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刘红侠:侠之大者护航重器

发布日期:2022-02-20 07:38   来源:未知   阅读:

  鹏鹞环保:PPMI装配式水厂、!集成电路技术作为关键核心的微电子技术,其本质是采用微细加工的办法,尽可能使电子系统微型化。历经半个世纪,微电子技术的发展已经引起了信息系统的巨大变革,深刻改变了人类社会的方方面面,有力推动了当今信息时代和未来智能时代的发展。

  随着电子科技水平不断提高,微电子器件的功能越来越多,尺寸逐渐向纳米并轨,随之暴露的是微电子器件和集成电路制造技术滞后、可靠性无法保证等一系列问题。加之各类集成电路产品面对的应用环境日趋复杂,集成电路的可靠性问题已成为事关微电子技术发展的限制性瓶颈。特别是应用于航天的电子系统,除了数量巨大、种类繁多之外,还要面临太阳辐射、宇宙射线等对其造成的影响。

  在微电子技术产品不断更新换代的需求之下,如何平衡其规模不断变大、尺寸不断缩小、密度不断增加等与集成电路可靠性之间的矛盾?西安电子科技大学微电子学院教授刘红侠和她带领的科研团队就是游刃在多个矛盾因素之间帷幄决断、孜孜不倦的科学家群体之一。

  1986年,“挑战者”号航天飞机爆炸致使7名宇航员遇难;2003年,“哥伦比亚”号的失事又造成了7名宇航员丧生;1996年,我国利用“长征三号”乙运载火箭发射国际通信卫星708,由于一个电子元器件失效,火箭在点火起飞22秒后触地爆炸;2002年,俄罗斯进行的“光子M”国际太空实验室发射惨遭失败……这些事故的发生,都与微电子器件的可靠性相关。

  随着半导体器件的广泛应用,质量和可靠性已经成为人们普遍关注的焦点,特别在国防、航天、航空等尖端技术领域有着举足轻重的地位。自20世纪90年代以来,可靠性工程向着更深、更广的方向发展,加强可靠性研究已经成为国家提高武器装备战斗力、提高航空航天等领域高技术水平的重要手段。

  器件可靠性研究面临严峻挑战。如何才能助力推动微电子和集成电路可靠性相关科研的发展?刘红侠带领团队将研究的着力点,放在了对集成电路抗辐照领域的持续攻关上。“聚焦抗辐照技术研究,助力尖端国防”成为该团队的一大特色工作。

  为什么要聚焦集成电路抗辐照技术研究?20世纪70年代到80年代中期,国外发射的39颗同步卫星中,发生的总故障次数为1589次。其中,有1129次和空间的辐射有关。由此可见抗辐射加固技术研究的重要性,它已成为限制航空航天事业发展的瓶颈问题。近年来我国航天技术发展迅速,然而卫星和宇宙飞船的某些关键电子元器件仍然依赖进口,航天事业的迅速发展迫切需要高性能、抗辐射的核心电子元器件。随着集成电路的应用环境日趋复杂,抗辐射加固的问题已经成为微电子行业发展必须直面的重要难题。立足国家高精尖领域对抗辐射研究的迫切需求,多年耕耘,刘红侠及其团队取得了一系列的创新突破:

  高性能数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)是构建现代化武器装备的基础型器件。随着天基预警、星际通信、星际成像、天基侦察等逐渐成为未来武器系统主战装备,对系统计算能力和实时处理能力的要求急剧上升,紧迫性越来越强。采用纳米级体硅CMOS工艺设计的DSP,易受空间辐照单粒子和总剂量等效应影响,导致程序执行异常、数据通信紊乱、程序跑飞甚至器件电路烧毁等故障,严重威胁星载信息处理设备的可靠性。

