科研之路

1958年，我畢業(yè)之年，集成電路在美國(guó)發(fā)明，揭開了信息時(shí)代微電子芯片創(chuàng)新的序幕。從此我就與集成電路結(jié)下了終身之緣。

到2019年，集成電路已經(jīng)發(fā)明61年，它已如同組成人體的細(xì)胞一樣，和軟件一起成為信息社會(huì)的基礎(chǔ)元素，無處不在，成為人們生活和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中不可或缺的必需品。集成電路的科學(xué)技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的標(biāo)志之一，是當(dāng)之無愧的國(guó)之重器。

從教61年來，我體會(huì)最深的兩句話是：科學(xué)研究的本質(zhì)在于創(chuàng)新，教書育人的靈魂在于啟迪。在我的科研之路上發(fā)生了很多事，在此我想重點(diǎn)回憶六件事。

硅柵N溝道1024位MOS動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的研發(fā)過程

1969年，我們聚焦于研發(fā)大規(guī)模集成電路。那個(gè)時(shí)期，我在反復(fù)思考一個(gè)問題：選擇什么樣的課題才能對(duì)國(guó)家微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展有更大貢獻(xiàn)，并能立足國(guó)際微電子技術(shù)發(fā)展前沿？帶著這個(gè)問題，我和同事們開展了深入的調(diào)查研究。在調(diào)研過程中，圖書館常有一個(gè)角落的燈光亮到凌晨?jī)扇c(diǎn)。經(jīng)過近半年時(shí)間的調(diào)查研究和數(shù)十次的專業(yè)討論，大家一致認(rèn)為：硅集成電路存儲(chǔ)器由于其穩(wěn)定、可靠并可以低成本大批量生產(chǎn)的特性，必將替代磁芯存儲(chǔ)器；而在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，當(dāng)時(shí)又以硅柵N溝道技術(shù)性能最好，集成密度又高，因此硅柵N溝道技術(shù)必然能成為對(duì)產(chǎn)業(yè)最有影響力的微電子前沿技術(shù)。我們最后選定了這個(gè)方向，決心研制硅柵N溝道1024位MOS動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（DRAM）。我擔(dān)任該課題領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)。

經(jīng)過6年多堅(jiān)持不懈的奮斗，我們采用了多種途徑來消除技術(shù)瓶頸的困擾，在無數(shù)次失敗的基礎(chǔ)上總結(jié)科學(xué)規(guī)律，終于克服了設(shè)計(jì)掩膜版制作、硅柵薄膜生長(zhǎng)和氧化層離子沾污等多項(xiàng)技術(shù)難題，1975年研制成功了國(guó)內(nèi)第一塊3種類型（硅柵P溝道、鋁柵N溝道和硅柵N溝道）1024位MOS動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取儲(chǔ)存器，獨(dú)立自主地開發(fā)出了全套硅柵N溝道技術(shù)，被稱為我國(guó)MOS集成電路技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中具有里程碑意義的事件。它比Intel公司研制成功硅柵N溝道MOS DRAM只晚了4年，因此獲得了1978年全國(guó)科學(xué)大會(huì)獎(jiǎng)。研究的過程非常艱辛，有人說是這用“汗水”澆灌成的，我說是用“鮮血”凝成的，因?yàn)槊垦兄瞥晒σ粔K電路，我的十二指腸就會(huì)出血一次，最嚴(yán)重的一次是我從實(shí)驗(yàn)室走廊被直接送到北醫(yī)三院去急救。

我們獲得初步成功和成果之后，沒有孤芳自賞。為了提高全國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，我們組織了3期短訓(xùn)班，無償?shù)貙⒖嗫鄪^斗了6年得到的科研成果的設(shè)計(jì)版圖轉(zhuǎn)給20多個(gè)單位。不僅如此，我們還派出小分隊(duì)去相關(guān)公司講課、輔導(dǎo)，幫助同行解決技術(shù)上的困難，讓他們以最快的速度使我國(guó)MOS集成電路技術(shù)和產(chǎn)業(yè)水平上了一個(gè)新的臺(tái)階。北京大學(xué)微電子學(xué)研究所也因此一直被認(rèn)為是硅柵N溝道技術(shù)的主要發(fā)源地和開拓者。

奮戰(zhàn)“1024”的革命精神和科學(xué)分析精神一直是我們微電子學(xué)研究所的光榮傳統(tǒng)，也是我們此后不斷取得科技攻關(guān)勝利的寶貴精神力量?！?024”精神就是面對(duì)國(guó)家的急需，不怕困難，迎難而上，分析困難，解決困難，是大無畏的革命精神與理性地提出問題、分析問題和解決問題的科學(xué)精神相結(jié)合的典范。

