【半导体人要看看】胡正明教授亲传技术创新与研发难题解决

作者:电子创新网张国斌
编者注
本文源于海思和胡正明教授的交流,个人觉得对产业人是很有帮助就编辑成文发表出来,另外,本文还得到了胡正明教授的亲自斧正以及华为高管的指正,再次表示感谢!
美国东部时间2015年12月22日,2015年美国最高科技奖获奖名单公布,包括9名国家科学奖获得者(National Medal of Science)和8名国家技术和创新奖(NationalMedal of Technology and Innovation)获得者。其中美籍华人科学家胡正明荣获年度国家技术和创新奖。

美国“国家技术创新奖”(原名为“国家技术奖”),是为技术成就颁发的最高奖项,由美国总统授予国内杰出创新者。此奖项由史蒂文森·怀德勒技术创新法案(1980年,又称“技术创新法案”)设立,并于1985年颁发了第一枚奖章。2007年8月9日,美国总统签署了2007美国COMPETES(创造机会发挥技术、教育和科学优势)法案。该法案对“技术创新法案”的第16节进行了修正,将该奖章更名为“国家技术创新奖”。

能获得美国国家技术和创新奖章的都是在技术、材料、产品方面有特殊贡献的个人或者公司,例如苹果公司的史蒂夫•乔布斯和史蒂夫•沃兹尼亚克就获得过1985年度奖章,而杜比实验室创始人Ray Dolby获得过1997年度奖章。

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胡正明教授是鳍式晶体管(FinFET)技术的发明者,也是现在另一个主流工艺技术FD-SOI的发明者,他的发明造福众生,推动了半导体产业的发展,如今三星、台积电能做到14nm/16nm都依赖这项技术。他1947年出生于北京豆芽菜胡同,在台湾长大,后来考入加州大学伯克利分校。

在2015年11月的华为麒麟950的发布会上,胡正明教授曾现身VCR,据他介绍,FinFET的两个突破,一是把晶体做薄后解决了漏电问题,二是向上发展,晶片内构从水平变成垂直。这是他的VCR有兴趣的朋友可以围观一下。

在华为拍摄这个视频的时候,相关人员跟胡正明教授进行了深入的交流。在这次交流中,胡教授谈到了他是如何发明FinFET工艺的,以及作为半导体业者该如何布局技术,如何应对设计方面的挑战。这些真知灼见都是智慧的结晶,由于篇幅限制不能全部在视频里体现。这里我们将他精彩观点精选出,欢迎评论和交流。

1 知其然才能解决问题---以FinFET技术为例,如何解决半导体挑战?

胡正明: 90年中产业界很多人认为半导体技术走不到100纳米以下,不光是制造工艺的问题,很大的一个问题是说元件物理上有一个漏电的问题。元件做小到一定程度以后,没有办法把芯片的基本元素-晶体管-关闭,因此耗电量会很大。(90年代半导体行业的挑战)

我注意到漏电的原因是跟别人想的不一样,我就比别人早一点了解到基本的问题所在,因为知道这个问题所在,下一步就容易了。也就是说怎么解决问题,往往比了解问题所在是要容易一点的事情的。

我们做研究的人要注意一件事情,每做一件事情都要想想看要多少年以后可以被采用到,如果说原来的做法还勉强可以撑下去的时候,产业界常常是不会去做大的改变的,(个人点评:发现胡教授确实是高人啊,看透了产业发展的规律 )原因就是说这个行业用的投资实在太大了,一个半导体的代工厂,我们都晓得要几十亿美金的,所以为了要做FinFET,每一间公司都做了很大的投资,但是做了这个投资以后我想一直做到我们工艺的底大概都可以用FinFET的两个原则把它继续做下下去了。

一个就是要把晶体管做得很薄,要做得很薄才可以做得很小,这一点是以前没有看到的,第二就是一定要向上发展,不能够好像在城市里面不停地建平房来解决住房的问题,那是不可能的。到了某一个时间一定要做楼房了,这是一个很大的突破。

2 场景类比法解决问题....为什么要做薄?

