積微致著 為微電子發(fā)展砥礪前行

楊樹森

集成電路發(fā)展迅速，微電子知識(shí)日新月異，北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院蔡一茂在微電子領(lǐng)域十幾年的研究生涯中，一直以導(dǎo)師王陽元院士、黃如院士為榜樣，把發(fā)展我國集成電路事業(yè)和微電子學(xué)科作為自己的責(zé)任和不懈追求的目標(biāo)。他說，未名湖畔，潛心科研，教書育人，是他追求的理想生活。

只爭朝夕，為祖國微電子發(fā)展歸來

2009年以前，蔡一茂在韓國三星總公司存儲(chǔ)及研發(fā)中心做閃存技術(shù)的研究。蔡一茂說，在三星的這段工作經(jīng)歷，開拓了自己在微電子，特別是存儲(chǔ)器領(lǐng)域的眼界，并在存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)方面積累了一些有益經(jīng)驗(yàn)。

2009年，蔡一茂回到北京大學(xué)，對(duì)于歸國的理由，他說：國家越來越重視微電子與集成電路的發(fā)展，回國可以更好地為國家的微電子發(fā)展盡一點(diǎn)綿薄之力，同時(shí)對(duì)于自己個(gè)人的發(fā)展也有無限機(jī)遇。為什么選擇回到北京大學(xué)？一是因?yàn)樵谖㈦娮友芯款I(lǐng)域里北京大學(xué)是國內(nèi)做得最好的，而且北京大學(xué)微電子和國內(nèi)集成電路企業(yè)有著長期和成功的產(chǎn)學(xué)研合作，蔡一茂希望加入到這個(gè)優(yōu)秀的平臺(tái)；二是北京大學(xué)是蔡一茂的母校，對(duì)北京大學(xué)他有著一份特殊的情感：他的導(dǎo)師王陽元院士高屋建瓴的戰(zhàn)略眼光，黃如院士淵博的知識(shí)和一大批老師對(duì)微電子領(lǐng)域研究懷有的滿腔熱情，讓他深受感染，他想和同事們一起為國家微電子領(lǐng)域的發(fā)展做不懈努力。

回國以后的蔡一茂對(duì)以RRAM（Resitance Random Acess Memory，阻變存儲(chǔ)器）為代表的先進(jìn)存儲(chǔ)器進(jìn)行了研究。“中國的存儲(chǔ)器大部分依靠進(jìn)口，在這塊領(lǐng)域雖然國家有布局，但是總體來說我們國家的技術(shù)，特別是產(chǎn)業(yè)研發(fā)方面還處在落后位置。”

目前，我國關(guān)于電子產(chǎn)品的進(jìn)口總額已經(jīng)超過石油進(jìn)口總量，每年進(jìn)口費(fèi)用以千億來計(jì)算。光是非易失存儲(chǔ)芯片在我國每年有約2200億元的市場總額，而現(xiàn)階段我國的自主產(chǎn)業(yè)幾乎是空白。國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020）更是明確指出要把“突破制約信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，掌握集成電路及關(guān)鍵元器件等核心技術(shù)”作為發(fā)展思路。對(duì)大量信息的高效安全的存儲(chǔ)和獲取成為信息系統(tǒng)最重要的功能之一，大規(guī)模非易失存儲(chǔ)器集成電路是支撐我國網(wǎng)絡(luò)通信、高性能計(jì)算和數(shù)字應(yīng)用、消費(fèi)電子等電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)，也是制約我國微電子產(chǎn)業(yè)全面平衡發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。

“現(xiàn)有存儲(chǔ)器技術(shù)尤其是非易失存儲(chǔ)器技術(shù)在尺寸縮小、操作電壓和功耗、集成工藝、可靠性、電路設(shè)計(jì)等方面面臨著物理和技術(shù)上的限制，這些限制成為存儲(chǔ)器技術(shù)乃至整個(gè)微電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。為了應(yīng)對(duì)日益發(fā)展的信息社會(huì)對(duì)海量、高速及安全存儲(chǔ)的需求，亟需發(fā)展新型存儲(chǔ)技術(shù)。RRAM具有制備簡單、擦寫速度快、存儲(chǔ)密度高以及高可靠性并和主流CMOS工藝兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，成為極具應(yīng)用潛力的新型存儲(chǔ)器。”

