科研之路

1958年，我畢業(yè)之年，集成電路在美國發(fā)明，揭開了信息時代微電子芯片創(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胞一樣，和軟件一起成為信息社會的基礎(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。集成電路的科學技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)規(guī)模已成為衡量一個國家綜合實力的標志之一，是當之無愧的國之重器。

從教61年來，我體會最深的兩句話是：科學研究的本質(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，在此我想重點回憶六件事。

硅柵N溝道1024位MOS動態(tài)隨機存儲器的研發(fā)過程

1969年，我們聚焦于研發(fā)大規(guī)模集成電路。那個時期，我在反復思考一個問題：選擇什么樣的課題才能對國家微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展有更大貢獻，并能立足國際微電子技術(shù)發(fā)展前沿？帶著這個問題，我和同事們開展了深入的調(diào)查研究。在調(diào)研過程中，圖書館常有一個角落的燈光亮到凌晨兩三點。經(jīng)過近半年時間的調(diào)查研究和數(shù)十次的專業(yè)討論，大家一致認為：硅集成電路存儲器由于其穩(wěn)定、可靠并可以低成本大批量生產(chǎn)的特性，必將替代磁芯存儲器；而在半導體存儲器中，當時又以硅柵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方向，決心研制硅柵N溝道1024位MOS動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）。我擔任該課題領(lǐng)導小組組長。

經(jīng)過6年多堅持不懈的奮斗，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)科學規(guī)律，終于克服了設(shè)計掩膜版制作、硅柵薄膜生長和氧化層離子沾污等多項技術(shù)難題，1975年研制成功了國內(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動態(tài)隨機存取儲存器，獨立自主地開發(fā)出了全套硅柵N溝道技術(shù)，被稱為我國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年全國科學大會獎。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，因為每研制成功一塊電路，我的十二指腸就會出血一次，最嚴重的一次是我從實驗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。為了提高全國集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平，我們組織了3期短訓班，無償?shù)貙⒖嗫鄪^斗了6年得到的科研成果的設(shè)計版圖轉(zhuǎn)給20多個單位。不僅如此，我們還派出小分隊去相關(guān)公司講課、輔導，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MOS集成電路技術(shù)和產(chǎn)業(yè)水平上了一個新的臺階。北京大學微電子學研究所也因此一直被認為是硅柵N溝道技術(shù)的主要發(fā)源地和開拓者。

奮戰(zhàn)“1024”的革命精神和科學分析精神一直是我們微電子學研究所的光榮傳統(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。“1024”精神就是面對國家的急需，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動態(tài)隨機存取存儲器研制經(jīng)驗基礎(chǔ)上，我認為還有兩個技術(shù)的科學規(guī)律沒有被充分理解與掌握，需要我們進一步加強研究。于是，我們開展了對多晶硅薄膜物理和MOS絕緣層物理的系統(tǒng)研究。

在多晶硅薄膜研究方面，我們首先針對多晶硅薄膜氧化層增強氧化現(xiàn)象對集成電路成品率和性能影響這一關(guān)鍵因素進行研究。對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)生的應力導致了氧化增強現(xiàn)象的觀點。為此開展的TEM（透射電子顯微鏡）實驗證明了這個推測理論的正確性，我們還總結(jié)提出“應力增強氧化”模型，進一步據(jù)此推導出了指導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來源于實踐過程的研究課題，當時在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，導致我們1024位存儲器常常做不出來，這促成了我們多位教授（主要是譚長華、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了世界水平的行列。

研究科學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。這是對一個從事教學和科研的人員的基本素質(zhì)要求。

ICCAD三級系統(tǒng)和集成電路產(chǎn)品開發(fā)

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

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

在全國聯(lián)合攻關(guān)會上，我說：“國家的需要就是我們科技人員報效祖國的方向，現(xiàn)在就是我們報國的最好時機。我們一定要急國家所急。我們一定要科學分析，鍥而不舍，集中力量打殲滅戰(zhàn)，解決問題?！薄安唤鉀Q這個問題，我‘決不罷休’！”

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

1992年，江澤民主席等中央領(lǐng)導親自聽取我們的成果匯報。時任機電部副部長曾培炎同志指著我對李鐵映同志說：“你當年把他請出來主持這項工作，現(xiàn)在他圓滿地完成了任務(wù)?！?/p>

參與特種應用集成電路的研究

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

當時國家建設(shè)亟須一種“1750”的先進技術(shù)，也是國外對我們封鎖的技術(shù)之一。為此，國防科工委給我們下命令，必須兩年內(nèi)研究出來該技術(shù)。我們在廬山召開會議，面對國際的封鎖，大家群情激奮，我說：“軍威是國威的集中表現(xiàn)，能夠參與我國的先進裝備建設(shè)，是我最興奮、最有激情的事，也是我們科研人員的報國之機?！睘榇?，我們組織了兩個攻關(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@個難關(guān)，及時滿足了裝備的需要。

這也是我非常自豪、非常興奮的一件事。擴展集成微系統(tǒng)研究，創(chuàng)建國家級微米與納米加工技術(shù)重點實驗室

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

實驗室一開始定位有四原則：（1）必須是國際先進水平的；（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MEMS研發(fā)水平；（3）向國內(nèi)外開放，培養(yǎng)人才，特別要開放給博士生，讓他們有自己動手的機會；（4）注重科技成果向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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

耶魯大學校長理查德在參觀我們實驗室后回到美國，在《紐約時報》發(fā)表文章說：“我在北京大學參觀，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)的先進性，即使在國外大學里面也很難找到與之相媲美的?！?/p>

2006年，“硅基MEMS技術(shù)及應用研究”項目獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

創(chuàng)建中芯國際

1999年，在黨中央國務(wù)院對高新技術(shù)發(fā)展高度重視和國民經(jīng)濟高速發(fā)展的形勢下，我國微電子產(chǎn)業(yè)建設(shè)迎來了一個新的快速發(fā)展時期。在總結(jié)國際集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)律以及我國集成電路產(chǎn)業(yè)幾十年來發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，我認為我國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵在于：在機制上要有所創(chuàng)新，要突破傳統(tǒng)模式，走開放改革之路；要利用國內(nèi)、國際兩種資源，面向國內(nèi)、國際兩個市場，引進組織國際化的一流愛國團隊和技術(shù)，共同創(chuàng)建我國具有世界先進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，我們當即約定會面。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告，共同討論合作建設(shè)的方案和措施。這真是“天時、地利、人和”，就是這短短兩次的會談，成就了中芯國際集成電路制造有限公司（簡稱中芯國際）的創(chuàng)建。

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

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

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

從創(chuàng)立中芯國際開始，我一直擔任其國內(nèi)企業(yè)的董事長和法人代表，后又任其國際企業(yè)的董事長。張汝京博士開始任國際企業(yè)董事長和所有公司的CEO。2009年，在與中芯國際共同經(jīng)歷10年風雨之后，我辭去了中芯國際董事和董事長職務(wù)，改任中芯國際名譽董事長和首席科學家。在我離開董事長崗位時，中芯國際董事會給我贈送了一個特意制作的紀念鼎，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)中芯國際集成電路制造有限公司的過程中，無私奉獻，建立了不可磨滅的歷史性功績，為中國和世界集成電路產(chǎn)業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展做出了卓越的貢獻?！?/p>

[1] 實際上不應叫作生產(chǎn)線，翻譯問題，應是兩條實驗線?！髡咦?/p>