近日，第67屆國際電子器件大會（IEDM 2021）以線下線上混合的形式召開，其中集成電路科學與未來技術bbin宝盈集团主任黃如院士團隊發表了7篇高水平學術論文，報道了團隊在後摩爾時代集成電路新器件技術的最新進展。黃如院士所在單位北京大學是本屆IEDM大會國際上錄用論文最多的高校（第一作者單位），這也是北京大學連續十五年在IEDM大會上發表論文。

面向後摩爾時代集成電路技術在邏輯、存儲和人工智能場景下的應用，黃如院士團隊取得了系統性創新成果，助力低功耗高能效智能晶片技術研發。相關內容簡介如下。

一、先進邏輯器件及可靠性研究

FinFET新結構器件這一里程碑式的技術是推進集成電路產業發展的關鍵，是14納米之後先進技術代的主流邏輯器件；在FinFET技術以後，未來3納米及以下的器件是圍柵（GAA）結構的堆疊納米片/納米線（stacked nanosheet/nanowire），並且1納米技術代以後可能會採用互補堆疊器件（CFET）結構。集成電路科學與未來技術bbin宝盈集团吳燕慶研究員、黃如院士課題組展示了基於單層二硫化鉬的堆疊圍柵納米片器件，實現了開態電流超過400μA/μm（@V_d=1V）或700 μA/μm（@V_d=2V），該結果遠超同類器件的文獻報道水平；並通過上百個器件的統計分析，顯示了該器件由三維集成和尺寸縮小帶來的性能提升；同時，首次報道了亞1納米溝道厚度的二硫化鉬/二硒化鎢CFET器件，實現了反相器邏輯功能。該工作以《Demonstration of Vertically-Stacked CVD Monolayer Channels: MoS₂ Nanosheets GAA-FET with I_on>700 μA/μm and MoS₂/WSe₂ CFET》為題發表, 北京大學集成電路學院博士後熊雄為第一作者，吳燕慶研究員為通訊作者。

進入FinFET時代以來，新結構和新材料的引入使得器件的熱載流子退化（HCI）日趨嚴重，成為限制器件可靠性的關鍵瓶頸之一。然而，傳統基於載流子機制的研究範式在納米尺度和FinFET結構遇到了巨大的挑戰。集成電路科學與未來技術bbin宝盈集团王潤聲副教授、黃如院士課題組另闢蹊徑，首次從缺陷產生機制的角度闡明了HCI的退化物理，解決了兩種載流子激發機制共存、無法統一的難題；提出了FinFET器件HCI退化的集約模型，利用不同位置缺陷去耦合表征，統一涵蓋了全電壓域的實驗結果；同時，在原子尺度，與中科院半導體所合作基於含時密度泛函理論（TDDFT）首次展現了多重振動激發機制斷裂矽氫鍵（Si-H bond）的動態物理過程；並且，前瞻性地研究了HCI和溫度偏壓不穩定性（BTI）的耦合退化等。上述成果為集成電路器件的退化機制提供了新的研究範式和新的發現，為先進工藝節點的可靠性設計提供了關鍵解決方案。王潤聲副教授應邀作了題為《Understanding Hot Carrier Reliability in FinFET Technology from Trap-based Approach》的特邀報告，受到廣泛關注。這是IEDM大會在四年內第二次邀請王潤聲副教授作特邀報告。

閃爍噪聲（flicker noise）對模擬/射頻集成電路設計具有重要影響。隨着器件尺寸縮小，特別是進入FinFET時代後，噪聲的特性發生了較大變化，並且噪聲的漲落越來越明顯，不容忽視，基於彈性隧穿理論的傳統模型無法完全解釋納米級器件中閃爍噪聲的特性。王潤聲副教授、黃如院士課題組首次提出了一種基於非彈性俘獲-釋放理論的集約模型，可以準確地描述FinFET器件中閃爍噪聲的統計特性，與多個技術代和不同偏置條件的實驗結果吻合良好，解決了先進電路設計中的統計噪聲仿真不準確的難題。該工作以《Physics-based Compact Modeling of Statistical Flicker Noise in FinFET Technology》為題發表，北京大學集成電路學院博士生劉明昊為第一作者，王潤聲副教授為通訊作者。

二、新型存儲器研究

氧化鉿基的鐵電存儲器FeFET具有高速、低功耗、高集成潛力等優勢，在嵌入式存儲和存內計算領域有很大應用潛力。但是目前FeFET的瓶頸問題在於其耐久性較差（通常<10⁵），因此要實現FeFET在先進存儲和計算中的應用，必須提高其耐久特性。集成電路科學與未來技術bbin宝盈集团唐克超研究員、黃如院士課題組首次提出了一種基於反鐵電氧化鋯和IGZO溝道的新型高耐久性FeFET。通過將反鐵電氧化鋯替換鐵電鉿鋯氧材料，並結合適當功函數的金屬提供內建電場，使矯頑電壓減半，降低操作電壓並提升器件耐久特性；同時結合氧化物半導體溝道IGZO，消除界面層，降低退極化場，進一步降低操作電壓，維持器件的保持特性以及存儲窗口，從而綜合優化了FeFET的存儲性能。製備得到的新型FeFET工作電壓小於2V，耐久性提升至10⁹，保持特性大於10年，處於國際領先水平。研究成果對高耐久性的FeFET提供了關鍵指導，為FeFET的非易失存儲應用奠定了重要的器件基礎。該工作以《A Novel High-Endurance FeFET Memory Device based on ZrO₂ Anti-Ferroelectric and IGZO Channel》為題發表，北京大學集成電路學院博士生梁中新為第一作者，唐克超研究員、黃如院士為通訊作者。

