積微致著 為微電子發展砥礪前行
——記北京大學微納電子學研究院教授蔡一茂

本刊記者 楊樹森

積微致著 為微電子發展砥礪前行
——記北京大學微納電子學研究院教授蔡一茂

本刊記者 楊樹森

集成電路發展迅速，微電子知識日新月異，北京大學微納電子學研究院蔡一茂在微電子領域十幾年的研究生涯中，一直以導師王陽元院士、黃如院士為榜樣，把發展我國集成電路事業和微電子學科作為自己的責任和不懈追求的目標。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，為祖國微電子發展歸來

2009年以前，蔡一茂在韓國三星總公司存儲及研發中心做閃存技術的研究。蔡一茂說，在三星的這段工作經歷，開拓了自己在微電子，特別是存儲器領域的眼界，并在存儲器產業技術研發方面積累了一些有益經驗。

2009年，蔡一茂回到北京大學，對于歸國的理由，他說：國家越來越重視微電子與集成電路的發展，回國可以更好地為國家的微電子發展盡一點綿薄之力，同時對于自己個人的發展也有無限機遇。為什么選擇回到北京大學？一是因為在微電子研究領域里北京大學是國內做得最好的，而且北京大學微電子和國內集成電路企業有著長期和成功的產學研合作，蔡一茂希望加入到這個優秀的平臺；二是北京大學是蔡一茂的母校，對北京大學他有著一份特殊的情感：他的導師王陽元院士高屋建瓴的戰略眼光，黃如院士淵博的知識和一大批老師對微電子領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域的發展做不懈努力。

回國以后的蔡一茂對以RRAM（Resitance Random Acess Memory，阻變存儲器）為代表的先進存儲器進行了研究。“中國的存儲器大部分依靠進口，在這塊領域雖然國家有布局，但是總體來說我們國家的技術，特別是產業研發方面還處在落后位置。”

目前，我國關于電子產品的進口總額已經超過石油進口總量，每年進口費用以千億來計算。光是非易失存儲芯片在我國每年有約2200億元的市場總額，而現階段我國的自主產業幾乎是空白。國家中長期科技發展規劃綱要（2006－2020）更是明確指出要把“突破制約信息產業發展的核心技術，掌握集成電路及關鍵元器件等核心技術”作為發展思路。對大量信息的高效安全的存儲和獲取成為信息系統最重要的功能之一，大規模非易失存儲器集成電路是支撐我國網絡通信、高性能計算和數字應用、消費電子等電子信息產業發展的核心技術，也是制約我國微電子產業全面平衡發展的關鍵瓶頸之一。

“現有存儲器技術尤其是非易失存儲器技術在尺寸縮小、操作電壓和功耗、集成工藝、可靠性、電路設計等方面面臨著物理和技術上的限制，這些限制成為存儲器技術乃至整個微電子產業進一步發展的瓶頸。為了應對日益發展的信息社會對海量、高速及安全存儲的需求，亟需發展新型存儲技術。RRAM具有制備簡單、擦寫速度快、存儲密度高以及高可靠性并和主流CMOS工藝兼容性好等優點，成為極具應用潛力的新型存儲器。”

RRAM是近些年興起的新型不揮發存儲技術，具有單元尺寸小、速度快、功耗低、工藝及器件結構簡單和可嵌入功能強等優點，是國際上公認的下一代存儲器技術的有力競爭者之一。存儲單元和陣列架構是存儲器芯片的核心技術，也是新型存儲器技術研發的基礎，蔡一茂對RRAM存儲陣列的設計和優化進行了研究，并且主持了科技部“863”相關課題。

蔡一茂說，他的這一研究適于大規模生產RRAM存儲陣列設計及優化方案。在研究中，蔡一茂針對嵌入式及大容量獨立式存儲兩種應用，根據RRAM存儲單元讀寫操作的特點，研究存儲陣列和物理結構布局，提高良率、減小芯片面積，以降低存儲芯片成本。

