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    “卡脖子”技術的突破:中國微電子技術微米級臺階的跨越

    作者:王公(中國科學院自然科學史研究所)  時間:2020-08-14 14:26  來源:返樸

    引  言


      七十年前,第一顆晶體管出現,從此人類進入了半導體時代。六十年前,集成電路出現,并很快發展到了超大規模集成電路的水平,在推動電子信息技術進一步發展的同時,也開始和傳統產業相結合,開啟了信息化時代的大幕,極大地改變了人類社會。然而,超大規模集成電路在中國的出現及其產業化的歷程,卻無時無刻不面臨著嚴峻的封鎖和巨大的挑戰。

    背  景


    1.1  世界及中國半導體微電子技術的起步

      1947年12月,美國貝爾實驗室研制成功了世界上第一塊點接觸式晶體管。和傳統的電子管相比,晶體管具有體積小、消耗功率低等明顯的優勢。因此,晶體管開始逐步取代體積大、功率消耗大的電子管,開啟了半導體時代。晶體管的發明為集成電路的誕生奠定了基礎。1958年,美國德州儀器公司的杰克·基爾比(Jack Kilby)發明了第一塊集成電路——將包括鍺晶體管在內的五個元器件集成在一起,制作了一個相移振蕩器電路。1959年仙童公司的羅伯特·諾伊斯(Robert Noyce)研制發明了平面工藝的硅集成電路。集成電路的發明,給相關行業帶來了巨大的變化,引發了現代社會電子信息技術的變革。

      中國的半導體和微電子研究起步于20世紀五、六十年代。1956年,黨中央發出了“向科學進軍”的號召。我國將半導體科學技術列為當時國家新技術四大緊急措施之一,寫入了“十二年科學技術發展遠景規劃”。當年暑期,北京大學、復旦大學、廈門大學、南京大學和吉林大學五校,在北京大學聯合開設了我國第一個半導體專業,由黃昆任主任、謝希德任副主任。該專業開設半導體物理、半導體實驗、半導體材料、半導體器件、固體物理、晶體管電路等全面的半導體專業課程,為我國培養了第一批半導體專業人才。1956年,中國科學院應用物理所成立了半導體研究室,由王守武任室主任,是我國最早的半導體研究機構。1957年,王守武研制出了鍺晶體管,是我國自行研制的第一顆晶體管。1959年,李志堅在清華大學拉出了高純度多晶硅,隨后開始了硅基平面晶體管的研制。20世紀60年代初,兩家大型的國立半導體研究機構——中國科學院半導體研究所和河北半導體研究所(中國電子科技集團公司第十三研究所)正式成立。1964年,中國科學院半導體研究所的王守覺研制出我國第一塊集成電路,在一塊硅片上集成了19個元件,后來應用在了服務于“兩彈一星”工作的大型通用晶體管計算機(109 丙)上。1968年,半導體工廠國營東光電工廠(878廠)、上海無線電十九廠投建,1970年建成投產。這些半導體研究所和工廠研制的集成電路產品,除了服務“兩彈一星”的戰略需求,也為我國的其他行業和民生需要做出了巨大貢獻。

    1.2  微米級微電子技術的重要意義

      微電子工業的生產過程非常復雜,一般來說包括前工序和后工序兩個步驟,前工序是指將超純的硅晶棒切片,再經過二十至三十道工藝步驟,直到芯片制作完成的過程;后工序指的是從對前工序制作出的芯片進行測試、劃片、封裝直至形成最終產品的過程。前工序包括多次光刻、摻雜、氧化等步驟,其中光刻工藝所能達到的精度被稱為集成電路特征尺寸,它是微電子技術水平的重要標志,通常也直接用光刻工藝的特征尺寸來表示整個生產線及生產出的集成電路產品的工藝水平。

      當集成電路的特征尺寸達到微米級時,在一塊芯片上集成的元件數就可以超過10萬個,這樣的集成電路被稱為超大規模集成電路(Very Large Scale Integration Circuit,VLSI)。采用超大規模集成電路制造的電子設備,具有體積小、重量輕、功耗低、可靠性高等特點。此外,還可以利用超大規模集成電路技術將整個電子系統“集成”在一塊芯片上,完成信息采集、存儲和處理等多種功能。如果將超大規模集成電路和傳統產業結合,可以徹底改變傳統產業,進而實現智能化和現代化。基于這些因素,超大規模集成電路被認為是微電子技術的一次飛躍,是衡量一個國家科學技術和工業發展水平的重要標志。

      為了便于從宏觀上考察微電子技術及相應生產線的工藝水平,一般以典型產品動態隨機存取存儲器(Dynamic Random Access Memory,DRAM)的容量為指標。動態隨機存取存儲器主要的作用原理是利用電容內存儲電荷的多少來代表一個二進制比特(bit,也稱作“位”)是1還是0。動態存儲器的結構十分簡單,每一個數據存儲單元都只需一個電容和一個晶體管來處理。所以,1K容量的動態存儲器,需要集成2048個元件。

      有些時候也可以用靜態隨機存取存儲器(Static Random-Access Memory,SRAM)的容量來考察集成電路工藝及相應的生產線的技術水平,靜態隨機存取存儲器上的一個數據存儲單元通常需要4~6個晶體管,相同容量的產品,靜態隨機存取存儲器的元件數就是動態隨機存取存儲器4~6倍。正因如此,與靜態隨機存取存儲器相比,動態隨機存取存儲器擁有非常高的密度,單位體積的容量較高且成本較低。動態隨機存取存儲器的存儲容量、元件個數和特征尺寸的基本關系參見表1。可見,64K容量的動態隨機存取存儲器,元件數已突破10萬,特征尺寸達到了2微米,接近或達到了超大規模集成電路的水平。因此,要想研制、生產超大規模集成電路,必須要跨越微米級工藝臺階!