  与体硅CMOS工艺相比,全耗尽绝缘硅上体(Fully Depleted Silicon On Insulator,FDSOI)工艺的埋氧层阻断了衬底与有源区的寄生PNPN结构,具备SEL免疫的抗辐照能力。基于这些特点,经过深入探索,刘红侠带领团队针对纳米FDSOI集成电路工艺条件,开展了高工艺抗辐照DSP处理器关键技术研究。

  他们建立了基于纳米集成电路工艺技术的辐照物理损伤模型,采用技术手段对自主高性能DSP处理进行了架构设计和敏感部件加固。相关成果可以加快缩短我国在高性能抗辐照集成电路领域与国外的差距,解决制约星载信息处理平台高性能高可靠需求的瓶颈问题,为我国空间实时信息处理系统提供强有力的技术支撑。

  在相关领域,刘红侠带领团队基于商用高工艺的芯片系统级抗辐照技术研究,利用商用高工艺和SOI的抗总剂量能力增加、闩锁免疫的工艺优势,突破了芯片系统级抗辐射加固技术。对单粒子效应的辐照敏感部件采用建立抗辐照单元库、冗余等多种技术手段进行加固,为航空航天及武器装备用电子设备的抗辐照加固提供了重要的理论依据和关键技术。

  纳米级器件的单粒子效应SEE(Single Event Effects)是航天应用主要面临的辐射效应之一,但纳米MOS器件和集成电路中的隔离结构和金属淀积前的层间介质对器件和电路的辐射效应影响严重,器件辐射响应特性变得更复杂。

  为了对纳米MOS器件采取更有效的加固措施,刘红侠带领团队对辐射损伤模式与微观机制展开了深入研究,建立了辐射损伤的新型高k栅纳米MOS器件表征方法和物理模型,为硅基纳米MOS器件的辐射效应建模提供了分析基础。相关项目的实施,大幅提高了我国体硅纳米集成电路的抗辐射水平,显著提升了纳米级器件和集成电路的抗辐射原始创新能力。她和团队还针对纳米工艺节点出现的新结构和新工艺器件的抗辐照集成电路基础研究的需要,发展了相关模型和辐照损伤理论。

  为了充分发挥全耗尽绝缘硅上体器件的优良性能,刘红侠及其团队通过分析研究总剂量辐射效应对FDSOI器件造成的辐射损伤模式和机理,提取了FDSOI器件辐射损伤表征的关键敏感参数,通过例行试验验证了所提出的辐射可靠性加固方法的准确性和有效性。基于先进的测试技术,他们提出了精确的FDSOI器件抗辐射电特性退化可靠性表征方法,建立了辐射效应协同仿真评价平台。主要研究成果已在FDSOI器件的抗辐射能力评价技术中得到应用。

  从上苍穹助力航天梦圆,到深研究提高武器装备战斗力,以集成电路抗辐照研究为“剑”,刘红侠带领团队劈开了一条助力国防、航天、航空等高尖端技术跨越发展的可靠之路。

  从1958年J.Kilby发明第一块集成电路芯片掀起世界电子产业的一场革命至今,集成芯片已经不仅应用于航空航天、国防军事等高精尖领域,而且渗透到国民经济、社会、生活的每个角落,成为国家战略性支撑产业。经过几十年发展,我国在相关领域取得了可喜进步,但制约中国集成电路产业发展的主要问题仍旧凸显,走自主创新的道路成为举国共识。

  新世纪前后,信息社会对集成电路的集成度要求越来越高,促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。按摩尔定律发展的集成技术进入了崭新时代。随着微/纳电子技术的发展,单块芯片的功能越来越强大,封装体积越来越小,对芯片的性能和可靠性提出了更高的要求。

  早在多年前,刘红侠就已经清楚意识到自主创新的重要性,立足国民经济和社会发展的重大战略需求,她带领团队在纳米CMOS器件和集成电路失效机理与可靠性关键技术领域深耕细作,坚持自主创新,取得了诸多标志性成果。

