北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心2篇论文入选VLSI 2023

近日，超大规模集成电路研讨会（Symposium on VLSI Technology and Circuits，简称VLSI）在日本京都成功举办。本次大会学院共有十余位优秀师生受邀参加，他们在会上与各国顶尖学者进行了充分的交流。

今年是北京大学国际战略年，学院将牢牢抓住后疫情时代国际交流重启的契机，积极承担推进学科国际化发展的使命，以包容、互惠、共赢为合作战略，加强国际科研协同创新，大力培养具有国际视野的集成电路优秀人才，努力提升中国集成电路的国际影响力。在本届VLSI大会上，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心有2篇高水平论文入选，向国际同行展示了相关方向的最新研究成果。

一、全数字同时多波束卫星通信芯片

多波束卫星通信与传统地面通信相比，具有可靠性高、覆盖面广、通信性能好等明显优势，对航海作业、科学考察、应对自然灾害及一般性战争冲突等具有重大意义。当前多波束卫星通信系统以数字波束赋形潜力最大，性能最好；然而，当前所报道的数字多波束发射系统大多数工作依然停留在基于分立元件实现的水平，体积庞大，功耗过高，难于配置，实用前景较差。

针对以上关键问题，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心廖怀林教授-刘军华副教授团队提出了面向Ka波段多波束卫星通信系统的数字发射机架构，在国际上首次实现了CMOS集成的全数字同时多波束发射阵列并完成演示。团队所提出的数字发射系统采用差相（Outphasing）架构，避免了难度极高的幅度数字化要求，且能够获得更好的功率/效率性能。在此基础上，课题组创新性地提出了基于倍频方案的Ka波段全数字差相发射机，由C波段数字相位调制器与四倍频器配合实现Ka波段全数字相位调制，极大地降低了数字相位调制器的设计难度且获得了更好的频谱性能。此外，芯片集成具备相位对准能力的全数字锁相环，在阵列实现上大大降低卫星通信系统的成本与复杂度。

该工作以“An All-Digital Outphasing Transmitter IC for Ka-Band Bit-to-RF Concurrent Multi-Beam DBF Array”为题发表，文章第一作者是北京大学集成电路学院博士生王栋，通讯作者廖怀林教授。

(a)全数字多波束芯片概念

(b)全数字多波束芯片显微照片与测试结果

图1 全数字同时多波束卫星通信芯片

二、集成电路先进制造的可靠性研究

随着集成电路先进工艺节点不断微缩，对器件良率和可靠性的要求越来越苛刻。在以往的研究中，CMOS器件中栅介质层击穿（TDDB）和晶体管自热（self-heating）的耦合效应没有得到重视，两者之间的失效机制尚不明确。

针对上述问题，北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心王润声教授团队与华东师范大学吴幸教授团队及上海交通大学纪志罡教授团队合作，基于16/14纳米先进工艺，通过尖端的表征技术，在原子尺度下揭示了FinFET器件自热和“开态TDDB”应力模式的耦合作用机理，并首次发现了开态TDDB模式的软击穿（SBD）会引发中段（MOL）金属互连电迁移（EM）的现象，同时进行了物理建模，以及相应的版图优化方案以抑制该效应，为集成电路先进制造的可靠性设计提供了依据。

该工作以“Catching the Missing EM Consequence in Soft Breakdown Reliability in Advanced FinFETs: Impacts of Self-heating, On-State TDDB, and Layout Dependence”为题发表，华东师范大学博士研究生董作院和北京大学博士研究生孙梓轩为论文共同第一作者，吴幸教授和王润声教授为论文共同通讯作者。

图2 论文工作框架

以上论文的相关研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助，以及国家集成电路产教融合创新平台、微纳电子器件与集成技术全国重点实验室、集成电路高精尖创新中心等单位的支持。

VLSI会议背景介绍

VLSI是超大规模集成电路和半导体器件领域里最顶尖的国际会议之一，是展现IC技术最新成果的重要窗口。该会议在国际集成电路/半导体器件的学术界以及工业界均享有很高的学术地位和广泛影响，会议文章不仅需要学术上的创新，更需要体现成果的产业价值和技术前沿性。每年英特尔（Intel）、IBM、三星（Samsung）、IMEC和台积电（TSMC）等国际知名半导体公司都在该会议上发布各自最新研究进展。2023年VLSI会议共收录工作200余项，其中产业界芯片成果占比达4成以上。