积微致著 为微电子发展砥砺前行

杨树森

集成电路发展迅速，微电子知识日新月异，北京大学微纳电子学研究院蔡一茂在微电子领域十几年的研究生涯中，一直以导师王阳元院士、黄如院士为榜样，把发展我国集成电路事业和微电子学科作为自己的责任和不懈追求的目标。他说，未名湖畔，潜心科研，教书育人，是他追求的理想生活。

只争朝夕，为祖国微电子发展归来

2009年以前，蔡一茂在韩国三星总公司存储及研发中心做闪存技术的研究。蔡一茂说，在三星的这段工作经历，开拓了自己在微电子，特别是存储器领域的眼界，并在存储器产业技术研发方面积累了一些有益经验。

2009年，蔡一茂回到北京大学，对于归国的理由，他说：国家越来越重视微电子与集成电路的发展，回国可以更好地为国家的微电子发展尽一点绵薄之力，同时对于自己个人的发展也有无限机遇。为什么选择回到北京大学？一是因为在微电子研究领域里北京大学是国内做得最好的，而且北京大学微电子和国内集成电路企业有着长期和成功的产学研合作，蔡一茂希望加入到这個优秀的平台；二是北京大学是蔡一茂的母校，对北京大学他有着一份特殊的情感：他的导师王阳元院士高屋建瓴的战略眼光，黄如院士渊博的知识和一大批老师对微电子领域研究怀有的满腔热情，让他深受感染，他想和同事们一起为国家微电子领域的发展做不懈努力。

回国以后的蔡一茂对以RRAM（Resitance Random Acess Memory，阻变存储器）为代表的先进存储器进行了研究。“中国的存储器大部分依靠进口，在这块领域虽然国家有布局，但是总体来说我们国家的技术，特别是产业研发方面还处在落后位置。”

目前，我国关于电子产品的进口总额已经超过石油进口总量，每年进口费用以千亿来计算。光是非易失存储芯片在我国每年有约2200亿元的市场总额，而现阶段我国的自主产业几乎是空白。国家中长期科技发展规划纲要（2006-2020）更是明确指出要把“突破制约信息产业发展的核心技术，掌握集成电路及关键元器件等核心技术”作为发展思路。对大量信息的高效安全的存储和获取成为信息系统最重要的功能之一，大规模非易失存储器集成电路是支撑我国网络通信、高性能计算和数字应用、消费电子等电子信息产业发展的核心技术，也是制约我国微电子产业全面平衡发展的关键瓶颈之一。

“现有存储器技术尤其是非易失存储器技术在尺寸缩小、操作电压和功耗、集成工艺、可靠性、电路设计等方面面临着物理和技术上的限制，这些限制成为存储器技术乃至整个微电子产业进一步发展的瓶颈。为了应对日益发展的信息社会对海量、高速及安全存储的需求，亟需发展新型存储技术。RRAM具有制备简单、擦写速度快、存储密度高以及高可靠性并和主流CMOS工艺兼容性好等优点，成为极具应用潜力的新型存储器。”

RRAM是近些年兴起的新型不挥发存储技术，具有单元尺寸小、速度快、功耗低、工艺及器件结构简单和可嵌入功能强等优点，是国际上公认的下一代存储器技术的有力竞争者之一。存储单元和阵列架构是存储器芯片的核心技术，也是新型存储器技术研发的基础，蔡一茂对RRAM存储阵列的设计和优化进行了研究，并且主持了科技部“863”相关课题。

蔡一茂说，他的这一研究适于大规模生产RRAM存储阵列设计及优化方案。在研究中，蔡一茂针对嵌入式及大容量独立式存储两种应用，根据RRAM存储单元读写操作的特点，研究存储阵列和物理结构布局，提高良率、减小芯片面积，以降低存储芯片成本。

对RRAM的存储阵列架构、阵列所需的选择管技术、CMOS工艺兼容的集成技术及阵列模型和电路模块进行设计是蔡一茂研究的重难点。在这些重难点攻克过程中，蔡一茂一直注重具有产业化前景的技术研究。比如在材料考虑上，选择和CMOS工艺兼容的过渡金属氧化物或二元氧化物作为阻变单元材料和选择管的材料。“对材料的选择是成功的第一步，选择对的材料能够保证将来规模量产时的可行性。”接下来则是在结构设计方面，蔡一茂采用新结构器件来抑制漏电，比如，提出可用于三维高密度集成的自隔离器件结构。这样的结构设计，蔡一茂说，根据不同的应用，可以在集成工艺难度、集成密度及可靠性之间取得较好的平衡。