多晶硅薄膜物理和MOS絕緣層物理研究

在總結(jié)硅柵N溝道1024位MOS動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器研制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，我認(rèn)為還有兩個(gè)技術(shù)的科學(xué)規(guī)律沒有被充分理解與掌握，需要我們進(jìn)一步加強(qiáng)研究。于是，我們開展了對(duì)多晶硅薄膜物理和MOS絕緣層物理的系統(tǒng)研究。

在多晶硅薄膜研究方面，我們首先針對(duì)多晶硅薄膜氧化層增強(qiáng)氧化現(xiàn)象對(duì)集成電路成品率和性能影響這一關(guān)鍵因素進(jìn)行研究。對(duì)多晶硅薄膜存在晶粒間界的物理特征，提出了是晶粒間界在氧化過程產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致了氧化增強(qiáng)現(xiàn)象的觀點(diǎn)。為此開展的TEM（透射電子顯微鏡）實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)推測(cè)理論的正確性，我們還總結(jié)提出“應(yīng)力增強(qiáng)氧化”模型，進(jìn)一步據(jù)此推導(dǎo)出了指導(dǎo)多晶硅薄膜氧化的工程方程和特征參數(shù)。

MOS絕緣層物理研究則是另一個(gè)來源于實(shí)踐過程的研究課題，當(dāng)時(shí)在1024位MOS DRAM研究過程里柵氧化層中離子沾污引起的硅表面反型和閾值電壓不確定，導(dǎo)致我們1024位存儲(chǔ)器常常做不出來，這促成了我們多位教授（主要是譚長(zhǎng)華、許銘真、吉利久等）之間的合作，系統(tǒng)研究氧化層中離子沾污的測(cè)試方法和它的規(guī)律，這些工作的深入研究使北大微電子所MOS絕緣層物理研究室躍進(jìn)了世界水平的行列。

研究科學(xué)問題要善于抓住事物的本質(zhì)特征，例如多晶硅薄膜的本質(zhì)特征是存在晶粒間界，然后以此出發(fā)，提出問題，分析問題，并解決問題。這是對(duì)一個(gè)從事教學(xué)和科研的人員的基本素質(zhì)要求。

ICCAD三級(jí)系統(tǒng)和集成電路產(chǎn)品開發(fā)

20世紀(jì)80年代初，我國(guó)加大發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的力度，為此首先要發(fā)展設(shè)計(jì)業(yè)。誰掌握集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ICCAD）工具（被稱為“皇冠上的明珠”），誰就掌握了主動(dòng)權(quán)。當(dāng)時(shí)我國(guó)政府曾與法國(guó)談判，試圖通過技術(shù)引進(jìn)來解決軟件工具的源程序問題，但由于“巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)”對(duì)華禁運(yùn)高新技術(shù)，使我們下決心自己組織力量來開發(fā)大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

這是一項(xiàng)戰(zhàn)略性的任務(wù)。時(shí)任電子工業(yè)部部長(zhǎng)李鐵映同志專門邀請(qǐng)我出來擔(dān)綱。1986年，我受命擔(dān)任全國(guó)ICCAD專家委員會(huì)主任和全國(guó)ICCAT專家委員會(huì)主任。為確保成功完成這項(xiàng)使命，在電子工業(yè)部和微電子局的領(lǐng)導(dǎo)下，我組織總體組，設(shè)定了以研制成功滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)需要的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集成化、實(shí)用化的大型ICCAD系統(tǒng)為目標(biāo)；組織了全國(guó)包括高等院校、科學(xué)院和工業(yè)研究部門各單位從事ICCAD軟件工具開發(fā)研究與應(yīng)用的優(yōu)秀人才，聯(lián)合攻關(guān)、集中開發(fā)；同時(shí)，組織力量，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和人才，制定了國(guó)內(nèi)外相結(jié)合的工作方針。

在全國(guó)聯(lián)合攻關(guān)會(huì)上，我說：“國(guó)家的需要就是我們科技人員報(bào)效祖國(guó)的方向，現(xiàn)在就是我們報(bào)國(guó)的最好時(shí)機(jī)。我們一定要急國(guó)家所急。我們一定要科學(xué)分析，鍥而不舍，集中力量打殲滅戰(zhàn)，解決問題?！薄安唤鉀Q這個(gè)問題，我‘決不罷休’！”

經(jīng)過6年的奮斗，我們成功研制了全國(guó)第一個(gè)按軟件工程方法開發(fā)的大型集成化的超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該項(xiàng)目獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。這使我國(guó)繼美國(guó)、西歐、日本之后進(jìn)入能自行開發(fā)大型ICCAD系統(tǒng)的先進(jìn)國(guó)家行列，不僅打破了西方國(guó)家對(duì)我實(shí)行的封鎖，而且為我國(guó)集成電路設(shè)計(jì)業(yè)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。這一成果使我國(guó)揚(yáng)眉吐氣，從此能夠在平等基礎(chǔ)上與西方國(guó)家談國(guó)際合作與交流。這是我最自豪的一件事。