    差距與封鎖


    2.1  差距

      20世紀60年代,集成電路技術在國外的發展也只不過十年左右時間,整個集成電路的發展還并不是很成熟,而在我國則剛剛在起步階段。彼時,不論國外還是國內,集成電路都是在雙極型器件的基礎上發展起來的。60年代后期,國外出現了金屬氧化物半導體場效應管(MOS集成電路),發展十分迅猛,使集成電路水平很快從小規模集成提高到中、大規模。進入70年代,我國和國外的集成電路發展水平開始出現了巨大的差距。

      1976年,美國研制成功的64K容量DRAM是世界上第一代超大規模集成電路,大約包含15萬個元件,特征尺寸為2~3微米。1977年,日本研制成功64K容量DRAM,包含15.6萬個元件,特征尺寸為2~3微米。而此時的我國,集成電路技術仍處在雙極型小規模電路的研究與小量生產階段。

      集成電路技術的發展是一個系統工程,不但需要有深入的器件物理、電路設計和工藝制造研究,而且還必須有高精尖的工藝與測試設備、高純度高性能的基礎材料以及超凈廠房等基礎條件的配套發展。實際上,很多集成電路技術是固化在基礎條件發展中的。而當時我國半導體生產的基礎條件根本不能滿足大規模集成電路發展的要求。

      當時國內半導體車間所用的工藝設備絕大部分都是國產的、用于早期晶體管小量生產的產品。有很多關鍵設備是自制的,例如制版用的高精度初縮機;柵氧化用的三氯乙烯氧化設備;光刻用的高速勻膠機;刻蝕多晶用的等離子刻蝕設備等。這些設備根本不能滿足大規模集成電路生產對設備的高精度和自動化要求。王守武曾回憶,“當時半導體研究所使用的設備和基礎材料,只有顯微鏡、光刻膠和乳膠版三樣是進口的,而一些核心設備像電鏡、光刻機以及相關的技術和產品,根本不賣給中國。”

      當時國內半導體生產所用的原材料也大都不能滿足大規模集成電路生產的要求。例如當時所用最純的化學試劑也只是達到優級純(高于分析純),但它仍含有大量不溶性顆粒物,因而會在集成電路芯片上造成缺陷,從而大大影響成品率。

      當時國內半導體器件與集成電路生產所普遍使用的廠房也就是衛生條件好一些、干凈一些的密封空調房間,空氣并未經過凈化過濾,灰塵含量通常為每立方英尺幾百萬顆(直徑在0.5μm以上的灰塵),這樣的條件下,硅片上的灰塵污染當然很嚴重。

      然而就是在這樣的條件下,我國科學家也取得了一些階段性的成績。北京大學物理系王陽元于1975年領導研制成功三種類型的1024位(1K容量)MOS動態隨機存儲器(DRAM),特征尺寸為8微米,屬于大規模集成電路。1978年10月,中國科學院半導體研究所王守武團隊研制成功了4K容量的DRAM,其特征尺寸為5微米,次年批量生產。1981年,王守武領導研制出16K容量DRAM樣片,元件集成度達到了3萬6千,特征尺寸3~5微米,但是成品率較低。總體上,無論是在存儲器還是微處理器的研制方面,中國還遠遠落后,不要說64K(3微米),就是16K(5微米),都是很難達到的。

      進入80年代,我國和世界的差距進一步拉大。1981年美國德州儀器公司批量生產了TMS4016靜態隨機存儲器,其容量為16K,集成度為15萬元件,工藝為1~1.5微米。1982年,英特爾公司生產出了80286處理器,集成度為13.4萬元件,工藝為1~1.5微米。

    2.2  面臨的封鎖

      在存在巨大差距的同時,我國的微電子事業還面臨著西方國家的全方位封鎖。西方國家對我國微電子全方位封鎖主要是通過巴黎統籌委員會(簡稱“巴統”)對中國相關技術、設備、產品的全面禁運實現的。巴黎統籌委員會是1949年11月在美國的提議下成立的,總部設在巴黎,其全稱是“輸出管制統籌委員會” (Coordinating Committee for Multilateral Export Controls) 。巴統的宗旨是執行對社會主義國家的禁運政策,其禁運產品包括軍事武器裝備、尖端技術產品和戰略產品三大類。1952年,巴統成立了中國委員會,是專門針對中國實行禁運的執行機構。1985年的巴統禁運手冊規定(見圖1):生產或測試電子產品的設備中,5微米以下的光刻機對中國是嚴格禁運的(IL1355);電子產品和相關技術中,4K容量DRAM(特征尺寸5微米)的相關產品和技術對中國是嚴格保密和禁運的(IL1564)。


      在對中國嚴格禁運的同時,美國等西方國家還通過對韓國和中國臺灣地區的扶持來進一步達到封鎖中國內地微電子事業的目的。1975年,美國在中國臺灣“工研院”建設3英寸晶圓生產線,1977年即建成投產。1978年,韓國電子技術研究所(KIET)從美國購買3英寸晶圓生產線,次年投產。1980年,中國臺灣地區的聯華電子建立4英寸晶圓廠。1980年代初,韓國、中國臺灣地區在美國技術、資金的轉移和支持下,獲得了動態隨機存儲器的技術突破,韓國達到了16K水平,中國臺灣地區則直接從64K起步。