为了达到大规模的生产RRAM存储器，除了在材料、结构上要进行仔细挑选与设计外，在RRAM存储阵列单元的操作和失效机理、阵列中的电路模块设计方面也要进行深入研究。为此，蔡一茂系统研究了RRAM各材料层中的界面情况对阵列中存储单元性能的影响；分析RRAM的失效机制，研究器件缩小时RRAM阵列中存储单元之间的串扰问题；借助先进的材料表征方法研究阵列中存储单元阻变过程。为获得能提高RRAM可靠性的操作方式的优化方案，蔡一茂专门研究操作方式对阵列中存储单元及选择管的影响。在集成电路设计这块，蔡一茂根据存储单元阵列的架构和操作特性，对阵列中存在的串扰进行分析，优化控制方法以及操作电压等，通过可调节参数的设计提高电路设计的灵活性。

“以上方面的研究能为实现大容量的存储芯片打下基础，推动RRAM的大规模生产和应用。”蔡一茂欣然地对记者说道。当记者问起在这项研究中遇到哪些困难时，蔡一茂只笑笑说：“认真做好每一件事，把一些大的困难做一些分解，然后各个击破，困难也就解决了。”笑迎前进路上的困难，万里征程，就如策马平川，目前蔡一茂已经在相关技术上获得中国发明专利授权近40项，美国发明专利授权10余项，部分专利已经授权给我国大陆地区最大的集成电路制造企业——中芯国际集成电路制造公司。

力学不倦，跟随时代前进的步伐

为了适应下一代电子产品的便携性、形状可变形、人体实用性等方面的需求，可延展柔性电子技术成为全球电子产业界与学术界关注的新焦点。“柔性电子系统可以卷曲或伸缩，可以覆盖任意曲面或者可移动部件，这大大扩展了电子系统的应用范围。柔性电子系统应用领域广泛，如射频识别、智能标签、电子显示（电子纸张、可卷式显示器）、生物及医学应用（电子皮肤、生物传感器、柔性血压计）以及光电领域等。然而柔性电子系统离不开信息的存储和读取，因此柔性存储器近来成为研究的热点。”

目前，有机存储器件的研究仍然处于初级阶段，在实用化和商业化的道路上还有很多问题亟待解决，各种报道主要还是集中在实现基本存储功能层面，综合性能还比较差。在国家自然基金项目“超低功耗柔性聚合物RRAM”的支持下，蔡一茂对柔性聚合物RRAM的功耗瓶颈问题进行了新的探索。

在该项目中，蔡一茂通过parylene聚合物材料结构、制备及其改性技术的创新研究，结合RRAM器件新结构设计和电极材料的设计优化，降低柔性聚合物RRAM器件的操作电流和电压，从而降低功耗，并提高其速度、可靠性和均匀性等综合性能。可以和CMOS工艺兼容的超低功耗材料改性技术是蔡一茂要解决的关键问题，他说，对材料改性技术研究的突破并结合器件新结构和电极材料优化，可以调控聚合物材料中的缺陷/陷阱数量、改变陷阱的形成能等重要参数特性，从而控制引起阻变所需的电流和电压、降低功耗。并且通过材料改性与器件新结构的结合，引导缺陷的生长区域和载流子输运途径，从而提高器件的均匀性等重要特性。

“这种基于CMOS平台，面向超低功耗应用的柔性parylene聚合物RRAM材料及器件技术相关研究属于柔性RRAM技术研究的前沿和热点，具有较强的创新机遇。对研制低成本、超低功耗及高性能的柔性RRAM存储技术具有重要意义，也为柔性电子的研究和应用打下了基础。”

中国微电子发展的道路还很长，需要攻克的难关也还很多。在微电子研究上，蔡一茂始终以恩师为榜样，奋斗不息。在做好科研工作的同时，蔡一茂说，他还要为国家微电子领域培养更多的人才，与更多致力于微电子学科发展的年轻人一起成长，坚持梦想，不忘初心。