對RRAM的存儲陣列架構、陣列所需的選擇管技術、CMOS工藝兼容的集成技術及陣列模型和電路模塊進行設計是蔡一茂研究的重難點。在這些重難點攻克過程中，蔡一茂一直注重具有產業化前景的技術研究。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。“對材料的選擇是成功的第一步，選擇對的材料能夠保證將來規模量產時的可行性。”接下來則是在結構設計方面，蔡一茂采用新結構器件來抑制漏電，比如，提出可用于三維高密度集成的自隔離器件結構。這樣的結構設計，蔡一茂說，根據不同的應用，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。

為了達到大規模的生產RRAM存儲器，除了在材料、結構上要進行仔細挑選與設計外，在RRAM存儲陣列單元的操作和失效機理、陣列中的電路模塊設計方面也要進行深入研究。為此，蔡一茂系統研究了RRAM各材料層中的界面情況對陣列中存儲單元性能的影響；分析RRAM的失效機制，研究器件縮小時RRAM陣列中存儲單元之間的串擾問題；借助先進的材料表征方法研究陣列中存儲單元阻變過程。為獲得能提高RRAM可靠性的操作方式的優化方案，蔡一茂專門研究操作方式對陣列中存儲單元及選擇管的影響。在集成電路設計這塊，蔡一茂根據存儲單元陣列的架構和操作特性，對陣列中存在的串擾進行分析，優化控制方法以及操作電壓等，通過可調節參數的設計提高電路設計的靈活性。

“以上方面的研究能為實現大容量的存儲芯片打下基礎，推動RRAM的大規模生產和應用。”蔡一茂欣然地對記者說道。當記者問起在這項研究中遇到哪些困難時，蔡一茂只笑笑說：“認真做好每一件事，把一些大的困難做一些分解，然后各個擊破，困難也就解決了。”笑迎前進路上的困難，萬里征程，就如策馬平川，目前蔡一茂已經在相關技術上獲得中國發明專利授權近40項，美國發明專利授權10余項，部分專利已經授權給我國大陸地區最大的集成電路制造企業——中芯國際集成電路制造公司。

科研團隊合影

力學不倦，跟隨時代前進的步伐

為了適應下一代電子產品的便攜性、形狀可變形、人體實用性等方面的需求，可延展柔性電子技術成為全球電子產業界與學術界關注的新焦點。“柔性電子系統可以卷曲或伸縮，可以覆蓋任意曲面或者可移動部件，這大大擴展了電子系統的應用范圍。柔性電子系統應用領域廣泛，如射頻識別、智能標簽、電子顯示（電子紙張、可卷式顯示器）、生物及醫學應用（電子皮膚、生物傳感器、柔性血壓計）以及光電領域等。然而柔性電子系統離不開信息的存儲和讀取，因此柔性存儲器近來成為研究的熱點。”

目前，有機存儲器件的研究仍然處于初級階段，在實用化和商業化的道路上還有很多問題亟待解決，各種報道主要還是集中在實現基本存儲功能層面，綜合性能還比較差。在國家自然基金項目“超低功耗柔性聚合物RRAM”的支持下，蔡一茂對柔性聚合物RRAM的功耗瓶頸問題進行了新的探索。

在該項目中，蔡一茂通過parylene聚合物材料結構、制備及其改性技術的創新研究，結合RRAM器件新結構設計和電極材料的設計優化，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是蔡一茂要解決的關鍵問題，他說，對材料改性技術研究的突破并結合器件新結構和電極材料優化，可以調控聚合物材料中的缺陷/陷阱數量、改變陷阱的形成能等重要參數特性，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構的結合，引導缺陷的生長區域和載流子輸運途徑，從而提高器件的均勻性等重要特性。

“這種基于CMOS平臺，面向超低功耗應用的柔性parylene聚合物RRAM材料及器件技術相關研究屬于柔性RRAM技術研究的前沿和熱點，具有較強的創新機遇。對研制低成本、超低功耗及高性能的柔性RRAM存儲技術具有重要意義，也為柔性電子的研究和應用打下了基礎。”

中國微電子發展的道路還很長，需要攻克的難關也還很多。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，蔡一茂說，他還要為國家微電子領域培養更多的人才，與更多致力于微電子學科發展的年輕人一起成長，堅持夢想，不忘初心。