本刊記者 楊樹(shù)森

積微致著 為微電子發(fā)展砥礪前行
——記北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院教授蔡一茂

本刊記者 楊樹(shù)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(yáng)元院士、黃如院士為榜樣，把發(fā)展我國(guó)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(shuō)，未名湖畔，潛心科研，教書(shū)育人，是他追求的理想生活。

只爭(zhēng)朝夕，為祖國(guó)微電子發(fā)展歸來(lái)

2009年以前，蔡一茂在韓國(guó)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(shuō)，在三星的這段工作經(jīng)歷，開(kāi)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(guó)的理由，他說(shuō)：國(guó)家越來(lái)越重視微電子與集成電路的發(fā)展，回國(guó)可以更好地為國(guó)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(wú)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(guó)內(nèi)做得最好的，而且北京大學(xué)微電子和國(guó)內(nèi)集成電路企業(yè)有著長(zhǎng)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(yáng)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(mǎn)腔熱情，讓他深受感染，他想和同事們一起為國(guó)家微電子領(lǐng)域的發(fā)展做不懈努力。

回國(guó)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(guó)的存儲(chǔ)器大部分依靠進(jìn)口，在這塊領(lǐng)域雖然國(guó)家有布局，但是總體來(lái)說(shuō)我們國(guó)家的技術(shù)，特別是產(chǎn)業(yè)研發(fā)方面還處在落后位置?！?/p>

目前，我國(guó)關(guān)于電子產(chǎn)品的進(jìn)口總額已經(jīng)超過(guò)石油進(jìn)口總量，每年進(jìn)口費(fèi)用以千億來(lái)計(jì)算。光是非易失存儲(chǔ)芯片在我國(guó)每年有約2200億元的市場(chǎng)總額，而現(xiàn)階段我國(guó)的自主產(chǎn)業(yè)幾乎是空白。國(guó)家中長(zhǎng)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(guó)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(guó)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(jiǎn)單、擦寫(xiě)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(jiǎn)單和可嵌入功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)際上公認(rèn)的下一代存儲(chǔ)器技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)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(shuō)，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(xiě)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(guò)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(guò)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?！皩?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(lái)規(guī)模量產(chǎn)時(shí)的可行性?！苯酉聛?lái)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(lái)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(shuō)，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(wèn)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(guò)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(zhuān)門(mén)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(guò)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?！辈桃幻廊坏貙?duì)記者說(shuō)道。當(dāng)記者問(wèn)起在這項(xiàng)研究中遇到哪些困難時(shí)，蔡一茂只笑笑說(shuō)：“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?！毙τ斑M(jìn)路上的困難，萬(wàn)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(guó)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)近40項(xiàng)，美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利授權(quán)10余項(xiàng)，部分專(zhuān)利已經(jīng)授權(quán)給我國(guó)大陸地區(qū)最大的集成電路制造企業(yè)——中芯國(guó)際集成電路制造公司。

科研團(tuán)隊(duì)合影

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(kāi)信息的存儲(chǔ)和讀取，因此柔性存儲(chǔ)器近來(lái)成為研究的熱點(diǎn)?！?/p>

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(wèn)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(guó)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(wèn)題進(jìn)行了新的探索。

在該項(xiàng)目中，蔡一茂通過(guò)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?？梢院虲MOS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(wèn)題，他說(shuō)，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(guò)材料改性與器件新結(jié)構(gòu)的結(jié)合，引導(dǎo)缺陷的生長(zhǎng)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)?！?/p>

中國(guó)微電子發(fā)展的道路還很長(zhǎng)，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(shuō)，他還要為國(guó)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(zhǎng)，堅(jiān)持夢(mèng)想，不忘初心。