1992年，江澤民主席等中央領(lǐng)導(dǎo)親自聽取我們的成果匯報(bào)。時(shí)任機(jī)電部副部長(zhǎng)曾培炎同志指著我對(duì)李鐵映同志說：“你當(dāng)年把他請(qǐng)出來主持這項(xiàng)工作，現(xiàn)在他圓滿地完成了任務(wù)。”

參與特種應(yīng)用集成電路的研究

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，微電子是信息化裝備的基礎(chǔ)，建設(shè)自主的微電子預(yù)研體系則是一項(xiàng)基礎(chǔ)工程。1988年，中國(guó)電子科學(xué)研究院組建電子預(yù)研管理機(jī)構(gòu)，成立了先進(jìn)微電子技術(shù)專家組，邀請(qǐng)我擔(dān)任組長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，1990年國(guó)防科工委成立了微電子技術(shù)專業(yè)組，我同時(shí)擔(dān)任國(guó)防科工委科技委兼職委員和微電子專業(yè)組組長(zhǎng)，組織開展先進(jìn)微電子預(yù)研系統(tǒng)建設(shè)。

當(dāng)時(shí)國(guó)家建設(shè)亟須一種“1750”的先進(jìn)技術(shù)，也是國(guó)外對(duì)我們封鎖的技術(shù)之一。為此，國(guó)防科工委給我們下命令，必須兩年內(nèi)研究出來該技術(shù)。我們?cè)趶]山召開會(huì)議，面對(duì)國(guó)際的封鎖，大家群情激奮，我說：“軍威是國(guó)威的集中表現(xiàn)，能夠參與我國(guó)的先進(jìn)裝備建設(shè)，是我最興奮、最有激情的事，也是我們科研人員的報(bào)國(guó)之機(jī)。”為此，我們組織了兩個(gè)攻關(guān)小組，都立下了軍令狀，下定決心，排除萬難。最終我們?nèi)缙诠タ肆诉@個(gè)難關(guān)，及時(shí)滿足了裝備的需要。

這也是我非常自豪、非常興奮的一件事。擴(kuò)展集成微系統(tǒng)研究，創(chuàng)建國(guó)家級(jí)微米與納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

發(fā)展未有窮期，奮斗永不言止。20世紀(jì)90年代初，以硅馬達(dá)的研制成功為標(biāo)志的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開始發(fā)展。這是一個(gè)新的硅集成微系統(tǒng)發(fā)展方向，不僅可以與精密機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合，而且是可以廣泛地與光學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)和數(shù)學(xué)等多學(xué)科交叉發(fā)展的一門新興技術(shù)學(xué)科。北大是一所多學(xué)科綜合性大學(xué)，具有發(fā)展這一學(xué)科的優(yōu)勢(shì)。在學(xué)校支持下，我與同事們一起向國(guó)家有關(guān)部門申請(qǐng)獲批，1996年在北大建立了國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，我任主任。

實(shí)驗(yàn)室一開始定位有四原則：（1）必須是國(guó)際先進(jìn)水平的；（2）組織力量，自力更生，解決關(guān)鍵的“卡脖子”問題，旨在從根本上提升我國(guó)MEMS研發(fā)水平；（3）向國(guó)內(nèi)外開放，培養(yǎng)人才，特別要開放給博士生，讓他們有自己動(dòng)手的機(jī)會(huì)；（4）注重科技成果向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

經(jīng)過10年的奮斗，我們終于建立了我國(guó)第一個(gè)與集成電路兼容的MEMS設(shè)計(jì)和加工平臺(tái)，開發(fā)了三套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝加工技術(shù)，發(fā)布了第一套MEMS CAD設(shè)計(jì)軟件。

耶魯大學(xué)校長(zhǎng)理查德在參觀我們實(shí)驗(yàn)室后回到美國(guó)，在《紐約時(shí)報(bào)》發(fā)表文章說：“我在北京大學(xué)參觀，看到他們有可以從事兩種工藝研究的兩條生產(chǎn)線^[1]，他們的裝備和技術(shù)的先進(jìn)性，即使在國(guó)外大學(xué)里面也很難找到與之相媲美的。”

2006年，“硅基MEMS技術(shù)及應(yīng)用研究”項(xiàng)目獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