RRAM是近些年興起的新型不揮發(fā)存儲(chǔ)技術(shù)，具有單元尺寸小、速度快、功耗低、工藝及器件結(jié)構(gòu)簡單和可嵌入功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是國際上公認(rèn)的下一代存儲(chǔ)器技術(shù)的有力競爭者之一。存儲(chǔ)單元和陣列架構(gòu)是存儲(chǔ)器芯片的核心技術(shù)，也是新型存儲(chǔ)器技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)，蔡一茂對(duì)RRAM存儲(chǔ)陣列的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行了研究，并且主持了科技部“863”相關(guān)課題。

蔡一茂說，他的這一研究適于大規(guī)模生產(chǎn)RRAM存儲(chǔ)陣列設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案。在研究中，蔡一茂針對(duì)嵌入式及大容量獨(dú)立式存儲(chǔ)兩種應(yīng)用，根據(jù)RRAM存儲(chǔ)單元讀寫操作的特點(diǎn)，研究存儲(chǔ)陣列和物理結(jié)構(gòu)布局，提高良率、減小芯片面積，以降低存儲(chǔ)芯片成本。

對(duì)RRAM的存儲(chǔ)陣列架構(gòu)、陣列所需的選擇管技術(shù)、CMOS工藝兼容的集成技術(shù)及陣列模型和電路模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)是蔡一茂研究的重難點(diǎn)。在這些重難點(diǎn)攻克過程中，蔡一茂一直注重具有產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)研究。比如在材料考慮上，選擇和CMOS工藝兼容的過渡金屬氧化物或二元氧化物作為阻變單元材料和選擇管的材料。“對(duì)材料的選擇是成功的第一步，選擇對(duì)的材料能夠保證將來規(guī)模量產(chǎn)時(shí)的可行性。”接下來則是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，蔡一茂采用新結(jié)構(gòu)器件來抑制漏電，比如，提出可用于三維高密度集成的自隔離器件結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，蔡一茂說，根據(jù)不同的應(yīng)用，可以在集成工藝難度、集成密度及可靠性之間取得較好的平衡。

為了達(dá)到大規(guī)模的生產(chǎn)RRAM存儲(chǔ)器，除了在材料、結(jié)構(gòu)上要進(jìn)行仔細(xì)挑選與設(shè)計(jì)外，在RRAM存儲(chǔ)陣列單元的操作和失效機(jī)理、陣列中的電路模塊設(shè)計(jì)方面也要進(jìn)行深入研究。為此，蔡一茂系統(tǒng)研究了RRAM各材料層中的界面情況對(duì)陣列中存儲(chǔ)單元性能的影響；分析RRAM的失效機(jī)制，研究器件縮小時(shí)RRAM陣列中存儲(chǔ)單元之間的串?dāng)_問題；借助先進(jìn)的材料表征方法研究陣列中存儲(chǔ)單元阻變過程。為獲得能提高RRAM可靠性的操作方式的優(yōu)化方案，蔡一茂專門研究操作方式對(duì)陣列中存儲(chǔ)單元及選擇管的影響。在集成電路設(shè)計(jì)這塊，蔡一茂根據(jù)存儲(chǔ)單元陣列的架構(gòu)和操作特性，對(duì)陣列中存在的串?dāng)_進(jìn)行分析，優(yōu)化控制方法以及操作電壓等，通過可調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)計(jì)提高電路設(shè)計(jì)的靈活性。