    封鎖的突破


      美國等西方國家對我國微電子事業的全方位封鎖,目的是卡住我國電子工業的脖子,是我國邁向超大規模集成電路研究和生產的最大障礙。而要想達到超大規模集成電路水平,進而實現電子技術的現代化并帶動相關行業的高速發展,就必須要突破這一封鎖。為此,我國的微電子學專家、工程師和工人們通力合作和緊密協作。例如,王守武在意識到要提高產品成品率就要有穩定的設備保證這一關鍵問題后,就帶領半導體所的同仁開始攻克設備關,并于后來開發了我國第一臺分子束外延設備、雙穩激光器等核心設備[5]。中國的科學家下定決心要打破封鎖,跨越微米級難關,其中微米級超大規模集成電路關鍵性技術的突破主要是在新成立的清華大學微電子所進行的。

    3.1  清華大學微電子所的成立

      清華大學在半導體微電子領域有著雄厚的基礎。早在1956年,北京大學半導體物理專業開辦伊始,清華大學就從電真空專業三年級學生中抽調曹培棟等八人前往北大學習。與此同時,清華也開始了半導體實驗室的籌建,并聘請王守武兼任清華半導體教研組主任,開始了教學與科研活動。1958年3月,獲得了蘇聯列寧格勒大學(現圣彼得堡大學)物理——數學科學副博士學位的李志堅正式加入清華大學半導體教研組,被任命為半導體教研組副主任,大大增強了半導體教研組的科研力量。隨后李志堅先后領導了多晶硅提純、平面硅晶體管研制等工作,并且培養出了吳德馨、徐葭生、鄭厚植、錢佩信等半導體專業的人才。1969年11月30日,林彪“一號命令”下達,清華大學半導體教研組的絕大部分師生隨無線電系遷到綿陽,被編為電子廠四連,李志堅擔任連長。由于條件限制,電子廠四連在建設校舍、置辦實驗室之后,主要展開了微波半導體器件和集成電路方面的研究,在方向上主攻雙極電路和晶體管,并與成都九七零廠、北京半導體器件二廠、北京電子管廠等進行了有效的協作,進行新器件和電路的研制。

      在半導體教研組遷往綿陽之后,清華大學自動控制系(即現清華大學計算機科學與技術系)擔負起了MOS集成電路開發的重任,在北京清華大學校內改建成立了集成電路生產車間,并且請半導體教研組的徐葭生和李瑞偉留在北京主持MOS生產線的開發。在當時,MOS集成電路技術還存在不少困難,大家對它的發展前途仍有很多疑慮。1970年,徐葭生帶領十幾個中青年教師投入了開拓我國MOS集成電路的研究開發與應用推廣的事業。1974年清華大學北京集成電路車間開發的系列PMOS(Positive Channel Metal Oxide Semiconductor,指N型襯底、P溝道,靠空穴的流動運送電流的MOS管)集成電路產品在全國推廣應用[7]

      1978年5月,中央決定撤銷清華大學綿陽分校,10月開始搬遷回京。此時的李志堅心里十分明白微電子領域的中國和世界之間存在的差距。即使在“文革”中,他也一直不忘跟蹤國外最先進的微電子科技,并一直在考慮如何能把之前的研究延續下去。“文革”期間他就曾四處尋找國外文獻,翻譯、整理了關于國外微波功率晶體管發展概況、設計、工藝、可靠性等方面的綜述文章《微波功率晶體管的進展》,這篇文章發表在《國外電子技術》1976年第1期。半導體教研組回到清華后,半導體專業的歸屬是一個新的問題,是回到無線電系,還是成立一個新的組織機構呢?

      1978年12月18日至22日中共十一屆三中全會確立了以發展經濟建設為中心的戰略思想和改革開放的方針。1980年3月,第四機械工業部頒發了“關于擴大研究所自主權的試行辦法”,指出:電子工業系統的開發研究機構將是技術和經濟結合的組織,它可以利用其技術上的優勢,把技術和研制的產品作為商品與其他單位進行交換,發生經濟聯系。因此,用經濟辦法管理研究所是改革研究所管理的重要環節;擴大研究所的自主權是科研體制改革的重要內容。1981年中央又宣布了科學技術面向經濟和經濟依靠科學技術的新方針。會議要求電子工業認真貫徹調整、改革、整頓、提高的方針,在國家統一部署安排下,對三線的科研單位進行有計劃、有步驟的調整、撤并、搬遷,以改善科研條件。之后又采取了一系列改革措施,不斷解決科研面向生產、面向經濟的問題。

      通過綜合分析國內外的環境、自身的條件和與尖端的差距,李志堅提出了建立一條自己的試驗線,展開超大規模集成電路研究的想法。李志堅之所以提出這樣宏大的目標:其一是考慮到,清華大學綿陽分校的半導體專業和北京集成電路車間的合并大大加強了清華半導體方向的研究和生產能力;其二是目前的優勢在于CMOS的研究,并且形成了包括半導體工藝、器件物理、電路設計和CAD技術等幾個子方向的全面和先進的微電子技術發展格局;其三是李志堅在文革期間對國外電子技術的追蹤使他更明晰國外的尖端在哪個方向,我們的差距是什么。李志堅的這一想法得到了時任清華大學校長高景德的肯定和支持。

      1980年8月,清華大學校長工作會議議決:成立跨系跨學科的研究所——微電子學研究所,建制直屬學校領導,南德恒任所長,李志堅為副所長,主抓科研。微電子所最重要的工作是:建立實驗基地,引進關鍵設備,開展新的單片集成電路研究與設計、器件物理及其性能研究、計算機輔助設計及測試工作、新工藝方面的研究①。微電子所成立時全所人員總數為135人,教師74人,只有李志堅一名教授,技術員3人,職員2人,工人58人。高景德校長提出,清華大學要做中國乃至世界第一的微電子。在國家科委、教委經費沒有立即到位的情況下,高校長拿出清華大學的經費,其中包括清華教師的工資錢,作為微電子所的前期科研經費。