創(chuàng)建中芯國(guó)際

1999年，在黨中央國(guó)務(wù)院對(duì)高新技術(shù)發(fā)展高度重視和國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的形勢(shì)下，我國(guó)微電子產(chǎn)業(yè)建設(shè)迎來了一個(gè)新的快速發(fā)展時(shí)期。在總結(jié)國(guó)際集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律以及我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)幾十年來發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，我認(rèn)為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵在于：在機(jī)制上要有所創(chuàng)新，要突破傳統(tǒng)模式，走開放改革之路；要利用國(guó)內(nèi)、國(guó)際兩種資源，面向國(guó)內(nèi)、國(guó)際兩個(gè)市場(chǎng)，引進(jìn)組織國(guó)際化的一流愛國(guó)團(tuán)隊(duì)和技術(shù)，共同創(chuàng)建我國(guó)具有世界先進(jìn)水平的集成電路制造企業(yè)。

1999年年底，適逢張汝京博士等一行來國(guó)內(nèi)考察建設(shè)集成電路生產(chǎn)線的可能性，經(jīng)過信息產(chǎn)業(yè)部有關(guān)人士的介紹，我們當(dāng)即約定會(huì)面。和張先生見面后，我首先闡述了建設(shè)集成電路生產(chǎn)線的建議和可行性，隨后在他們考察的基礎(chǔ)上，我們第二次在深圳聽取了他們的報(bào)告，共同討論合作建設(shè)的方案和措施。這真是“天時(shí)、地利、人和”，就是這短短兩次的會(huì)談，成就了中芯國(guó)際集成電路制造有限公司（簡(jiǎn)稱中芯國(guó)際）的創(chuàng)建。

2000年1月，中芯國(guó)際召開了第一屆董事會(huì)，決定總部設(shè)在上海。2000年8月，中芯國(guó)際在上海浦東張江正式破土動(dòng)工，13個(gè)月后，2001年9月25日即建成投產(chǎn)。2003年，中芯國(guó)際一廠被世界知名的《半導(dǎo)體國(guó)際》評(píng)為全球最佳半導(dǎo)體廠之一。

在北京市政府的大力支持下，2002年9月，我國(guó)第一個(gè)晶片直徑300mm的集成電路制造廠在北京亦莊興建，僅用了2年時(shí)間。2004年9月25日，300mm納米級(jí)的集成電路制造廠正式投產(chǎn)。時(shí)任北京市委書記劉淇和市長(zhǎng)王岐山同志親自參加了投產(chǎn)典禮。國(guó)務(wù)院總理溫家寶和國(guó)務(wù)院其他領(lǐng)導(dǎo)，以及著名科學(xué)家周光召院士、師昌緒院士等，先后都來視察300mm廠的生產(chǎn)情況，對(duì)我們倍加贊賞。

中芯國(guó)際最核心的理念是貫徹了改革開放的精神，開創(chuàng)了一個(gè)與國(guó)際接軌的運(yùn)作模式，不僅在資本、技術(shù)、市場(chǎng)、人才等各個(gè)方面能夠充分利用國(guó)內(nèi)外兩種資源，同時(shí)也為逐步培養(yǎng)我國(guó)本土人才和進(jìn)行自主研發(fā)提供了一個(gè)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化的平臺(tái)?！吨袊?guó)集成電路產(chǎn)業(yè)全書》的主要編委們經(jīng)過認(rèn)真討論，一致認(rèn)為中芯國(guó)際的創(chuàng)建在我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展中具有里程碑意義。

從創(chuàng)立中芯國(guó)際開始，我一直擔(dān)任其國(guó)內(nèi)企業(yè)的董事長(zhǎng)和法人代表，后又任其國(guó)際企業(yè)的董事長(zhǎng)。張汝京博士開始任國(guó)際企業(yè)董事長(zhǎng)和所有公司的CEO。2009年，在與中芯國(guó)際共同經(jīng)歷10年風(fēng)雨之后，我辭去了中芯國(guó)際董事和董事長(zhǎng)職務(wù)，改任中芯國(guó)際名譽(yù)董事長(zhǎng)和首席科學(xué)家。在我離開董事長(zhǎng)崗位時(shí)，中芯國(guó)際董事會(huì)給我贈(zèng)送了一個(gè)特意制作的紀(jì)念鼎，上面刻著：“王陽元教授，作為創(chuàng)始人之一，于2000—2009年期間，在創(chuàng)立和建設(shè)中芯國(guó)際集成電路制造有限公司的過程中，無私奉獻(xiàn)，建立了不可磨滅的歷史性功績(jī)，為中國(guó)和世界集成電路產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)?！?/p>

[1] 實(shí)際上不應(yīng)叫作生產(chǎn)線，翻譯問題，應(yīng)是兩條實(shí)驗(yàn)線。——作者注