IEEE授勋胡正明：为摩尔定律续命几十年的男人
本文来自微信公众号：芯东西（ID：aichip001），作者：董温淑，题图来自：智东西
智东西4月22日消息，就在上个月，国际电气与电子工程学会理事会宣布，授予国际电气与电子工程学会终身Fellow胡正明教授2020年度IEEE荣誉勋章（IEEE Medal of Honor），以表彰他在半导体模型开发和应用方面做出的杰出贡献。
IEEE荣誉勋章始于1917年，每年评选出一位对半导体产业有重大贡献的科学家，仅1965年和1976年出现过空缺，至今共有102位科学获得荣誉勋章。
在胡正明之前，还有两位华人获得过IEEE荣誉勋章，分别是1994年的卓以和与2011年的张忠谋。
IEEE荣誉勋章评审委员会称：摩尔定律推动了半导体行业的惊人发展，从而改变了世界。但是很明显，器件极限将终结器件尺寸的不断缩小。胡正明革命性的3D晶体管结构FinFET克服了这些极限障碍，取代了在过去的五十年中一直在工业上使用的CMOS晶体管。他的用于电路设计的BSIM晶体管模型已成为行业标准，并且他的BERT可靠性仿真工具具有非常先进的器件和电路可靠性。
今年的IEEE荣誉勋章将于5月15日在年度IEEE荣誉典礼上正式颁发，这里，我们回溯3D晶体管的历史故事，看这位杰出的华人科学家如何为摩尔定律“续命”数十年。
胡正明
胡正明：洞悉晶体管3D结构
1975年，英特尔公司创始人Gordon Earle Moore提出了“摩尔定律”，预言集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔两年会增加一倍。从那时起往后20年，半导体行业一直遵照这一定律迅猛发展，直到1995年。
其时晶体管尺寸达到了358nm，逼近100nm。业界认为这可能预示着晶体管尺寸的极限即将到来，半导体行业的黄金发展时期濒临结束。
美国政府对此感到担忧。国防高级研究计划局（DARPA）因此启动了一个名为“25nm开关（25-nm Switch）”的计划，试图提升芯片容纳晶体管数目的上限。
时任加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学教授的胡正明接受了挑战，提出了鳍式场效晶体管（FinFET，Fin Field-effect transistor）方案：用垂直方法铺设电流通道、使其突出于芯片表面。
这一方案把摩尔定律的效期延长了几十年。
1969年，胡正明入学加州大学伯克利分校，加入了一个主攻金属-氧化物半导体（MOS）晶体管方向的研究小组。这是他在半导体研究领域迈出的第一步。之后几年，他还有过光学电路、低成本太阳能电池的研究经历。
1976年，胡正明受聘担任加州大学伯克利分校能源领域教授，自此开始在半导体领域的深耕。当时美国在能源领域的学术拨款紧缩，于是胡正明转向参加企业项目。
他认为，在企业工作的经历帮助他更好地理解了晶体管的3D结构。“在业界工作对我产生了长期的影响……当我把目光转向工业，我发现这里存在着有趣的问题。”他说。
据了解，场效应管（FET）有4个组成部分：源极（source）、漏极（drain）、源极漏极之间的传导管道、控制通道中电流流动的栅极（gate）。
1983年，胡正明通过IBM的一篇论文了解到，随着晶体管组件的尺寸变小，晶体管的性能会随着长期的使用而改变。但是这种变化并不会在短期的研究中显露出来，也很难被预测。
为了弄清楚这个过程，胡正明和学生组成研究小组，设计了一个定量模型，利用热载流子注入效应（hot-carrier-injection theory）来预测MOS晶体管的可靠性。
之后，他还研究了半导体的氧化物层随时间分解带来的可靠性问题。
最终，胡正明及其团队研究出了伯克利可靠性工具BERT和晶体管模型BSIM。通过这些研究，胡正明洞悉了晶体管的3D结构，为之后FinFET的研究奠定了基础。
FinFET：垂直铺设传导管道，开启3D晶体管时代
20世纪90年代中期，进一步缩小晶体管尺寸迎来了技术瓶颈。就如当时在IBM研究所工作的刘易斯·特曼（Lewis Terman）所说：“摩尔定律的终结就在眼前。”
主要的技术壁垒是电力问题。随着组件尺寸变小，当晶体管处于“关闭”状态时，电流很容易泄漏出来，这一现象造成了芯片的额外功耗。
胡正明解决这一问题的思路是制造非常细的传导管道，用以防止电子通过栅极。
第一版方案通过减小栅极的氧化层厚度达到目的。但胡正明发现，如果氧化层过薄，电子就会穿过它进入硅衬底，造成另一种泄露。
因此，胡正明又提出了另外两个解决方案：
第一种方法是在晶体管下面的硅基底上加一个绝缘层，阻止电子溜出栅极，这种方法被称为全耗尽型绝缘体上硅（FDSOI，fully depleted silicon-on-insulator）；
第二种方法是在硅基底上方垂直布设细传导通道，使栅极能够更好地控制电子流动。这种方法中，传导通道像鲨鱼鳍一样排列，栅极可以三面环绕通道，而不是仅仅位于通道上方。这种方法就是鳍式场效晶体管（FinFET）。
FinFET通过垂直利用空间解决了进一步晶体管尺寸的技术壁垒，开启了3D晶体管时代。据了解，类似FinFET的想法此前曾在论文中被描述过，但只有胡正明的团队提出了可实现的方案。
他说：“其他读过论文的人并不认为这是一个解决方案，因为它很难建造，而且效果未知……我认为我们的区别在于，我们想完成这个方案，而不是再写一篇论文或得到拨款，我们想帮助这个行业，我们认为必须保证摩尔定律持续运行。”
FinFET、FDSOI均得到广泛使用
2000年，胡正明及其团队设计出了可工作的设备，这一成果引起了业界的广泛兴趣。2011年，英特尔开始利用FinFET方案生产晶体管。
对于中间这10年的停滞，胡正明认为是因为原来的铺设组件方法还没有达到晶体管尺寸的上限。他说：“它还没有被打破，人们以为它快被打破了，但你永远无法修复还没有坏掉的东西。”
尽管如此，DARPA的“25nm开关”计划仍被认为是有远见的。晶体管尺寸发展到25nm以下后，FinFET方案发挥了巨大的作用。
目前，胡正明提出的两种方案都得到了广泛使用。FinFET方案主导着处理器行业，FDSOI被使用于光学、射频器件等工业领域。
结语：摩尔定律仍有希望再延长
直到今天，仍有人不断给出对摩尔定律终结的预测。对此，胡正明表示将继续深入研究，目前他仍旧以荣誉教授的身份与学生一起工作。
他说：“仍然有改善电路密度、功耗、速度的方法，我们可以期待半导体行业继续为人们提供越来越多有用、方便、便携的设备。我们只是需要更多创造力和信心。”
来源：IEEE Spectrum
本文来自微信公众号：芯东西（ID：aichip001），作者：董温淑
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