      據李志堅回憶:“為了迅速追上國際先進水平,在十一屆三中全會后,國家開始實施第六個五年計劃時就強調高技術的科學研究。我們(當時的專業領導有南德恒、楊之廉、顧祖毅、賈松良、王天爵和我等)就乘此東風籌建新的超凈實驗室,并且在設備、原料方面都開始有了新的突破,這一切為微電子所日后的工作創造了物質基礎。”

      在設備方面,為了滿足大規模集成電路研制的需要,有些關鍵設備是與有關設備生產單位協作開發的。例如掩模制造用的高精度分步重復精縮機就是由清華大學電子系與精密儀器系共同設計制造,由半導體車間試用并提出改進意見,經過多次改型才最后定型生產的。這個分步重復精縮機成為了當時國內集成電路生產廠普遍采用的設備。

      在半導體生產原料方面,半導體車間與北京化學試劑廠協作生產出了電子純和純度更高的MOS純產品。又例如與北京化工三廠協作生產出能滿足大規模集成電路生產要求的光刻膠等。這些產品都成為了當時集成電路產業普遍采用的基礎原材料。實際上,當時很多半導體生產所用原材料廠都以通過清華大學半導體車間試用作為他們開發產品的重要參考。

      為了滿足大規模集成電路電路研制的需要,半導體車間的同志自己設計、自己采購材料聯系施工,對原來的800 m2實驗室進行了凈化改造,建成了凈化級別達到1000級(每升空氣含1μm以上灰塵1000個以下)和10000級的超凈車間350平方米。當時在國內是少有的可以滿足集成電路生產要求的超凈車間。它不僅為當時半導體車間的集成電路研制提供了合格的凈化環境,也為后來微電子所的研究開發準備了基礎條件。這一凈化房還為當時國內集成電路產業提供了很多可供參考的經驗,成為許多集成電路廠廠房改造與建設的標桿[8]

    3.2  “3微米”臺階的跨越

      在建立起了超凈車間后,微電子所進一步的目標就是要突破國外封鎖,開發我們自己的超大規模集成電路技術。當時國內半導體研制所能達到的最小精度是5微米水平,國際上已經達到了1微米以下精度。巴黎統籌委員會規定5微米以下的超大規模集成電路的設備、技術和產品都是要嚴格對中國禁運的,目的是卡住中國微電子工業發展的脖子。為了突破這一封鎖,李志堅決定分兩步走:先突破3微米水平;再自主建起來一條生產線,實現1微米的突破。

      清華大學微電子所剛成立時,能夠達到的工藝水平是8微米,他們就從8微米起步一步一步向3微米臺階邁進。李志堅認為有三個關鍵點。第一,設計是最主要的,首先要設計出來,才能完成后面的工作。第二是工藝,設計出來的圖紙要經過流水線生產出來。這其中包括一系列的具體工藝流程,如:微細圖形加工、高密度集成電路的設計方法、微小器件的結構和器件物理、材料的性能和薄膜生長技術、高密度集成器件的可靠性物理、集成電路的測試圖案設計和測試技術以及質量控制等。微電子所的最終目標就是要完成整套開發工藝,最終能夠自己設計、自己生產。第三就是測試,生產出來的樣品,要有合理的測試方法,保證達到指標。這樣一個過程注定是復雜的,也必將是一個持久戰,需要層層突破,連續作戰,奮力沖刺。

      從8微米出發,李志堅團隊首先邁向的是6微米技術臺階,有微電子所的基礎以及國內的同仁協助,這個小目標完成得還算順利。1981年他們研制成功了1K靜態隨機存儲器QM233,其工藝為6微米,該器件不僅性能符合微處理機等的實用要求,可以與國外同類產品Intel2102互換,且功耗遠低于Intel2102。此外,該產品在工藝研究上也提供了轉入小批量生產的條件,被推廣給北京878廠、771所、上海元件五廠等單位量產,并且獲得了1982年北京市科技進步二等獎。在此基礎上,李志堅開始向4微米臺階邁進。該團隊于1984年研制成功了1K×4靜態隨機存儲器CM2114,這是一種廣泛應用于各種小型微處理機上的半導體存儲器,是當時國內整機非常需要的一種大規模集成電路產品。CM2114采用5微米設計規則,含有26000多個元件,最終達到了4微米技術水平。檢測結果表明,該器件符合國內外系列品種標準,能與國外同類產品互換,并且具有低功耗的優勢,被推廣給上海元件五廠量產,并且獲得了電子工業部科技進步一等獎。此外,CM2114存儲器的研制成功也帶動了微處理器的研制進展。李志堅團隊研制成功了Cm8085A單片N溝道MOS高速8位微處理器,該器件采用了當時比較先進的準等平面、4微米N溝道硅柵自校準、全離子注入法等微電子生產工藝,其電參量達到了國外同類產品水平,性能良好,可以和Intel8085A互換使用,對我國8位微處理機的大規模集成電路國產化做出了貢獻。

