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麻省理工华裔研制出原子级别芯片技术,轻松突破 1nm 工艺!

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27岁华裔研究生朱佳迪把芯片制程带到“1nm时代”,美媒:这是属于美国的荣耀!

过去,在摩尔定律的驱动下,晶圆厂一直在紧追先进工艺,这场决赛的最后仅剩台积电、三星和英特尔这几家。

制程工艺的先进程度,也成为了全球晶圆代工领域的排名依据。目前,几位晶圆代工巨头在3nm、2nm竞相追赶。其中,台积电率先于去年宣布量产3nm芯片,并在近日透露已开启2nm芯片试产前期工作,目标今年试产近千片。

近日,三星半导体也宣布在其位于韩国的华城工厂开始量产全球最先进的3nm制程工艺,引起了业界的广泛关注。

就在众大厂还在集中精力攻克3nm、2nm制程之时,一位27岁的华人将美国的芯片制造工艺突破到极限“1nm”,并称未来可能不再依赖EUV光刻机,打破了世界难题。


华裔研究生,率队突破芯片制程极限

近日,麻省理工学院(MIT)电气工程与计算机科学系的华裔研究生朱佳迪(Jiadi Zhu),在Nature Nanotechnology发布的一篇论文,引起科技界轰动。


朱佳迪带领团队成功研制出原子级别厚度的芯片技术,这被认为是芯片行业又一个重要的技术突破。

朱家迪的研究,破了常温条件下由二维(2D)材料制造成功的原子晶体管,每个晶体管只有3个原子的厚度,堆叠起来制成的芯片工艺将轻松突破1nm。甚至美媒喊出:这是属于美国的荣耀!


朱佳迪拿着一块8英寸的二硫化钼薄膜CMOS晶圆

更值得关注的是,朱佳迪带队研发的1nm芯片未来可能不再依赖EUV光刻机,这对于业界来说,才是重中之重。正如任正非所说:华为可以设计出世界上最先进的芯片,但是造不出世界上最先进的芯片。其原因就是缺少最先进的光刻机,而世界顶级的光刻机被荷兰阿斯麦给把控。

目前的半导体芯片都是在晶圆上通过光刻/蚀刻等工艺加工出来的三维立体结构,所以堆叠多层晶体管以实现更密集的集成是非常困难的 。而且,现在先进制程工艺的发展似乎也在1~3nm这里出现了瓶颈,所以不少人都认为摩尔定律到头了。

但是由超薄2D材料制成的半导体晶体管,单个只有3个原子的厚度,可以大量堆叠起来制造更强大的芯片。


正因如此,朱佳迪及其团队研发并展示了一种新技术,可以直接在硅芯片上有效地生成二维过渡金属二硫化物 (TMD) 材料层,以实现更密集的集成。

但是,直接将2D材料生成到硅CMOS晶圆上有一个问题,就是这个过程通常需要约600摄氏度的高温,但硅晶体管和电路在加热到400摄氏度以上时可能会损坏。

朱佳迪等人开发出了一种不会损坏芯片的低温生成工艺,可直接将2D半导体晶体管集成在标准硅电路之上。


此外,新技术还有两个优势:拥有更好的工艺+减少生成时间

之前研究人员是先在其他地方生成2D材料,然后将它们转移到晶圆上,但这种方式通常会导致缺陷,进而影响设备和电路的性能,而且在转移2D材料时也非常困难。

相比之下, 这种新工艺会直接在整个8英寸晶圆上生成出光滑、高度均匀的材料层。

其次就是能够显著减少生成2D材料所需的时间。以前的方法需要超过一天的时间来生成2D材料,新方法则将其缩短到了一小时内。

“使用二维材料是提高集成电路密度的有效方法。我们正在做的就像建造一座多层建筑。如果你只有一层,这是传统的情况,它不会容纳很多人。但是随着楼层的增加,大楼将容纳更多的人,从而可以实现惊人的新事物。”

朱佳迪在论文中这样解释,“由于我们正在研究的异质集成,我们将硅作为第一层,然后我们可以将多层2D材料直接集成在上面。”

该技术不需要光刻机就可以使芯片轻松突破 1nm 工艺,也能大幅降低半导体芯片的成本,如果现阶段的光刻机技术无法突破 1nm 工艺的话,那么这种新技术将从光刻机手中拿走接力棒,届时光刻机也将走进历史。


业界呼吁:加强对半导体人才的重视

据了解,朱佳迪于2015年入读北京大学微电子专业,2019年本科毕业后,进入麻省理工学院电气工程计算机科学系攻读博士学位,为异构集成和3D IC研究组成员,研究重点是将新兴的低维材料设备与设计技术协同优化 (DTCO) 方法相结合。

朱佳迪的研究成果,对于芯片行业来说无疑是一项重大突破。与此同时,国内业界人士也纷纷感叹,又一位优秀的华人为美国所用。

事实上,半导体行业向来不乏华人的身影。我们最为熟悉的英伟达CEO黄仁勋,便是一个典型代表。

黄仁勋于1963年2月17在中国台湾省台北市出生,祖籍浙江省青田县。1993年黄仁勋创立英伟达,经过30年,英伟达市值突破万亿美元,创造了历史。与此同时,黄仁勋身价也暴涨,突破330亿美元,成为今年彭博亿万富豪榜上财富增值最快的人,同时也是单日财富增加幅度最大的一位。

此外,AMD CEO苏姿丰、台积电创始人张忠谋、帮助光刻机厂商ASML坐上光刻机老大位置的林本坚等等都是华人。

中微半导体创始人尹志尧,也是硅谷芯片大神。他曾总结称,华人对美国集成电路历史的发展做出了巨大贡献。在创办中微半导体发展国产刻蚀机之前,尹志尧曾在硅谷有一段工作经历。他表示英特尔某些研究题库组组长,经理绝大部分是华人,工艺集成部门最能干的几位工程师多数也是华人。

因此,尹志尧、任正非都曾呼吁国内要对人才加强重视。任正非曾说:“要让中国的鸡回中国下蛋。”因此,华为对待人才也从不吝啬,“天才少年”计划就是其吸引顶尖人才、重视人才的一项重要举措。

目前,我国半导体行业高端人才仍然存在较大缺口,若相关企业、科研机构能加强对这方面的重视,加大人才吸引力度,相信会有越来越多的人才回归祖国,为中国半导体突破“卡脖子”难题做出贡献。

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本文作者2023-6-13 17:32
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