  这些创新性的研究成果包括:完成了纳米CMOS器件和集成电路失效机理、物理模型和寿命预测,并且应用到12英寸大生产技术中;开发了纳米CMOS器件和集成电路可靠性预测平台,用于实际的工艺生产线中,能够有效评估热载流子效应、等离子体工艺引起的薄栅氧化层损伤和集成电路铜互连的电迁移寿命;基于纳米CMOS集成电路大生产技术的紧迫需求,研发超薄高k栅介质工艺技术、新型应变Si工艺技术、新型CMOS器件结构和制备技术等关键技术等,是一批具有自主知识产权的创新成果。

  伴随着一个又一个创新成果的应用,系列根植在自力更生、自主创新意识上的创新技术,使我国在相关领域的积累呈现出根深叶茂的优势。为进一步团聚更多人加入这一事业中来,在系列创新突破的基础之上,刘红侠带领团队成功组织了由高校、研究所和企业组成的产学研研发团队,以企业为集成平台,在关系国民经济发展命脉的关键技术领域进行自主创新,有效实施了将创新成果直接应用到大生产形成生产力的模式,促进了我国集成电路制造技术领域自主创新研发体系的建立和发展。

  相关项目成果使我国集成电路制造技术水平实现了1~2代的技术跨越,帮助我国成为掌握当前国际最先进CMOS集成电路大生产工艺制造技术的少数国家之一。团队研究的开放式纳米CMOS器件和集成电路可靠性关键技术,为我国集成电路设计、制造,新材料和新器件等技术研发,提供了产学研用结合技术平台,为新一代集成电路关键技术研发奠定了坚实基础,有效推动了我国集成电路技术自主创新能力和核心竞争力提高,对我国集成电路技术和产业发展具有里程碑作用和战略意义。

  通过自主创新,刘红侠及其团队将与纳米器件可靠性相关的关键核心技术掌握在自己的手中,用中国人自己的力量为我国集成电路产业的可靠发展保驾护航。

  作为西安电子科技大学微电子器件可靠性研究方向的研究带头人,刘红侠把自己的智慧和热情都奉献给了这一领域。但回过头来看,她与半导体的结缘历程,其实是后期偶得。

  刘红侠笑称自己是“小时候极不开窍的不起眼的孩子”。在青年成长的那段日子里,刘红侠从没想过自己有朝一日可以和半导体研究结缘。直到她考入西北大学半导体物理专业的时候,对自己未来要研究的对象也还是懵懵懂懂。

  刘红侠回忆自己真正“开窍”,是在临近高考的时候,“因为看到有不少努力的复读生日夜奋战,抱着能有个大学上就可以了的想法简直太幼稚了”。命运眷顾了这位后期努力的女孩。高考成绩出来,出于保底的想法,她填报了西北大学,自此改变了人生的航向。

  初入大学校门,刘红侠就像是打开了通往更广阔世界的大门,第一次有了拆收音机研究的想法、第一次听到了纯正的英语发音……从那时候起她明显感觉到自己各方面的不足,奋发向上的小陀螺开始转了起来。“我当时也不太能想明白自己要做什么,但必须先定下一个小目标。”在进取心的激励之下,她几乎每天闲暇时间都泡在图书馆,埋头钻研换来了理想的成绩。“专业科目像半导体物理、固体物理、集成电路等课程经常能考到98、99甚至是100分。”刘红侠略带自豪地说道。

  凭借优异的成绩,刘红侠在毕业时毫无悬念地得到极少有的保研名额,在众人投来羡慕眼光的时候,她却做出了让人惊讶的放弃读研的决定。“当时不太懂,就觉得这几年通过学习仅仅记住了书本上的知识,但还不知道书本知识究竟和实践如何结合。尤其是自己能达到研究生要求的创新性成果和水平吗?”最后她选择分配到老牌的国营企业西电公司。