      經過前面幾年的預研,李志堅所帶領的清華大學微電子所在微細加工、電路設計、器件物理和測試技術等方面都取得了較大的突破。接下來,他們要突破的是3微米技術水平的臺階。突破3微米,就意味著達到或接近超大規模集成電路的目標了。3微米工藝的典型成品是16K動態隨機存儲器。而基于國內的實際需要,李志堅團隊決定對標美國德州儀器公司1981年研制成功的16K容量靜態隨機存儲器TMS4016。16K動態隨機存儲器的元件數大約是32000個,而靜態隨機存儲器的元件數是動態隨機存儲器的4到6倍,將突破十萬元件的界線,從而達到超大規模集成電路的水平。李志堅帶領團隊對標TMS4016,開展“解剖專題”,他們首先將TMS4016的內部結構研究透徹,做到了解對手特點的基礎上超越對手。在電路研制方面,他們通過對半導體的短溝、窄溝效應、柵氧化生長質量、墊多晶淺結工藝、圖形完整性等工藝技術問題的研究,摸索出一套比較合理的3微米雙層多晶工藝規程。


      在研制過程中總會出現各種各樣的問題,在一次實驗過程中,產品的一個位置總是出現問題,造成各項指標均不達標。當時大家都表示自己的環節是沒有問題的,甚至出現爭執,但是誰也不知道問題出在什么地方。因為微電子研發是一項集體攻關的系統工程,李志堅就在第一時間把大家召集起來,他一方面要求各個環節都要仔細檢查,同時決定多進行幾次測試。經過測試,發現這個問題很有規律性,總是在一個位置出現。他首先假設是設計有了問題,因為只有是設計錯了,才容易出現有規律的錯誤;如果是生產中的問題,所產生的誤差一般是隨機的。李志堅和設計組的同事一起檢查設計的每一個環節,但檢查結果顯示設計環節沒有問題。按照流程,設計之后應該是工藝。設計組設計出圖之后,工藝線要按照圖紙做成電路板。工藝組的生產過程有點像洗照片,先按照設計組的電路圖來制作硅片,然后在硅片上涂上特殊的感光膠。這時,硅片就相當于相紙,上面的膠就相當于相紙上面的感光材料。整個生產過程就如同照片的曝光過程,有孔有線的地方不曝光,然后再腐蝕,這樣孔和線就保留下來了。不過和照片曝光不同,一般微電子研發的電路板都要有十幾層乃至二十幾層,一會兒刻線,一會兒刻孔,最后還要一層疊在另一層上面,和在一起。在設計組沒有發現問題之后,李志堅又和設計組一起下到生產線,和工藝組一起檢查工藝的問題。檢查發現,工藝線生產過程中,電路底板上面有一個灰塵,所以后面每次曝光、腐蝕都會在這個地方出問題,表現出的就是一個規律性的問題。檢查出問題后,這塊電路板很快就生產出來了。

      李志堅和團隊研制成功的3微米典型產品是CM4016(2K×8 NMOS SRAM),這是一款16K靜態MOS隨機存儲器。CM4016是國內首次研制成功的一種超大規模集成電路,它在28平方毫米的芯片上集成了十萬八千個元件,采用了國際上比較典型的3微米工藝技術和計算機輔助設計技術,并且做成了2K×8位結構,使其可以廣泛地用于微處理機和各種自動控制設備。經過清華大學計算機系的試用表明,CM4016完全可以取代進口的HM6116和TMS4016等產品,完全符合國際產品標準,達到了國際80年代初、國內領先的水平。與美國的同類產品TMS4016相比較,兩個重要的技術指標,CM4016的地址取數時間小于150納秒,工作功耗小于200毫瓦(美國的產品地址取數時間小于250納秒,工作功耗小于300毫瓦),顯然CM4016的主要指標要好于美國的同類產品。與CM4016配套,李志堅團隊對標Intel8086微處理器,通過進行全面的技術剖析,結合具體的條件,同時研制成功了Cm8086高速H-MOS 16位微處理器,并且與中國科學院微電子中心合作,開發出了一套完整的測試軟件,從而解決了研制16位微處理器的難題。經過鑒定,該Cm8086高速H-MOS 16位微處理器的性能達到了國外同類產品水平,并且能與它們互換使用,對我國16位微型機CPU的國產化提供了重要的技術基礎。北京878廠、742廠等12家單位承接了CM4016和Cm8086的研究成果,開始了批量生產。1987年6月,“大規模和超大規模集成電路研制及3微米工藝開發” 獲國家科技進步二等獎(李志堅排名第一)。

      3微米技術的突破,標志著我國集成電路的研究跨進了超大規模集成電路的新時代,其中主體技術已經達到了國外80年代初的水平,部分技術已經達到了國際同期水平。這些工作打破了以美國為首的西方國家對我國半導體微電子技術的禁運,使我國半導體和集成電路的研制水平上到了新的臺階,加強了我國與外商談判的地位。

      1989年的巴黎統籌委員會禁運手冊上,對我國集成電路相關內容的禁運開始有了新的調整(見圖2),在設備方面:3微米及以上的設備對我國解禁,但2微米以下的設備仍然是嚴格禁運的;在產品方面:動態隨機存儲器的容量開放到256K,靜態隨機存儲器的容量開放到64K,相當于2微米水平。


    3.3  跨越“1微米”

      3微米大規模集成電路工藝開發研制成功后,巴黎統籌委員會將對中國的半導體技術禁運做了更改,3微米以上的技術就不再對中國禁運了,但是3微米以下、尤其是2微米以下的技術對中國仍然是嚴格禁運的。

      在此期間,國家對集成電路的研究、生產和產業發展十分關注,陸續出臺了一系列重要的政策和決定,對于我國微電子事業的進一步發展和壯大起到了關鍵的助推作用。

      1982年10月,國務院為了加強全國計算機和大規模集成電路的領導,成立了以萬里副總理為組長的“電子計算機和大規模集成電路領導小組”,提出要對半導體工業進行技術改造。