胡正明: FinFET到底是什么样东西,可以这样去想它的,如果我们把这50年不停变化的半导体晶体管做一个比较, 每年做的晶体管是越来越小了,但是把它做一个横切面,用电子显微镜看看,你就会发现这50年来基本上设计是没有改变的。

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基本上就是左边有一个”源“,右边有一个“漏”,中间就是电流的通道,通道的上面有一个“栅”,这个栅控制电流能不能通过。电流的通过其实不是一个大问题,真正的问题在于你不要电流通过的时候,能不能把它关闭。

我来举一个例子吧,譬如说如果在花园草地上有一根塑料的水管,你想要把这个水管的水流堵绝(水流是电流的一个比方),如果这个水管很长的话,倒不很难,你搬一块大石头压在这个水管上,把它压扁了,大概水就不能够流过了。 如果水管越切越短,这个水管超短的时候反而是很难关闭的,因为没有位置加力量来把这个水管压扁了。如果我们要超短的水管能够很容易地关闭,一定要把水管做得很扁薄, 想想看我们用两个手指压捏着一根超扁薄的水管,就可以把漏水关闭了。

现在用块硅芯片上的一个晶体管来做比较,那么以前的做法就是说,源极在一边漏极在一边,栅极在中间的电流通道的上面 (也就是放石头压水管的位置),的确我们把源跟漏越做越近了,就是把水管越做越短。 但是电流可以流过的深度并没有把它做薄。 芯片还是做在相当厚硅晶圆上,不能够把硅晶圆改薄,再薄的话制造过程里面硅晶圆就太容易破裂了,可是我们真正需要电流通过的厚度,大约硅晶圆厚度的一万分之一。

我注意到这个问题就想到两全其美的解法,在芯片表面用光刻蚀刻的办法,做成一片一片垂直的,超扁薄的,好像鲨鱼背脊形状的晶体管。我给了它们一个名字-“鳍式晶体管(FinFET)”

光刻和蚀刻是半导体业界很熟悉的技术,可以做到二十个原子这么薄的FinFET,以后还有其它技术可以制作更薄更小的FinFET。

3 如何看待半导体产业发展前景?

胡正明: 其实实二十年前我的学生就问我,这行还有前途吗胡教授?是不是应该改行了?因为那时很多人都说看到了半导体产业发展极限。

FinFE证实了这个产业还有很多可以用我们的智慧来解决的问题,我还真是看不到半导体产业发的极限。我相信这个产业一百年后都会继续,原因很简单,第一,我们相信这个世界还会需要更多智慧器件,还会需要更多帮助我们人类生活进步的智慧技术。云端,大数据,机器人,都还是刚开始呢。

第二,除了半导体以外我看不到其它技术能够在未来50年取代半导体来达成这个任务。在这种情况下,一定还会有很多的挑战给我们在半导体业界的工作者来发挥我们的智慧才能去把世界变得更好。

4 自信很重要---业者如何提高自己自信?

胡正明: 我觉得我受益的一个是个性,第二个就是遇到了一些支持我的人。从个性方面来说我觉得我有自信,这个自信有些人觉得是生来就有的,那也许的确这样,可是我觉得这个自信也可以是自己培养起来的,培养 要多给自己一些成功的机会和经验。

把一些小事情做得好,你就要告诉自己这就是成功,像是写一个作业,有一题你觉得答得特别好,你就应该很高兴地夸奖自己。 我做学生的时候常常就有这样的经验,虽然说老师改卷子的时候,或者看作业的时候根本没注意到我写了一些有创意的想法,可是我就自己跟自己说,我真牛。 当然,心里有自信,对人还是要谦虚。

我很幸运,我的父亲常常夸奖我,譬如说在电影院看了电影回来,学电影里面讲句英文说,come on,yes,他就会说讲得很好,讲得很好,要多讲。我建议如果有人称赞你,你一定要把这个称赞放大,他称赞你一分你就想成十分,觉得这个是很大的成功!

