中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-029）——成功实现二维半导体集成电路成套工艺

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工作简介

         ——成功实现二维半导体集成电路成套工艺

人工智能和可移动终端的迅猛发展，导致对芯片高算力和低能耗的要求越来越高。目前集成电路最先进的晶体管沟道长度和厚度开始逐步接近原子尺度，而传统半导体材料已经接近性能极限。最新的国际器件与系统路线图（IRDS）指出，具有原子厚度的二维半导体在未来大规模集成电路中有巨大的潜力。所以，发展基于二维半导体的新型芯片具有极其重要的战略意义。当前国际上大面积二维半导体的生长已经有诸多报道，但是其集成电路应用仍在探索初期。主要困难是原子级厚度的二维半导体对工艺环境极端敏感，所以传统半导体CMOS集成工艺不能直接用来照搬。这就需要工业界和学术界共同投入大量的精力来开发基于二维半导体的新型集成电路工艺。

复旦大学微电子学院的包文中研究员课题组和周鹏教授团队近年来长期合作，聚焦于新型二维半导体材料的集成电路应用，在材料晶圆级生长、工艺集成、电路设计等方向系统开展了深入的研究工作，已经取得了一定的积累。在此工作中，科研团队利用已经积累的较大实验数据样本集，采用机器学习算法训练并识别具有优良器件指标的器件工艺特征，辅助优化了二维半导体增强型顶栅晶体管的制备工艺。最终极大程度地缩短了二维材料集成电路成套工艺探索进程，大幅提高了科研人员的研究效率（图1）。最后基于此工艺采用工业标准设计流程和工艺进行了晶圆级器件与电路的制造和测试，成功演示了各种数字、模拟、存储、光电探测等集成电路单元（图2）。从而展示了未来二维材料体系芯片应用的光明前景。

这项研究工作的核心内容是就是利用机器学习的高效性来辅助科研人员进行巨量组合的筛选优化，提出了一种适合学术界探索的二维半导体集成电路工艺优化路线。而且本工作所采用的机器学习策略具有通用性，其他新型材料也可以利用此策略缩短其器件工艺探究与应用进程，大幅减少科研人员的重复工作从而提高科研效率。研究团队未来将继续聚焦于新型二维半导体，深挖其特有属性，往新计算范式、三维集成应用方向探索，进一步推动其在集成电路产业中的实际应用。

研究成果于2021年10月12日以“Wafer-scale functional circuits based on two dimensional semiconductors with fabrication optimized by machine learning”为题发表在《自然∙通讯》（Nature Communications, 2021, 12, 5953）杂志上，解玉凤教授、博士生陈新宇、硕士生盛耀晨和唐宏伟为共同第一作者，包文中、万景研究员和周鹏教授为共同通讯作者。该工作同时还与上海市微系统所、香港理工大学、新加坡国立大学、苏州大学、深圳六碳科技等兄弟单位紧密合作，并得到了科技部重点研发计划纳米科技专项、国家自然科学基金杰出青年和应急重点项目、上海市教委科研创新重大项目等项目的支持。

图1. 二维半导体的算法辅助工艺优化、顶栅工艺结构以及晶圆级流片结果。

图2. 利用优化的二维半导体顶栅工艺制作的各种常见集成电路单元。

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作者简介

第一作者

陈新宇，复旦大学微电子学院在读理学博士。

目前主要研究方向为新型二维材料晶圆级大规模电路的新原理工艺和新架构设计。2018年至今，在Nat. Commu.、Sci. Bull.、J. Mater. Sci. Technol.、Adv. Electron. Mater.、Small等学术期刊上发表论文10余篇。

通讯作者

周鹏，教授，博士生导师，复旦大学微电子学院副院长。获2020年上海市青年科技杰出贡献奖和自然科学二等奖。2019年获得国家自然基金委杰出青年资助，入选万人计划领军人才，先后获得科技部中青年创新领军人才、上海市曙光人才计划、国家自然基金委优秀青年基金以及上海市启明星计划资助。

研究方向主要为集成电路新材料、新器件及新机理、高速非易失性存储器、存算融合新器件新机理等。主持了国家重大专项、重点研发计划、自然科学基金、上海市科技创新重点项目等。在Nature Nanotechnology、Nature Electronics、Advanced Materials、IEEE Electron Device Letters等发表第一作者及通信作者论文200余篇。组织和受邀国内外学术会议40余次，包括Nature Conference Keynote报告以及中美华人纳米会议邀请报告。担任中国真空学会常务理事、中国物理学会半导体专业委员会委员、Infomat副主编。

通讯作者

万景，复旦大学信息科学与工程学院研究员，博士生导师，国家高层次人才，上海市青年科技启明星，IEEE 协会高级会员。

2009年硕士毕业于复旦大学微电子系，2012年博士毕业于法国国家科学研究院（CNRS），并获法国纳米科学基金委优秀博士奖。毕业后，加入世界著名集成电路制造企业，美国Globalfoundries（格芯）公司，任研发部门高级工程师，在14nm FinFET大规模集成电路制造领域发明多项重要技术，获格芯公司专利奖。2016年回到复旦大学任教。发明多项新型半导体器件和集成电路技术，申请/授权专利30余项，发表各类SCI/EI学术论文70余篇，担任多个IEEE会议主席及委员职务。

通讯作者

包文中，复旦大学微电子学院研究员，博士生导师。

近年来主要致力于晶圆级二维半导体材料的成套集成工艺开发，在此基础上构筑二维新结构新原理的原型器件，以此推动二维材料的未来信息领域应用。在基础科学和工程应用领域已发表英文论文150余篇，总引用三万余次，全球高被引研究者。2015年入选国家高层次人才计划、上海市高层次引进人才计划。曾获2015年国际物理纯粹与应用学会（IUPAP）青年科学家奖、2017年求是基金会杰出青年学者。目前为科技部重点研发项目、上海市科委项目、国家基金委面上等多个项目的负责人。

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原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-26230-x

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

文章内容来源于“半导体学报”公众号

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