      1983年7月,國務院發出關于抓緊研制重大裝備的決定(國發[1983]110號),其中包括制造大規模集成電路的成套裝備。

      1986年,電子部廈門集成電路發展戰略研討會,提出“七五”期間我國集成電路技術“531”發展戰略,即普及推廣5微米技術,開發3微米技術,進行1微米技術科技攻關。

      在這樣的背景下,李志堅帶領團隊攻關1微米,開發超大規模集成電路生產線的夢想終于得到了國家的正式立項支持。1986年1月,該方案得到了“七五”國家重點科技攻關立項(75-66),專題號66-2-1 ,項目名稱為“1~1.5微米成套工藝開發及相應水平大規模集成電路的研制”,起止年限:1986~1990年。此外,該項目還得到了國家自然科學基金重大項目的配套支持。


      從3微米到1微米,面對的是很多的新的問題和難關:首先是缺少相關設備,因為開發1微米工藝不僅僅是要做出產品,而是要做出一整條生產線,這其中的很多關鍵設備我們都沒有;其次,1微米的典型產品是1M位存儲器,其元件數將突破100萬,遠超3微米時16K隨機存儲器十萬元件的水平;此外,開展1微米超大規模集成電路的研制和生產必須要有100級的超凈車間,而先有車間的凈度是1000級,遠遠不能到達要求。總之,要開展的新工作,在電路水平上屬于超大規模集成電路;在工藝水平屬于1微米級工藝;從生產線來說就叫作百級超凈線。實際上三者指的是同一個過程,要突破超大規模集成電路攻關,就要建一個百級超凈線,采購相應的設備,開展1微米的工藝,突破1M位的存儲器的設計。

      作為總負責人,李志堅決定把原有的工作規模擴大起來,他將整個清華大學微電子所的力量都投入到這項工作中去,一方面從大局出發,協調好各個環節之間的工作;另一方面又要和各個方向上的技術人員和工人溝通交流。

      由于這項工作需要更加超凈的工作環境,當時微電子所車間的凈化級別是1000級,這一凈度在當時的國內算是比較高的。但是要來做超大規模集成電路的話,這樣的凈度還是太低了,必須要把車間改造為100級凈度,并且要擴大面積。吸取此前3微米攻關過程中灰塵干擾的教訓,李志堅下決心重新建廠房,重蓋凈化車間。李志堅將具體的工作交由擔任實驗室主任的莊同曾負責,莊同曾對工作極其嚴格,他每天都在車間和廠房建設的第一線,既嚴于律己也高標準要求他人。就這樣,在1986年底,約七千平方米的微電子所實驗研究大樓建成,該大樓集合了廠房、超凈車間、實驗室、辦公室和會議室等多項功能,能夠滿足1微米攻關的基本需求。

      廠房重新改建完成后,因為原有的設備不能滿足1微米工藝的開發,又需要重新采購設備。當時國產設備還不能夠滿足1微米開發的需求,需要采用進口設備。而當時一方面面臨的是國際封鎖,很多高端的設備根本不賣給我們;另一方面,由于當時國家經濟條件比較差,雖然得到了國家重大專項的支持,但是經費并不是很充裕,和外國的微電子機構相比經費更是差的太多了。具體負責工藝線建設的李瑞偉老師回憶:“外國要建一個超大規模集成電路試驗線的話,一般大概是一億美元,我們只有1300多萬美元。”李志堅帶領大家克服了重重困難:在設備方面,購買了一些國外淘汰下來的設備,而有一些淘汰下來的設備國外也不賣給我們,就由國家計委、國家科委協助,通過相關交換的手段,換來了一些必要設備;為了充分利用經費,把好鋼使在刀刃上,在保證主要設備的基礎上,其他部分能省就省。就這樣,微電子所在清華大學校內建立起了中國第一個凈度為10-100級的超凈環境,建立起中國第一條1微米級超大規模集成電路管芯片研制工藝線。參加了當年工藝線建設的陳弘毅老師回憶:“基本上微電子所的全部老師都投入到了這條生產線的建設上,從80年代初到90年代末,將近20年,很多老師把自己的科研事業奉獻給了這條生產線。”

      有了超凈車間和相應的裝備,微米級超大規模集成電路技術成套開發也就開始展開,該項研究的關鍵是典型產品1兆位漢字只讀存儲器的研制。這其中包括電路設計、工藝專題、流水試制、測試分析等步驟,而每一步都要經過幾十到上百個環節,任何一個環節的疏漏與否都將直接影響到研制的成敗。

      具體負責1兆位漢字只讀存儲器設計的是李志堅的學生徐葭生。此前3微米攻關時他參與了16K靜態隨機存儲器的設計,但從16K到1兆,相當于64倍的差距,電路管芯則要從十萬上升到百萬。經過計算,徐葭生得出:1兆位漢字只讀存儲器要有106萬個管芯。要將常用漢字編碼存儲在這些管芯內部,如何在有限的面積上排布這一百多萬個管芯,并且還要保證之間的電氣連接是一個巨大的挑戰,很可能一個管芯放錯位置或者一條線連錯了,就要重新來過。為了快速排布這些管芯,徐葭生和同事一起設計了一款快速自動布線軟件,通過計算機自動布線和人工調整相結合,大大提高了管芯布局和布線的速度,很快完成了1兆位漢字只讀存儲器的電路設計。