如果说运气不是那么好,找不到称赞你的人,你就要自己称赞自己,一切就是慢慢的把自己的自信培养起。(这个和我们传统教育有点不一样啊

胡正明教授讲的真实案例故事

我给你讲个故事,过去二三十年,常常就有些公司因为我们在这儿研究做得好,特别是日本公司,就把一些工程师送到我的研究室来访问学习一年,要花很多人事费还要给我们研究经费才能够把一个工程师送到这儿来。

这些工程师到我们这儿来的时候都已经是公司选出来能力和经验很强的人,我和我的学生们从这些访问学者学到的远多过我们能教他们的。我就很纳闷,为什么公司要送这些人出来,而且这些人一年以后都觉得学到很多东西,回去以后表现也的确特别好。

后来我想通了,他们到这儿来看了以后自信心增强了----他们感觉到世界上最好的研究人员也不过就是这样,没什么人是比他聪明很多,没什么研究单位有更好的设备,要自信!这是我们研究成功秘方的一个重要成分。

我知道国内很多高校以及大公司的研究设备都比我们要好,人也很聪明,是能够做出好创新的!

5 研发要有高度不用太远

胡正明: 要把研发目标放得高,不见得要远,远这件事情常常是一个问题,事情做得太早也并不是很好的事。

譬如说我刚做加州大学教授的时候,1976年美国有一个很大的能源危机,所以虽然我在博士论文的课题是雷射通讯,我要做能源和节能方面的研究,我选了几个方向,一个是汽油电瓶两用车,也就是混和动力车,当时是光彩创新还上了加州最大的几个报纸。 可是因为那时电瓶技术实在不够好,当时的成果都被后来的新技术取代了。。(编者:到现在的2016年,混合动力车已是主流之一,这已经都过去了40年了)

所以创新的目标要高,就是用自己有限的资源时间最有用的创新,但不要太远。要实际地估计能有实用价值的时间点。

所以做研究要有高度但不要太远。

6 好主意怎么来?

胡正明: 从构想到实验总会遇到很多难题,我总觉得有办法做出好的结果,不过这并不表示每一个问题都能够解决,所以我跟我的学生说如果一个问题我们做了一段时间发现真正不能解决的时候,我们可以把问题改一改,我们这段时间一定是做出了一些新的成果,有些新的想法,我们这些想法,这些成果是不是可以换到另外一个问题上,解决另外一个问题呢?

所以我觉得我们只要把工夫放下去总是会有一些好处的,就是说一件东西做了会带到另外一件东西去(编者注:真实的案例可能是我们电子创新网做线下沙龙,这个沙龙是免费的,但是沙龙认识了某半导体公司的产品经理,闲聊中我们发现一个新的合作机会,胡教授的FinFET发明也有这个运气的成分,所以任何时候做比说好 ),其实我对Finfet这个想法的起源一开始是我晶体管可靠性的研究,可靠性里面很大的一个问题,就是晶体管上面的薄氧化硅层,能够做到多薄还能有足够的可靠性。

为什么这个问题重要呢?因为从我做学生的时候我就学到以下的想法,而且我很多年也教我的学生这个想法,就是说晶体管可以越做越小,唯一的条件就是要把氧化层越做越薄,只要能把氧化层越做越薄,晶体管就可以越做越小,因此我在90年的前一半花了很多时间就在研究氧化层可靠性的问题。

我们把氧化层的可靠性做出了一套物理模型,这样我们能够推测氧化层的寿命是五年还是十年还是二十年,这个技术现在业界还在用,在这个研究过程里面,我才注意到即使把氧化层做薄到几乎宁厚度,晶体管也做不到很小,原因就是刚才我用水管的例子说明的电流通道厚度的重要。那么反过来讲,有了FinFET这个办法,氧化层不必超薄也能制造很小的晶体管。

