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半导体

案例丨应用材料公司:以材料工程创新推动AI时代

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基于人工智能和大数据的新兴应用有赖于芯片在计算能力、功耗、面积成本(PPAC)等方面的显著改善。与此同时,作为过去50多年来半导体行业进步的主要推手,传统摩尔定律的技术演进正不断受到挑战。未来,半导体行业急需探索持续改进PPAC的新方法,以加速从材料到系统的创新。

作为全球领先的半导体设备公司,50多年来应用材料公司一直推动基于材料工程的技术创新与产业变革。2018年,应用材料公司写下了几项重要的里程碑。应用材料公司提出了一种集成材料解决方案,通过使用一种新材料(钴)作为晶体管接触和互联的新导电材料来帮助克服晶体管性能的主要瓶颈。此外,应用材料公司宣布成立“材料工程技术推动中心”(META中心),该中心预计将于今年在美国纽约州开幕启用。META中心的主要目标是加速为客户提供新的芯片制造材料和工艺技术的可行性,从而实现半导体在PPAC上的突破,同时它也将辅助并拓展应用材料公司硅谷梅丹技术中心的综合实力。在接受记者采访时,应用材料公司集团副总裁、应用材料中国公司总裁余定陆表示:“随着2019年的到来,应用材料公司将在‘人工智能—大数据时代’发挥更加关键的作用,引领技术拐点的前行,推动行业向前发展。”

摩尔定律受到新挑战

人工智能和大数据无疑是行业当中的最热话题。IDC预测,到2024年,目前基于显示屏的应用将有1/3被采用人工智能技术的用户界面和过程自动化所取代。而在这新一轮以人工智能的未来为核心的技术发展中,半导体技术将不出所料地扮演关键的角色。清华大学微电子学院教授魏少军曾指出:“如今的人工智能、大数据、云计算背后的真正支撑点是芯片,这是人工智能技术绕不开的话题。”

然而,作为过去50年来驱动半导体发展的主要动力,经典摩尔定律的微缩正不断受到挑战,仅靠缩小线宽的办法已经无法同时满足性能、功耗、面积以及信号传输速度等多方面的要求。举例而言,目前晶圆制造商的先进工艺已经推进到7/10纳米,不断遭遇成本上升、功耗增加、工艺复杂度提升、成品率下降等方面的挑战,维持摩尔定律继续推进变得越来越困难。

因此,寻找能满足人工智能需求的半导体技术成为未来半导体行业的主要挑战。这也是半导体技术变革的主要方向之一。“算法必须借助芯片才能够运行,由于不同芯片在不同场景中的计算能力不同,算法的处理速度、能耗也就不同。在人工智能市场高速发展的今天,人们需要开发能够以更快速、更低能耗运行并且能适应人工智能工作量的芯片。”余定陆表示。

从材料工程做起提供解决方案

2018年11月,应用材料公司宣布,在纽约州奥尔巴尼的纽约州立大学理工学院,设立材料工程技术推动中心(Materials Engineering Technology Accelerator, META中心)。中心将配备公司最先进的工艺系统,以及新的芯片材料和结构所需的辅助技术,以方便在客户现场进行大批量试生产。预计于 2019 年开放的META中心将使得应用材料公司以新的方式与系统架构师、芯片设计人员和制造界合作,同时拓展该公司硅谷梅丹技术中心的综合实力。

在新闻稿中,应用材料公司总裁兼首席执行官盖瑞·狄克森指出:“实现人工智能和大数据的巨大潜能需要在端和云计算的性能、能耗和成本方面进行重大改进。半导体行业需要通过创新的材料和微缩方法实现新的计算架构和芯片。META中心创建了一个与客户合作的新平台,通过各方合作来加速从材料到系统的创新。”

应用材料中国公司首席技术官赵甘鸣博士进一步解释:“在人工智能时代,半导体制造工艺将变得日趋复杂,同时也将更加依赖创新的材料工程解决方案。为了在芯片的性能、功率和面积成本等方面达到必要的提升,行业需要一套技术‘新剧本’,包括开发新的芯片架构、开发芯片内的新3D结构、应用集成新的材料、开发缩小特征几何尺寸的新方法、采用先进封装技术等。而上述这些方面的改进,都需要材料工程的重大突破才能实现。这些也都是应用材料公司投入大量精力的发展方向。”

过去的10年,应用材料公司平均每年的研发投入约10亿美元,2018财年的研发投入达到了20亿美元。在不断投入的同时,应用材料公司也取得了一系列显著成果。2018年6月,应用材料公司宣布在材料工程应用方面取得重大突破,将大幅提升大数据和人工智能时代的芯片性能。

资料显示,过去半导体厂商根据经典的摩尔定律,微缩加工就可以改善芯片的性能、功耗和面积成本。但是随着线宽的不断微缩,现今诸如钨和铜之类的材料已无法在10nm节点以下进行微缩,因为它们的电学性能已达到晶体管通孔和本地互连的物理限制,这已经成为无法发挥FinFET器件全部性能的主要瓶颈。使用钴材料作为晶体管的接触和互联虽然可以消除这一瓶颈,但却需要在工艺系统上进行策略性的改变。随着业界将器件结构微缩到极限尺寸,材料的性能表现会有所不同,因而必须在原子层面系统地进行工程,这通常需要在真空环境下进行。

为了能够在晶体管接触和互联中使用钴作为新的导电材料,应用材料公司在Endura平台上整合了多个材料工程步骤,包括预清洁、PVD、ALD以及CVD。此外,应用材料公司还推出了一套集成的钴套件,其中包括Producer平台上的退火技术、Reflexion LK Prime CMP平台上的平坦化技术、PROVision平台上的电子束检测技术。芯片制造商可以使用这一经过验证的集成材料解决方案加快产品面市时间,并提高在7纳米节点及以下芯片的性能。

应用材料公司在中国

2018年,应用材料公司举办了半导体技术系列讲座,通过与复旦大学等中国国内知名学府开展学术合作,将产业实践与学术理论以深入浅出的方式向高校专业学生普及,加深学生对材料工程与先进工艺的认知。应用材料公司正持续帮助中国半导体行业寻找和培养未来的人才,而全球人才的发展是人工智能行业未来成长必须依靠的发展方向。

作为第一家进入中国市场的国际半导体设备公司,应用材料公司在中国发展的30余年里始终助力培养本土科技人才和推动科技教育发展。除上述高校技术系列讲座之外,应用材料公司还有多元化的人才培养和发展实践,包括在西安设立全球技术培训中心,该中心设有千余门行业专业课程,拥有百余名专家级讲师;针对高校优秀学子的新锐计划(New Star Program),旨在通过专业培训与活动,为行业注入新鲜活力;举办工程师“芯光大道”技术大赛,鼓励工程师提出技术创新与变革;对于青少年,长期支持上海科普教育发展基金会的“明日科技之星”项目,将人才培养与科教发展有机结合,助力提升青少年科技创新精神和实践能力。展望未来,应用材料公司将持续专注在材料工程的技术创新,继续携手学界、产业协会和政府,为全球高科技人才培养持续助力。

责任编辑:马利亚


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