肖贞林

不知从何时起，信息技术已渗透进人们生产与生活的每个角落。医疗卫生、交通运输、武器装备、航空航天、星际飞行……各行各业都离不开信息技术的支撑。时至今日，“信息化时代”已成为21世纪一大重要标签，但信息社会的基石又来源于哪里？

“我们的电子产品，不管是电脑、手机，还是各种可穿戴设备，所有的功能实际上都承载在一个小小的芯片上，而这个芯片就是通过精心设计一个个微纳尺度的电子器件的位置摆放和连接而成的，这也就是我们通常所说的集成电路产业。”上海交通大学微纳电子学系教授纪志罡如是说。

今天，集成电路已经在各行各业中发挥着至关重要的作用，是现代信息社会的基石。“这也是为何我会选择在这个领域开展研究的原因，因为离产业非常近，我希望能用自己的专业为国家做一些力所能及的事情。”纪志罡说道。

为什么这么难？

大众对于现代信息社会的基石——集成电路，有些熟悉又陌生的矛盾感。尤其近几年，随着国际贸易战、科技战的全面升级，一些国家试图用芯片、操作系统等技术限制中国信息技术的发展，一次又一次的封锁事件让“芯片”“集成电路”等词上了热搜榜，成为人们耳熟能详的“卡脖子”技术。然而，虽然时常听到这几个词，但其具体含义却鲜为人知。相比新中国成立以来成功研制的“两弹一星”、高铁、“北斗”卫星导航系统等一系列大制作、大成果，人们对这样一枚小小的芯片为何难倒这么多人充满了疑惑。

集成电路产业的核心目标就是制作出支撑信息社会的各种芯片。每一个芯片里面的核心则是比头发丝还小几千倍的微型电子器件。集成电路制造厂商需要开发先进的工艺制造出一个个这样的电子器件并按照电路设计师的要求把它们连接在一起，最终制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构。“我们现在看到的电子产品越来越多，功能也越来越多，比如手表还有其他可穿戴设备，我们希望它们不仅能有更多的功能，与此同时功耗又非常低，尽量可以满足大家长时间使用的需求，这些要求最终都要在芯片上实现，也就是说我们怎么样才能把这么多功能承载在一个小小的芯片上，实际上最终还是落在一个个微纳电子器件上，怎么才能做出可靠、质量高、良率高的微纳电子器件？这其实就是我们研究的核心方向之一。”纪志罡介绍。

这样的微纳电子器件制作到底难在哪儿？其实，从集成电路诞生的历程就能窥见一斑。1946年，世界上第一台电子计算机在美国诞生：这是一个占地150平方米、重达30吨的庞然大物，里面的电路使用了近18000只电子管、6000个开关、7000只电阻、10000只电容以及50万条线，耗电量高达140千瓦。虽然这台计算机的问世，标志着电脑时代的开始，但由于使用的电子管体积很大，耗电量大，易发热，因而工作的时间不能太长。显然，这样的庞然大物无法满足人们的日常要求，能否减小它的体积？晶体管的发明使这种想法成为了可能，在此之前要实现电流放大功能只能依靠体积大、耗电量大、结构脆弱的电子管。而晶体管具有电子管的主要功能，并且克服了电子管的上述缺点，因此在晶体管发明后，很快就出现了基于半导体的集成电路的构想。1958年，世界上第一块集成电路问世，它的发明人之一杰克·基尔比（Jack Kilby）还因此获得了2000年的诺贝尔物理学奖。

此后，集成电路进入了快速发展阶段。1964年，Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍；1966年，美国贝尔实验室使用比较完善的硅外延平面工艺制造成第一块公认的大规模集成电路；1978年，64kb动态随机存储器诞生，不足0.5平方厘米的硅片上集成了14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临……集成电路开始向体积越来越小、功能越来越多的方向不断发展。

“实际上跟人们打交道的并不是器件本身，而是一个电路，甚至于一个系统，就像盖房子一样。不过，一块砖头如果有裂缝并不影响整个房子的建筑，但电子器件不是这样，它每一个部分的要求都非常高。”纪志罡说。