磁隨機存儲器（MRAM）是利用電子自旋進行信息存儲的新一代存儲技術，具有非易失、存儲密度高、響應速度快和能耗低等優點。隨着器件尺寸微縮和集成密度增加，MRAM面臨着寫入電流大、熱穩定性差、讀誤碼率高等挑戰。解決上述問題的關鍵，是要求MRAM結構中核心的磁隧道結（MTJ）同時具備高磁各向異性、低阻尼係數、大隧穿磁阻。王潤聲副教授、黃如院士課題組圍繞MTJ工作原理，基於第一性原理計算對MTJ從材料層面到器件層面進行了綜合探究，提出了隧穿層和鐵磁層的材料設計方案、界面勢壘調控以及器件性能優化方案。研究發現，相對於傳統鐵磁材料，使用二維鐵磁材料Fe₃GeTe₂（FGT）在顯著提高隧穿磁阻的同時、每層FGT都表現出很高的垂直磁各向異性，利用FGT層數的變化即可實現磁各向異性的調控；採用強自旋軌道耦合的隧穿層可實現高達1000%以上的隧穿磁電阻。上述發現為實現高存儲密度和增強熱穩定性的MRAM技術提供了新的思路和重要指導。該工作以《Design Guidelines of Magnetic Tunnel Junctions with Two-dimensional Tunneling Barrier Layer: Atomistic Simulation Study from Material to Device》為題發表，北京大學集成電路學院博士後馬曉雷為第一作者，王潤聲副教授為通訊作者。

三、人工智能器件及應用研究

傳統的馮諾依曼計算架構受自身內存牆瓶頸的限制，難以滿足邊緣端海量數據處理和智能任務的需求。受人腦啟發，基於非易失器件構建的高度並行的存內計算架構，通過加速神經網絡中主導的乘累加運算能有效提高對智能任務的處理效率。然而，電壓域模擬信號計算要求較高的工作電壓來保證電壓幅度信號的動態範圍，同時需要高功耗數據轉換電路。黃如院士、黃芊芊研究員課題組首次提出並實現了基於鐵電電晶體的時間域非易失存內計算系統，具備數字電路兼容和電壓縮放的優勢，顯著提升了計算能效。基於製備的三端Fe-FinFET器件，利用其自發極化和可控開關特性分別實現了非易失權重存儲功能和神經網絡輸入的調製功能；提出的新型多值延時調製單元完成時間域局部乘運算和雙邊沿運算僅需要三個電晶體，而傳統CMOS實現方案至少需要十九個電晶體，極大降低了面積和能耗開銷；此外，利用鐵電動態極化翻轉特性，僅採用單個鐵電電晶體實現了具備記憶軌跡的激活函數；並且進一步演示了基於所設計的時間域延時調製單元和激活函數構成的非易失存內計算系統在高精度模式識別和連續強化學習中的應用潛力，獲得了迄今報道的最高面積效率和能效。上述工作為高集成度、高能效的邊緣端機器學習計算晶片奠定了重要的器件基礎。該工作以《Energy- and Area-Efficient Fe-FinFET-based Time-Domain Mixed-Signal Computing In Memory for Edge Machine Learning》為題發表，北京大學集成電路學院博士生羅金為第一作者，黃如院士、黃芊芊研究員為通訊作者。

不確定性量化可以大量減少優化與決策過程中的不確定性，已經被成功應用於投資、醫療診斷、天氣預測、國防軍事等諸多研究領域。當前主要依靠以深度學習為主的人工智能算法來處理實際應用中的不確定性，但傳統的馮諾依曼架構導致系統處理不確定性量化相關的任務效率低下。為此，集成電路科學與未來技術bbin宝盈集团楊玉超研究員、黃如院士課題組提出並實現了面向不確定性量化問題的存算一體化系統，首次結合相變存儲器（PCM）的多值特性和內在隨機性有效地實現了不確定性量化。課題組將相變存儲器的多值和隨機特性分別作為不確定性量化神經網絡中卷積層和隨機層的權重，其中器件的內在隨機性被用於有效地捕捉不確定性；通過改變相變存儲器加熱電極的尺寸來控制相變體積，能夠有效地控制器件的電導漂移、漲落、電導線性度等屬性以適應不確定性量化應用；實驗結果表明，該系統能夠在保持分類、誤分類準確率的基礎上，顯著提高分佈外檢測（OOD）的準確率，與GPU相比在時間效率和能量效率上分別提高了557倍和1730000倍，證明了該系統在高效不確定性量化應用方面的潛力。該工作以《Uncertainty Quantification based on Multilevel Conductance and Stochasticity of Heater Size Dependent C-doped Ge₂Sb₂Te₅ PCM Chip》為題發表，北京大學集成電路學院博士生閆龍皞為第一作者，楊玉超研究員、黃如院士與上海微系統所宋志棠研究員為通訊作者。

以上論文的相關研究工作得到了國家基金委創新群體、國家重點研發計劃、國家傑出青年基金、高等學校學科創新引智計劃等項目的資助，以及北京大學微米/納米加工技術國家級重點實驗室、集成電路科學與未來技術bbin宝盈集团、微電子器件與電路教育部重點實驗室等基地平台的支持。

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  國際電子器件大會（IEDM）是集成電路器件領域的頂級會議，在國際半導體技術界享有很高的學術地位和廣泛的影響力，被譽為「器件的奧林匹克盛會」。該會議主要報道國際半導體技術方面的最新研究進展，是著名高校、研發機構和產業界領先企業如英特爾、IBM、TSMC等報告其最新研究成果和技術突破的主要平台之一。集成電路領域的許多重大技術突破都是通過該會議正式發佈的。