不依賴EUV光刻機！中國科學家突破晶片研製極限

在復旦大學整合晶片與系統全國重點實驗室的淨化間裡，身穿實驗服的科研人員正向《中國科學報》記者展示手中的晶片。

二十幾塊金黃色的晶片整齊排列在透明的托盤上，看起來平平無奇，其中卻隱藏著大玄機。每塊晶片都整合了5900個基於二維半導體材料的電晶體，這是目前國際上二維邏輯功能最大規模的驗證紀錄，較此前最高紀錄115個電晶體，一舉提高了51倍。

復旦大學教授周鵬、研究員包文中聯合團隊突破了二維半導體電子學整合度瓶頸，完成了從材料到架構再到流片的全鏈條自主研發，成功研製出全球首款基於二維半導體材料的32位RISC-V架構微處理器。團隊將之命名為“無極”（WUJI），寓意從無到有、沒有極限。

在32位輸入指令的控制下，“無極”可以實現最大為42億的資料間的加減運算，支援GB級資料儲存和訪問，以及最長達10億條精簡指令集的程序編寫。4月2日，相關成果發表於《自然》。

讓電晶體“最終形態”走出實驗室

“說起這項研究成果，要追溯到10年前。”包文中回憶道。2015年7月，包文中加入復旦大學微電子學院，一頭紮進晶圓級二維半導體的可控生長及其實際應用研究中。

這一年，距離二維材料石墨烯的發現過去了11年，二硫化鉬（MoS2）等二維半導體材料也開始進入科學家的視野。

所謂二維（2D），是指材料只在平面延展。厚度僅一到幾個原子層，這一“超薄”特性使此類材料展現出非常獨特的電子和光學性質，在奈米電子學、光電子學、柔性器件、感測器等領域具有潛在的應用價值。

MoS2則是最熱門的二維半導體材料之一，由於具有天然帶隙且帶隙類型可調節，其在電晶體和光電器件製造中獨具優勢。

包文中指出：“在奈米尺度下，矽材料並不是最好的溝道材料。面對摩爾定律逼近物理極限這一全球性挑戰，二維半導體是目前國際公認的破局關鍵，可以認為是電晶體的‘最終形態’。”

然而，單個電晶體和能夠使用的積體電路之間仍隔著萬水千山。好比一位小提琴演奏家的獨奏水平非常高，而幾十個同樣優秀的人組成一支交響樂團，需要排練很長時間才能合奏出悅耳的曲子。倘若人數增加到上萬人甚至上億人，難度就呈指數級增長了。

因此，儘管MoS2做成的單個電晶體的“個人能力”已廣受認可，但由於遭遇工藝精度與規模均勻性的協同良率控制等瓶頸，此前最高整合度僅停留在數百電晶體量級，始終未能跨越功能性微處理器的技術門檻。

“二維半導體材料到底能不能做成晶片，性能怎麼樣？我們就是想解答學術界和產業界的這個疑惑。”周鵬告訴《中國科學報》。

開闢晶片研製的新路

2021年，課題交到了復旦大學博士研究生敖明睿和周秀誠的手上。此前，團隊已經在工藝生產上積累了豐富的經驗，並利用化學氣相沉積法，在工業界主流12英吋晶圓上實現了MoS2均勻和單層材料的快速生長。

所謂工欲善其事，必先利其器。工業界7奈米、2奈米等級的積體電路，離不開尖端的光刻機等裝置。團隊的目標是一個面向工業生產的積體電路系統，但所用大多為科研等級的儀器，在硬體不夠給力的情況下，他們只能主動適應，不斷從試錯中積累經驗。

同時，二維半導體材料極薄的特點，給加工帶來了極大的挑戰。包文中用雕塑進行類比——如果說矽材料是一塊大理石，可以用斧頭和鑿子把它雕塑成人像，二維半導體則是一塊豆腐，輕輕一碰就會把人像的胳膊或腿破壞了，必須用特殊裝置加工。

“二維半導體的生產工藝是環環相扣的，不僅前一個步驟會影響後一個步驟，後一個步驟也會影響前面的步驟。”包文中說。

這幾年，敖明睿和周秀誠日復一日做實驗，耐心打磨細節，一點點調參數、控制實驗室環境、最佳化工藝步驟。

“我們曾在某一個步驟停了很長時間，最後分析才發現是前面某一個工藝有問題導致的。所以每完成一步工藝，我們都要做相應的測試，如果有問題就及時調整。”周秀誠補充說。

值得一提的是，結合團隊以往積累的大量材料和工藝資料以及復旦大學在人工智慧（AI）方面的佈局，團隊開發了AI驅動的一貫式協同工藝最佳化技術，通過“原子級介面精準調控+全流程AI演算法最佳化”雙引擎，實現了從材料生長到整合工藝的精準控制。“利用AI演算法推薦的組合，我們能夠更高效地在實驗室裡把晶片做出來。”包文中表示。

於是，在成員的共同努力以及新技術的加持下，團隊最終破解了二維材料-接觸-柵介質-後道工藝的精確耦合調控難題，並利用原子級精度的加工和表徵技術，驗證了規模化的數位電路。

“這並不是一個顛覆性的整體變化。就像建造一棟辦公樓，地基和主體都和原來一樣，只是中間有幾層被用作商場而不是辦公室，需要專門設計。”包文中介紹，“無極”的整合工藝中有70%左右可直接沿用現有矽基產線成熟技術，其餘核心的二維特色工藝，則結合了團隊自主設計的專用工藝裝置和體系，包含20余項工藝發明專利。

一個個測試資料都表明，“無極”的整合工藝最佳化和規模化電路程度，均達到國際同期最優水平。包文中自信地說：“我們利用國產半導體裝置和開源RISC-V架構，不依賴先進的EUV光刻機，而是融合了自主研發的二維半導體全套整合工藝，為開闢一條中國全新的晶片自主研發之路奠定了基礎。”

二維半導體不會取代矽”

“正如地鐵出現以後，公車依然有價值，二維半導體晶片和矽基晶片是互補的關係。”周鵬表示，“‘無極’採用微米級工藝，其功耗和奈米級晶片功耗相當，如果採用更好的光刻機裝置，功耗將進一步降低，將來在對低功耗有更高要求的裝置上更具優勢。”

周鵬同時強調：“‘無極’只是概念驗證原型，整體性能和目前的商用晶片仍存在一定距離，當前並不具備市場優勢。”

目前，團隊正為“無極”的轉化落地努力。一方面，他們將進一步提升二維電子器件的性能和整合度，突破當前電晶體整合度瓶頸，使其在更多應用場景中具備更強的競爭力。另一方面，在產業化處理程序上，團隊加強與現有矽基產線技術的結合，推動核心二維特色工藝的產業化應用，並與相關企業和機構合作，使其盡快在實際產品中發揮作用。

包文中表示，過去幾十年間，積體電路的發展為二維半導體晶片的產業化發展積累了豐富經驗，“有理由相信，二維半導體晶片性能可以在較短時間內追上矽基晶片，最終形成和矽基晶片長期共存、應用互補的局面”。 (中國科學報)