从庞然大物到毫米、微米甚至纳米级的改变，其背后的艰辛可想而知。半个多世纪以来，集成电路发展史上每一次历史性跨越无不依赖于背后设计、制作工艺的整体水平升级。2003年，Intel正式推出奔腾4E系列，它采用90nm工艺，标志着芯片工艺正式进入纳米时代。

“这是一个里程碑式事件，此前集成电路芯片工艺一直停留在微米级别，消息出来后国内也深受震撼，我们当时也在跟国内芯片制造领域的一家先进企业合作，希望能做出纳米级的芯片，但太难了，就是做不出来。”纪志罡感叹。

如果不限制大小空间，要实现多少功能都很容易，但如果想在几十纳米、几纳米器件上实现这么多功能简直难如登天。在芯片工艺进入纳米时代的那一年，纪志罡刚刚考上北京大学微电子学与固体电子学硕士专业，在导师的带领下与国内芯片公司合作不断向纳米级芯片发起挑战，但遗憾的是最终未能成功。“其中很重要的一个问题就是良率不过关，还有可靠性问题。这也促使我在读博士的时候选择了可靠性作为研究方向。”纪志罡说道。

2006年，在英国利物浦约翰摩尔斯大学纳米电子学攻读博士的纪志罡开始将可靠性作为重点研究方向。在晶体管长期可靠性/可涨落性建模方面，作为该领域最早认识到测量速度重要性的几位研究人员之一，2007年读博期间，纪志罡就开发了自制的测试设备，实现微秒级的测量速度。在此基础上，他首次通过实验确定了快速氧化陷阱的存在，推翻了当时普遍公认的理论假设。基于此，他通过实验导出其恢复的物理过程，提取带隙内外的缺陷能量分布，实验分离生长和生成的缺陷，从而开发出新的As-grown-Generation（A-G）模型，并已经成功应用于多种可靠性领域，实现精准的长期可靠性评估。不仅如此，该研究工作也获得了2017年度英国国家牛顿奖提名，以表彰其对英国国家经济和电子器件研究所作的贡献。

“虽然我选择了可靠性作为研究方向，但之前总觉得在集成电路领域一般比较大的影响都来自于企业或者很大的研究机构，前半个多世纪的发展历史也是这样，但是这个奖项的入围让我意识到只要在一个方向上不断突破，衍生出来的可能性可能远比我们想象得要多。”纪志罡说。

不可忽视的可靠性

2006年，在纪志罡将可靠性作为未来发展方向之时，很多人对此其实并不太理解，总是会问为什么要做可靠性？这有什么意义？把芯片功能做出来不就可以了？

“当时国内对可靠性的认识的确不足，实际上国内现在才开始往这个方向去做，而欧洲2006年就已经开始以可靠性为中心来做设计和制造了。”纪志罡说道，“从集成电路的角度来讲，可靠性是一个非常核心的方向。以前对于不是特别小的器件，可靠性问题还不是很凸显，但现在随着器件越来越小，想把它做好的代价也越来越大了，甚至于不是任何一家公司或者几家公司能够承受的情况。”

据了解，一块7nm芯片大概需要4000道工艺流程，一个7nm工艺的芯片制造工厂，它的建设成本大概是100亿到200亿美元，这几乎相当于航空母舰战斗群的制造价格。巨大的成本无疑代表着一旦制造工艺失败随之而来的就是无法想象的代价。在这样的情况下，行业开始提出如何能用不可靠的器件来建立一个可靠的电路或者可靠的系统。

“这就需要我们对电子器件有一个深刻的物理认知，然后从中得到一个可靠性的模型，利用数学方法把这些模型进行合理简化、计算，最终做出一个电路的时候我们不仅知道这个电路的功能是什么，还能选择性地去看，如果某些器件出现问题，这个电路是否还能正常工作。有了这样的系统，人们就能考虑如何设计新的架构、新的算法来弥补器件上的不足。换句话说，我们的工作相当于在设计和制造中间加了一个纽带把它们联系起来。”纪志罡介绍，可靠性研究涉及的范围其实很广，比如现在做微纳电子器件的技术路线有很多，做出来的种类也是五花八门，但如何评估出最合适的电子器件以及如何把这样的电子器件做好，就涉及可靠性的表征技术方面。

