排名第四,被IBM、台积电、,三星等多家国际半导体知名企业引用600多次,基本形成了“你中有我”,为实现对中国企业的专利保护奠定了坚实基础。

  近年来,,项目团队成功完成向武汉新芯、,中芯国际等国内主要IC制造公司的专利许可和转让达1358件,有力推动了高端产品的技术研发进程。

  先导工艺研发中心还建成了一个能够开展22纳米及以下技术代研发的工艺平台。。“工艺平台对后续项目发展起到非常重要的作用。”赵超表示,先导工艺研发中心的研发效率和质量管理系统都是工业化标准的,!得到了工业界研发伙伴的充分认可。

  同时,项目对整个集成电路产业链也起到了直接的支撑作用。赵超表示:“研发中心不仅在先导工艺技术研发上起到国家队的作用,!同时也成为了国产半导体装备和材料的验证基地、集成电路工程技术人才的培养基地和该领域的国际交流基地。”

  “16纳米的已经做完,7纳米和5纳米的正在布局。”赵超透露,下一步,项目团队将参加更大规模的“战役”,力争把先导技术转化成工业生产技术,为国家集成电路产业发展作出更多贡献。 科技日报

  可重构计算芯片是未来计算芯片领域公认的重要发展方向之一,在“硅实现”【注】后仍可改变其运算和互连功能,能实现应用任务到计算引擎的空间映射,兼具指令处理器的高灵活性和专用集成电路的高能效性。?然而,因以“图计算”“稀疏矩阵计算”等为代表的不规则应用在此类芯片上的程序开发十分困难,国际学术界和产业界长期以来普遍认为,可重构计算芯片在可编程性上存在重大缺陷。这一难题若不解决,必将严重制约可重构计算芯片的推广应用,也会极大限制可重构架构软硬件协同设计方法学的进一步发展。

  针对这个难题,微电子所魏少军、刘雷波团队提出了一种从硬件架构特征出发,面向特定应用领域设计编程模型的软硬件协同设计方法。该方法首先分析不规则应用的计算模式,建立起一种针对不规则应用的可重构编程模型。在该模型下,,一个不规则应用被声明为一组可并行执行的任务,任务间的依赖关系用规则进行描述。程序员可借助该规则来描述任务间的依赖关系在何种情况下才能成立。然后,这个应用任务将被自动转化为可重构计算架构上的硬件加速逻辑(如下图所示)。任务对应一条或多条并发的流水线,通过在运行时评估规则来进行同步,从而实现细粒度流水线级并行。实验结果表明,该方法获得的加速性能和目前最先进的高性能服务器CPU相当,远优于现有在可重构计算架构上通过高层次综合来自动生成的结果。该方法成功解决了不规则应用在可重构计算架构上高效执行的国际公认难题,大幅提升了可重构计算芯片的可编程性,,为该类芯片在更大范围内的应用推广扫清了障碍,也为该方向软硬件协同设计方法学的发展铺平了道路。

  魏少军、刘雷波团队本次在可重构计算芯片上取得的重大突破,一方面有赖于该团队在可重构计算领域长期深入的研究积累,另一方面也与团队和美国英特尔公司的重大科研合作项目密切相关。2016年1月,清华大学与英特尔公司签署协议,宣布联合研发“融合清华可重构计算技术和英特尔X86架构的新型通用CPU”。,英特尔公司在3年内向清华大学投入经费,。其目标定位于在云计算、数据中心等商用领域实现可重构计算技术的大规模应用。!这是英特尔公司在全球范围内首次与高等学校直接合作研发高性能CPU产品,也是该公司在全球范围内对高等学校做出的最大单笔研发投资之一。该项目已取得重要进展,!今年4月发布了软硬件参考设计平台(如下图所示),下一步将进行CPU工程样片的流片。

  国际计算机体系结构大会是计算机体系结构领域的重要会议。现代计算芯片的很多基本思想,如超标量架构、,多级缓存、同步多线程、缓存一致性等,都在国际计算机体系结构大会上首次被提出。本次李兆石在会上所宣读的论文,?其通讯作者是刘雷波副教授,论文合作者还包括清华大学软件学院邓仰东副教授和微电子所尹首一副教授等。

  微电子所魏少军、刘雷波和尹首一团队在可重构计算方向上进行了长期的研发工作。从“十一五”到“十三五”连续获得国家自然基金、863重点项目和国家重大专项项目的支持,五年来发表国际电气和电子工程师协会汇刊(IEEE Transactions)论文近40篇,重要国际会议论文近30篇,授权发明专利近40项,出版专著《可重构计算》1部。关键技术在信息安全芯片、可编程逻辑器件、?可穿戴计算芯片上实现了系列化产业应用。