      徐葭生的設計組設計出1兆位漢字只讀存儲器的電路圖后,就要到李瑞偉負責的工藝組去試制。在微電子研究領域,設計和制造需要非常密切的配合,經常要來回調整,不斷優化和更新。在試制過程中,仍然包括各項工藝條件的摸索、工藝流程的設計和檢測方法的確定。微電子所同仁突破了微細線條曝光、顯影、全正膠刻蝕、圖形形貌的精度控制、細線條測量、高質薄柵氧形成、離子注入技術、線結低溫工藝、鋁硅銅濺射工藝、硼磷硅玻璃生產、快速高溫熱處理等主要關鍵工藝和技術。這其中,高溫熱處理是微電子工藝的一個必備環節,要制作微米級特征尺寸的超大規模集成電路,關鍵要獲得極淺的PN結。改變離子注入的能量,即可改變注入離子進入半導體片表面的深度,達到控制結深。但離子注入后的半導體主要靠退火工藝來激活注入的離子和消除注入造成的晶格損傷。而采用傳統的擴散爐高溫熱處理不僅時間漫長,而且其退火工藝會造成注入離子的嚴重再擴散;只有采用快速熱處理工藝的高溫短時間退火才能既保持離子注入原有的分布,又徹底消除注入損傷。為了能夠達到快速、無損的熱處理目的,李志堅請在德國學習過“離子注入退火技術研究”的錢佩信來攻克這一難題,錢佩信和同事從無到有地建立了一套有別于傳統思路的采用射頻感應加熱石墨板作為紅外輻射熱源的快速退火實驗裝置,來完成快速熱處理。經過反復實驗研究、分析測試,獲得了令人滿意的預期效果。

      1989年11月,1兆位漢字只讀存儲芯片開始正式流水生產,但經測試發現第一批流水出來的芯片性能未能達到預期要求。李志堅和徐葭生、李瑞偉一起進行分析,從設計到工藝再到性能測試。李瑞偉回憶:“那時候大家一起討論,做不出來什么原因。這樣大的一個項目不可能一下子做就做出來的,做不出來的話就要分析,是不是設計有問題?板圖有問題?還是工藝有問題?就要多方面全方位的分析。”②為了更快地發現各種問題,李志堅帶領大家發明了一種測試分析軟件。一般來說出現問題的表現是編碼錯誤,不同的問題會有不同的表現,這樣就可以通過一個分析程序把測試結果按一定方式分成幾個大類,然后快速定位問題區。有了分析軟件,他們就采用逐步分析測試和實現的方法,從幾千個管芯的實驗芯片開始,通過對一些工藝參數進行適當調整,測試無誤再增加管芯數量,從幾萬個管芯、幾十萬個管芯,直至一百萬管芯。

      就這樣,李志堅帶領大家終于研制成功具有我國獨立自主版權,在性能指標上達到世界先進水平的1兆位超大規模集成電路漢字只讀存儲器,并且建成了1微米試驗工藝線。1991年,1兆位超大規模集成電路漢字只讀存儲器通過了部級技術鑒定。

    此前工序完成階段芯片保存在清華大學王水弟教授處,照片由李明洋拍攝。

    此前工序完成階段芯片保存在清華大學王水弟教授處,照片由李明洋拍攝。

      1兆位超大規模集成電路漢字只讀存儲器,是我國各類計算機的重要元件之一。其特點是:在面積為6.4×6.5平方毫米芯片上,共集成了106 萬個晶體管,采用1.5微米設計規則的N阱硅柵CMOS工藝,28條外引線雙列直插式封裝。其中每個漢字點陣為16×16位,用二片芯片共容納了7830個漢字和多種實用字符,字數和字形均達到國家二級漢字庫標準。其主要性能與國際上同類產品的技術水平相當,讀取速度小于20納秒。

      1兆位超大規模集成電路漢字只讀存儲器及其試驗工藝線的研制成功,宣告我國首次跨上了1.5微米工藝和百萬個元器件集成度的技術臺階,是我國超大規模集成電路技術的一次突破性進展。伴隨著我國在超大規模集成電路研制上的突破,1991年3月,巴黎統籌委員會對我國的半導技術和設備的禁運也降到了2.5~2微米(圖5)。


      此后,李志堅帶領清華大學微電子所同仁繼續推進了這一研究,將建成的1微米試驗工藝線改造成為了一個綜合的1微米級成套工藝研究和相應ASIC(專用集成電路)開發和加工的基地,經適當的設備補充和條件改善以生產小批量多品種集成電路,可以滿足國家(如國防及高技術)對超大規模集成電路產品的急需。在建立這條線和開發CMOS工藝中開展的一些有關專題(小尺寸MOS器件模型,淺PN結制備,高性能超薄柵介質制備,硅化物自對準歐姆接觸形成,器件的三維模擬,亞微米MOS器件的熱電子效應研究等)的成果可以在今后的亞微米技術中得到應用,有些可推廣到國內有關廠所。

      1991年8月26~29日,國家“七五”科技攻關成果展覽會在京舉行,1兆位漢字只讀存儲器在清華展臺的醒目位置,黨和國家領導人江澤民、李鵬等參觀了清華展臺并和李志堅進行了交流。1991年9月30日,《人民日報》頭版刊載文章“清華大學微電子所傳來喜訊 我微電子技術跨上1微米級臺階”,其中寫道:“此項工藝技術的開發成功,縮短了我國集成電路工藝與世界先進水平的差距,對我國集成電路技術的自主發展具有重大的戰略意義”。10月14日,《人民日報》頭版再次刊載文章“獻給共和國的圓滿答卷”,報道了清華大學微電子所研制成功1兆位只讀存儲器芯片。