“以上方面的研究能為實(shí)現(xiàn)大容量的存儲(chǔ)芯片打下基礎(chǔ)，推動(dòng)RRAM的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。”蔡一茂欣然地對(duì)記者說道。當(dāng)記者問起在這項(xiàng)研究中遇到哪些困難時(shí)，蔡一茂只笑笑說：“認(rèn)真做好每一件事，把一些大的困難做一些分解，然后各個(gè)擊破，困難也就解決了。”笑迎前進(jìn)路上的困難，萬里征程，就如策馬平川，目前蔡一茂已經(jīng)在相關(guān)技術(shù)上獲得中國發(fā)明專利授權(quán)近40項(xiàng)，美國發(fā)明專利授權(quán)10余項(xiàng)，部分專利已經(jīng)授權(quán)給我國大陸地區(qū)最大的集成電路制造企業(yè)——中芯國際集成電路制造公司。

力學(xué)不倦，跟隨時(shí)代前進(jìn)的步伐

為了適應(yīng)下一代電子產(chǎn)品的便攜性、形狀可變形、人體實(shí)用性等方面的需求，可延展柔性電子技術(shù)成為全球電子產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注的新焦點(diǎn)。“柔性電子系統(tǒng)可以卷曲或伸縮，可以覆蓋任意曲面或者可移動(dòng)部件，這大大擴(kuò)展了電子系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。柔性電子系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如射頻識(shí)別、智能標(biāo)簽、電子顯示（電子紙張、可卷式顯示器）、生物及醫(yī)學(xué)應(yīng)用（電子皮膚、生物傳感器、柔性血壓計(jì)）以及光電領(lǐng)域等。然而柔性電子系統(tǒng)離不開信息的存儲(chǔ)和讀取，因此柔性存儲(chǔ)器近來成為研究的熱點(diǎn)。”

目前，有機(jī)存儲(chǔ)器件的研究仍然處于初級(jí)階段，在實(shí)用化和商業(yè)化的道路上還有很多問題亟待解決，各種報(bào)道主要還是集中在實(shí)現(xiàn)基本存儲(chǔ)功能層面，綜合性能還比較差。在國家自然基金項(xiàng)目“超低功耗柔性聚合物RRAM”的支持下，蔡一茂對(duì)柔性聚合物RRAM的功耗瓶頸問題進(jìn)行了新的探索。

在該項(xiàng)目中，蔡一茂通過parylene聚合物材料結(jié)構(gòu)、制備及其改性技術(shù)的創(chuàng)新研究，結(jié)合RRAM器件新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電極材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低柔性聚合物RRAM器件的操作電流和電壓，從而降低功耗，并提高其速度、可靠性和均勻性等綜合性能。可以和CMOS工藝兼容的超低功耗材料改性技術(shù)是蔡一茂要解決的關(guān)鍵問題，他說，對(duì)材料改性技術(shù)研究的突破并結(jié)合器件新結(jié)構(gòu)和電極材料優(yōu)化，可以調(diào)控聚合物材料中的缺陷/陷阱數(shù)量、改變陷阱的形成能等重要參數(shù)特性，從而控制引起阻變所需的電流和電壓、降低功耗。并且通過材料改性與器件新結(jié)構(gòu)的結(jié)合，引導(dǎo)缺陷的生長區(qū)域和載流子輸運(yùn)途徑，從而提高器件的均勻性等重要特性。

“這種基于CMOS平臺(tái)，面向超低功耗應(yīng)用的柔性parylene聚合物RRAM材料及器件技術(shù)相關(guān)研究屬于柔性RRAM技術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新機(jī)遇。對(duì)研制低成本、超低功耗及高性能的柔性RRAM存儲(chǔ)技術(shù)具有重要意義，也為柔性電子的研究和應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。”

中國微電子發(fā)展的道路還很長，需要攻克的難關(guān)也還很多。在微電子研究上，蔡一茂始終以恩師為榜樣，奮斗不息。在做好科研工作的同時(shí)，蔡一茂說，他還要為國家微電子領(lǐng)域培養(yǎng)更多的人才，與更多致力于微電子學(xué)科發(fā)展的年輕人一起成長，堅(jiān)持夢(mèng)想，不忘初心。