  【注】可重构计算芯片是未来计算芯片领域公认的重要发展方向之一,在“硅实现”(即用硅材料制造成集成电路)后仍可改变其运算和互连功能。 清华新闻网

  中国证券网讯 记者6月29日从中国科学院获悉,中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用重点实验室再次合作,在高灵敏度石墨烯场效应晶体管太赫兹自混频探测器的基础上,实现了外差混频和分谐波混频探测,最高探测频率达到650 GHz,利用自混频探测的响应度对外差混频和分谐波混频的效率进行了校准,该结果近期发表在碳材料杂志Carbon上。

  频率介于红外和毫米波之间的太赫兹波在成像、雷达和通信等技术领域具有广阔的应用前景,太赫兹波与物质的相互作用研究具有重要的科学意义。高灵敏度太赫兹波探测器是发展太赫兹应用技术的核心器件,是开展太赫兹科学研究的重要手段与主要内容之一。太赫兹波探测可分为直接探测和外差探测两种方式:直接探测仅获得太赫兹波的强度或功率信息;而外差探测可同时获得太赫兹波的幅度、相位和频率信息,是太赫兹雷达、通信和波谱成像应用必需的核心器件。外差探测器通过被测太赫兹信号与低噪声本地相干太赫兹信号的混频,将被测信号下转换为微波射频波段的中频信号后进行检测。与直接探测相比,外差探测通常具备更高的响应速度和灵敏度,但是探测器结构与电路更加复杂,对混频的机制、效率和材料提出了更高的要求。

  天线耦合的场效应晶体管支持在频率远高于其截止频率的太赫兹波段进行自混频探测和外差混频探测。前者是直接探测的一种有效方法,可形成规模化的阵列探测器,也是实现基于场效应晶体管的外差混频探测的基础。目前,国际上基于CMOS晶体管实现了本振频率为213 GHz的2次(426 GHz)和3次(639 GHz)分谐波混频探测,但其高阻特性限制了工作频率和中频带宽的提升。

  石墨烯场效应晶体管因其高电子迁移率、高可调谐的费米能、双极型载流子及其非线性输运等特性为实现高灵敏度的太赫兹波自混频和外差混频探测提供了新途径。前期,双方重点实验室秦华团队和冯志红团队合作成功获得了室温工作的低阻抗高灵敏度石墨烯太赫兹探测器,其工作频率(340 GHz)和灵敏度(~50 pW/Hz1/2)达到了同类探测器中的最高水平。此次合作进一步使工作频率提高至650 GHz,并实现了外差混频探测。

  如图1所示,工作在650 GHz的G-FET太赫兹探测器通过集成超半球硅透镜,首先通过216、432和650 GHz的自混频探测,验证了探测器响应特性与设计预期一致,并对自混频探测的响应度和太赫兹波功率进行了测试定标。在此基础上,实现了本振为216 GHz和648 GHz的外差混频探测,实现了本振为216 GHz的2次分谐波(432 GHz)和3次分谐波(648 GHz)混频探测。混频损耗分别在38.4 dB和57.9 dB,?对应的噪声等效功率分别为13 fW/Hz和2 pW/Hz。。2次分谐波混频损耗比216 GHz外差混频损耗高约8 dB。

  此次获得混频频率已远高于国际上已报道的石墨烯外差探测的最高工作频率(~200 GHz),但中频信号带宽小于2 GHz,。低于国际上报道最高中频带宽(15 GHz)。总体上,目前G-FET外差混频探测器性能尚不及肖特基二极管混频器。但是,无论在材料质量还是在器件设计与工艺技术上,都有很大的优化提升空间。根据Andersson等人预测,G-FET的混频转换效率可降低至23.5 dB,如何达到并超越肖特基二极管混频探测器的性能指标是未来需要重点攻关的关键问题。 中国证券网

  日本国内最大工业气体厂商大阳日酸将在中国新建特殊气体工厂,生产用于半导体制造工序的气体“乙硼烷”。新工厂预定2019年投入运行,投资额预计为30~40亿日元。中国今后有望相继新建半导体工厂,用气需求将出现增长。

  大阳日酸在江苏省扬州的新工厂生产的是特殊气体乙硼烷。此外,该工厂还具备提纯“氟甲烷”等气体并供货的能力。中国将成为大阳日酸建立面向半导体的气体生产基地的第4个国家。

  目前,中国有很多半导体工厂建设计划,到2020年预计有10多处投入运行。大量消费乙硼烷的积层型NAND存储卡的生产被认为将增加,大阳日酸计划把在中国市场的乙硼烷份额提高至50%以上。 日经中文网

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