半导体器件表征技术对于器件制造技术流程开发及其材料选择至关重要，是确保电子器件生产的关键环节。国际生产厂商（如：Intel）和顶级研发机构（如：微电子研究中心，简称IMEC）均有专门的部门来进行针对性的技术设计以及部署。而由于关键工艺和集成技术的限制，中国在此领域的研究总体还比较落后。

基于多年研究经验，纪志罡在微纳器件核心表征技术开发方面取得多个重要突破，开发出多种适合于纳米尺度先进工艺下的器件表征技术，如微纳器件沟道迁移率提取技术。该技术为第一个基于超快测量平台的测量技术，实现小尺度及高漏电的器件中的真实迁移率提取，确保工艺技术人员理解未成熟工艺器件的可靠性根源，并提出解决方案。该技术得到吉时利仪器公司（Keithley）的认可和现金资助。在其支持下，该技术已被包含在其商业产品Keithley 4200半导体设备的功能库中，并在Test Patterns杂志上报道。根据该公司提供的统计数据，该应用已在79家机构使用。

还有快速晶圆级可靠性监控技术(fWLR)。fWLR可缩短电子器件可靠性评估时间，实现快速周转，因此在亚10纳米器件开发中至关重要。纪志罡和北京大学共同开发的VSS技术将传统可靠性评估周期从几天缩短到不到两小时。基于该技术，他进一步开发出的dVSS技术，将其适用性又进一步扩展到器件性能涨落性的评估。

与此同时，在高可靠性的微纳器件工艺优化方面，纪志罡同样取得了诸多创新成果。CMOS技术的成功推动了MOSFET特征尺寸的不断缩小，这不可避免地接近了基本极限，需要使用新颖的材料和新的器件结构。尽管已经制造和报告了许多创纪录的器件，但它们的可靠性存在严重问题。对此，纪志罡进行了系列研究。在锗基器件可靠性优化方面，他首次通过实验方式识别并提取出两种类型的边界陷阱及其能量分布，并通过物理仿真，标定出其物理来源，实现工艺优化，最终和IMEC的同事一同将其最大工作电压提高了1.7倍，并在当年顶级会议VLSI-T上宣读。此外，该工作也被邀请在IMEC内部介绍给其工业合作伙伴。在新材料器件ESD可靠性工艺优化方面，他还首次设计出fTLP技术跟踪缺陷位置，利用该技术，第一次揭示了新材料和结构中的ESD的物理起源和缺陷机制，为新材料器件的ESD响应提供了清晰的物理模型，并基于该理论，成功为新型InGaAs器件选择合适衬底材料和生长条件完成优化。这项工作在IEEE国际可靠性物理研讨会中受到好评，并受邀在由静电放电协会（EDA）举办的国际静电放电研讨会（IEW）上进行讲演。

到目前为止，在可靠性相关研究方面，纪志罡已发表和指导SCI论文超过100篇。在五年一次的英国研究评级中，他代表电子工程系准备并提交其研究成果影响案例，并被英国国家评审委员会评价“相当大的影响”。

纪志罡介绍，在欧洲进行可靠性研究的这些年，给他留下了极为深刻的印象。在他看来，除了学术研究上的创新之外，产学研合作也是至关重要的一点。

“我们跟很多单位一起合作，包括IMEC这样的顶级研发机构，还有大学、企业等，每个单位都有自己擅长的地方以及看待问题的角度，通过这些闭环我们能很快找到哪些是正确的结论、哪些是错误的结论，并且非常有效地将整个项目组织起来。同时在这个过程中不断有新的合作者加入。比如我们有一些同学毕业后去了马来西亚，又把这个项目延伸到了马来西亚，之后与马来西亚的工业界合作，帮助他们尽快筛选电子器件的可靠性，同时也让我们的工作跟产业迅速结合起来扩大影响力，进而形成良性循环。”纪志罡说道。