所以其实我们一开始在研究可靠性的问题,从可靠性研究想到了FinFET。所以变换问题是个不错的思路。这也是在学校里要学的广而不要太精的理由。

7 关于创新,兴趣与努力一样重要,要做就做到最好

胡正明: 还有一点我觉得很重要,就是我们要做创新,做研究的人一定要喜欢我们现在做的事情,不能觉得现在是勉强忍耐而报酬是在未来。 如果真是不喜欢现在做的事情,早一点转行还是比较好,在创新路上,基本所有的时间都在摸索,我们一定要喜欢当下的摸索, 我觉得只有这样的心态才能够带我们到成功的路。

这就好像我们去登山,譬如说我在2000年的时候去到了珠穆朗玛峰基地,当然到了基地,到了目的地我很高兴,但是我每一天都很高兴,不管是经过了一个村落,还是在路上看到了一只老鹰,这个都是我要很高兴的事情,我想这就是我们做这个科技的探索人,我们的幸运是每天可以学到一些新知识,每天都看到一些以前没看到的事情,这是在大多数其他行业里面没有的幸运。

有了这个心理准备以后,再去想反正我做什么创新研究都很有乐趣,那我想想看选一个什么题目,可以在以后五年十年里面能够让我的公司让产业界有一个新的突破,我想用这种想法去磨一把剑的话,五年不是长的时间,十年也不是长的时间。

8 摩尔定律终结怎么办?--关于回报和半导体未来

编者:工程师都无法回避一个现实问题就是报酬和回报的问题,即使再有兴趣做研发,也离不开现实,华为人为什么那么有狼性,是因为任正非设计了一套很好的报酬体系,尽可能让一个技术人员的付出 和回报公平化,那么,对于更多华为以外的工程师和研究人员,如何看待回报?看看胡正明教授怎么说?

胡正明: 我给我的学生总是这么说---其实这一行真正重要的是要做到最好,做到最好,你的报酬一定是高的。另外要看到这一行将来有没有长远的发展,我也晓得年轻人真正担心这件事,我觉得半导体再发展一个世纪都是可以的。

常常有些学生和年轻的工程师问我说,我们这个半导体产业将来的前途怎么样,不是摩尔定律要结束了吗?我跟他们说,会继续下去。原因很简单,知道这个原因我想你大概就会同意我的想法。

我们学校里面,又有化学家,又有物理学家,他们都看到了高科技需要半导体,他们也听到了摩尔定律要结束了,所以他们过去十几年都花了很多工夫都在想有什么办法来取代半导体。我有机会跟这些诺贝尔奖级化学教授、物理教授交流,我知道他们在想什么,跟他们谈过很多,我可以说没人能看到有其他任何东西可以取代半导体!但是他们看到很多可以帮半导体前进的东西。

既然不能够取代半导体,剩下来的问题就是半导体给世界的好处,是不是已经走到尽头了,还是说我们这个世界还需要半导体来做更多事情?

我的答案是我们的世界一定还需要更多更多智慧器件,这些智慧器件只有半导体能够在下个世纪给我们的世界,数字革命只是刚刚开始,智慧器件和数字革命,他们的基础都是半导体,既然没有其它的科技能够取代半导体来做数字功能和智慧器件的基础,那么我们这一行应有一百年的远景。 因为这个原因,我如果今天再重新选一行的话,我还是会选这一行,因为我觉得它还有很大的前途。

我觉得数字革命刚刚开始,世界的资源是有限的,要改进人类生活,一定要靠电子智慧。 我们最近在想把一个新功能放在FinFET上面,它只要5个纳米的新材料,我算了一下,如果把所有晶片上都加5纳米新材料的话,每年一共只要 1000公斤材料,就又可以有一场新的革命了!

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