      鑒于中國微電子技術已經達到微米級臺階,且完全能夠獨立生產1M位的只讀存儲器,1991年9月,巴黎統籌委員再次調整了對中國微電子技術的相關禁運,1M位的只讀存儲器和靜態存儲器全部對中國開放(圖7)。至此,我國的微電子技術突破了1微米臺階,突破了西方國家對我國超大規模集成電路與的全方位封鎖,開始向超大規模集成電路及其產業化的方向發展。


      在1微米工藝開發的過程中,李志堅團隊取得了一系列的榮譽和獎勵。1990年,“超大規模集成電路高溫快速熱處理技術與設備”,獲得了國家技術發明二等獎(錢佩信排名第一)。1991年,“離子注入半導體瞬時退火設備”獲得中國專利金獎(錢佩信排名第一)。1993年,“1~1.5微米成套工藝開發及1兆位漢字庫只讀存儲器”獲得電子工業部科技進步一等獎(李志堅排名第一)。1995年,“1~1.5微米成套工藝開發及1兆位漢字庫只讀存儲器”獲得國家科技進步二等獎(李志堅排名第一)。1991年11月,經國務院批準,李志堅當選為中國科學院(技術科學部)學部委員,中國半導體行業的新院士誕生了。李志堅帶領大家圍繞著國家科研任務,一方面推進了清華大學微電子學研究所的建設;另一方面培養了一批微電子方面的領軍人才,產生了一大批有深遠意義的論文和成果。

      值得一提的是,1微米攻關過程并非僅僅由清華大學微電子所一家獨自完成,這其中有著國內多家微電子研究機構和相關專家的協作。3微米研制過程中的測試軟件,就是清華微電子所與中國科學院微電子中心合作開發出的,從而解決了一個重要難題。國家自然科學基金的重大任務更是由清華大學、中科院半導體所、北京大學三家單位共同承擔(見圖3)。為了研究方便,中國科學院半導體研究所的林蘭英院士從國家經費里買了一臺分子束外延就放在中科院微電子中心,大家共享使用。北京大學王陽元也曾回憶:“項目上有很多合作,我記得當初4K MOS DRAM,是北大設計的,在清華開發研制成功的”。

    微米級臺階跨越的影響及意義


      首先,超大規模集成電路的研制成功和微米級工藝臺階的跨越,提升了我國微電子技術研究和生產的水平。1990年8月,國家提出“908工程”,目標是在“八五”(1991~1995年)期間半導體技術達到1微米。1992年,清華大學微電子所“1~1.5微米成套工藝開發及1兆位漢字庫只讀存儲器”這一成果達到了中試的水平,并成功轉產給“八五”期間國內集成電路骨干企業——1989年成立的無錫華晶微電子公司,這條線后來經過增容、升級,已具有0.5~0.8微米工藝技術、月產3000片5英寸(硅片直徑)硅片的能力。“八五”期間,我國集成電路生產線從4英寸相繼發展為5英寸和6英寸的生產線。

      此外,超大規模集成電路封鎖突破后,我國可以從西方國家直接引進高端設備。1992年,無錫華晶微電子公司開始從美國朗訊科技公司引進0.9微米工藝技術、月產6000片6英寸硅片的生產線。1995年初,華晶微電子公司采用1微米工藝研制出8位雙向收發器。1995年5月。中國科學院微電子中心開發成功0.8微米工藝,研制出7000門通用模糊控制電路,單項工藝達到0.5微米,是當時國內最高技術水平,相當于國際上80年代末的水平。

      超大規模集成電路的研制成功和微米級工藝臺階跨越的另一個重大影響在于拉動了我國微電子產業的發展。90年代長期負責電子工業的胡啟立曾回憶,他曾被問過多次:“中國人原子彈都做出來了,難道就做不出芯片?你們集中全國的科技人員來攻關,一定可以把芯片給攻下來!”,開始的時候胡啟立覺得也很有道理,搞集成電路是不是也可以走“兩彈一星”那樣自力更生的道路呢?后來,胡啟立意識到集成電路的生存和發展與“兩彈一星”是有著本質區別的。“兩彈一星”是一項國家事業,是國家的戰略力量,是非賣品,可以不受價值規律和產業發展規律約束,不需要通過商業化發展;然而,集成電路是一項戰略性產業,需要商業化的經營與運作,需要面向廣泛的需求和市場,需要形成相當大的產業規模并且要取得良好的經濟效益,才能良性發展。

      正因如此,集成電路一定要走向市場,形成產業,取得效益。集成電路產業需要資金、市場、技術、人才和政策五個方面的協同支持。而超大規模集成電路的研制成功和微米級工藝臺階的跨越在技術和人才兩個方面都推動了我國集成電路的產業化。1995年11月,國務院提出“909工程”,其主要內容是:計劃投資100億,建設一條8英寸、0.5微米技術起步、月加工2萬片的超大規模集成電路生產線,并且構造成產業鏈。1996年,“909工程”獲得中央批準,上海華虹微電子有限公司成立。1997年,華虹微電子引進日本NEC的資金、管理和技術。1999年,華虹-NEC公司投產0.35微米,64M同步動態存儲器(S-DRAM),達到了當時國際主流水準。由圖8可見,20世紀90年代中期起,我國的微電子產業開始進入了快速發展時期,在產量突飛猛進的同時,銷售額也開始迅速飛升;此外,90年代以后我國集成電路芯片的平均售價也開始逐漸下降。這些數據清晰地說明,90年代初期開始,我國的集成電路真正開始走向產業化和市場化之路,而這條道路的開端正是緣于超大規模集成電路的研制成功和微米級技術臺階的跨越。


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