芯片的发展离不开生态

2019年年底，正值国内集成电路领域发展最需核心专业人才之时，在英国利物浦约翰摩尔斯大学电子工程系研究工作十余年的纪志罡，加入了上海交通大学微纳电子系工作，正式成为归国潮一员。如纪志罡所言，能用自己所学的专业为国家做一些力所能及的事情，也是他最初的科研目标。

“以前国内对集成电路可能没有太多的关注，但未来肯定不会了。从总体趋势来看，这几年国内外差距也在不断缩小。但是集成电路有一个很大的问题就在于它是一个交叉学科，需要各个不同领域的人参与进来，而且不仅是集成电路一个产业，还涉及数学、物理、化学等各个学科，需要不同的老师、工程师们紧密合作才能解决‘卡脖子’问题。”纪志罡说道。

不过，在纪志罡看来，中国在这方面其实有很大的优势。一是近几年的归国潮在各个领域都集聚起了一大批优秀人才，这些人才在各自的方向都取得了杰出成果，而且合作意识都很强；二是严峻的国际形势某种意义上也是一大助推器，能帮助国家尽快地调整思路，集中精力攻克难关。“从历史上看，你会发现中国其实越是困难时期最后爆发出来的力量越强，而且一旦爆发出来之后总体实力都会上一个台阶。我觉得我们最大的一个特点就是危机的时候特别团结，不管遇到什么样的难关，最终一定能够以某种方式解决问题，甚至会以我们想不到的方式发生。包括2020年新冠肺炎疫情发生，一说封城大家几个月足不出户，这在任何一个国家都是很难做到的。”纪志罡感叹。

从集成电路领域来看，国内近两年也开始出现一些拥有自主知识产权的企业。“我们缺少的不是技术，其实是一个生态。”在纪志罡看来，一个东西到底好不好，需要在一个生态中去磨炼，最终磨成大家都能接受的样子，而此前国内芯片没有发展起来其实就是缺少这样可供磨炼的生态。

“如果人们手中已经拥有好用的电脑了，肯定不会扔掉电脑去用非常落后的计算器，现在国外对我们实行的一些封锁禁令在一定意义上其实创造了一个非常好的生态环境，在这样的环境下我相信我们的产业会发展得很快。”而且，在他看来，对于如今已经进入10nm、7nm的芯片时代而言，尺寸大小已不是改善性能的唯一目标。“哪怕器件没有做到那般小，但性能达到要求的话也是可以的，现在很多性能已经证明不完全依赖于更小尺寸来实现了。”纪志罡说道。

近几年，纪志罡也在不断尝试新的思路来提高集成电路的性能。在万物联网（IoT）时代，数十亿设备将被连接。这种日益紧密联系的社会需要高度安全的方式来保护数据、基础设施和公民，否则后果可能是灾难性的。实施加密安全性很复杂，最困难的挑战之一就是创建随机数源，这是大多数安全系统的核心。在此形势下，纪志罡领导并开发了新一代的真随机数发生器。与通过模拟电路收集随机性的现有产品不同，其实现了精准缺陷注入技术，使得晶体管产生清晰二进制特性，从而通过简单的全数字电路设计获得随机性，同时自然地实现安全性，并且确保了低功耗、可靠性、芯片面积以及低成本，该项目受邀在2018年度国际顶级会议VLSI-T参加现场展示。

技术的发展依赖于生态，而今天时地利人和，中国的集成电路领域正在飞速发展中。加入上海交通大学不到一年，团队与平台的发展速度就已超出纪志罡预料。“没想到学校给予了我们这么大支持，我也希望能尽快打造出我们自己的可靠性表征和分析平台，把专业扩散到企业中去。因为目前来看，已经发现有一些我们解决了或者相对比较容易解决的问题，实际上却是很多企业‘卡脖子’的地方，我也希望能带领团队帮助企业尽快攻克难关。”纪志罡说道。