  刚到西电公司的一年多时间里,刘红侠深入一线跟着车间主任师傅学习工艺,积累了丰富的实践经验。正牌大学毕业的她得到了单位的重视和认可。随着时间的推移,刘红侠越来越感觉自己的理论知识仍然存在欠缺,“很多东西做不出来,干着急使不上劲儿。”这期间她有过苦恼,也曾深刻地反省过自己:当时轻而易举地放弃读研究生深造的机会是不是错了?几番斟酌后,她做出了要重回高校提升自己知识和技能的决定。这次她要考取的目标是全国名校——西安交通大学。

  方向既定,唯有风雨兼程。与青少年时期的懵懂不同,此时的刘红侠懂得如何为定下的目标奋力拼搏。当时工厂还是6天工作制,留给刘红侠的复习时间就只有工作日晚上和周日。每到学习时间,她都会风雨无阻地骑着自行车到学校学习。那是段难忘的拼搏时光,遇上下雨雪的冬天,自行车很难骑,经常会滑倒摔跤。在这样的艰难考验之下,她的心里从没想过放弃,心心念念的是如何最早地赶到教室抢占第一排的绝佳位置,如何能更好地消化老师讲的知识,如何能考到更高的分数……业精于勤荒于嬉,凭借勤奋努力,刘红侠最终如愿考取原“985”名校——西安交通大学。

  雁塔下、曲江边,西安交通大学这所曾为推动我国科技进步作出重要贡献的巍巍学府名师荟萃、包罗万象。刘红侠所在的学科也聚集了以罗晋生、刘恩科、朱秉升等为代表的老一辈我国半导体学科奠基人。在刘红侠的印象中,罗晋生老师目光敏锐、学识渊博、才思敏捷。他讲的专业课很有深度,板书也非常漂亮。沐浴在这样具有深厚文化底蕴的环境里,聆听恩师教诲,为她奠定了坚实的科研基础。

  1995年6月,刘红侠顺利获得西安交通大学电子工程系半导体器件物理硕士学位。不懈努力的她继续攀爬象牙塔,到西安电子科技大学攻读博士学位。

  西安电子科技大学是中国最早的国防工业重点军校之一,前身是等老一辈革命家亲手创建的无线年来,学校形成了鲜明的电子与信息学科特色与优势,成为国内最早建立信息系统工程、雷达、微波天线等专业的高校之一,并创造了我国电子与信息技术领域多项第一。在刘红侠的印象中,那时的“西电”相较周边其他学校拥有更为丰富的电脑资源,“每名学生都能拥有自己独立的一台电脑”。带着这样单纯质朴的想法,再加上之前与西电有紧密的联系和合作,刘红侠很容易就找到了自己心仪的团队——由郝跃教授(后当选中国科学院院士)领导的西安电子科技大学微电子学研究团队。

  跟随郝跃院士,刘红侠从博士阶段开始从事纳米器件物理与集成电路可靠性的相关科研工作,主要是围绕纳米器件的建模,纳米集成电路制造的可靠性、成品率及寿命分析等展开深入探索研究。在她早年接触纳米器件可靠性相关研究的时候,这一学科还是比较小众的学科。凭借多年的努力勤奋及积累的丰富经验知识,刘红侠收获了一系列创新突破,回报也是接踵而至。2000年破格晋升副教授,2002年破格晋升教授,2003年遴选博士生导师……先后成为华山学者领军教授、校学科带头人和校学术带头人、获得IEEE-EDS杰出贡献女科学家、教育部新世纪优秀人才、陕西优秀留学回国人员、陕西青年科技奖、优秀留学回国人员、陕西优秀博士后等荣誉称号。

  众人眼中,刘红侠突破自身局限,一路突飞猛进,只有她心里知道,这其中经历多少曲折磨难。从原来的“小透明”,到如今成为学科带头人。这世间,哪有什么大器晚成,只不过是内心深处不甘于平庸的呼唤。也正是这种不服输的底蕴,帮助她和所在的团队,完成了一次又一次科研上的创新突破……

  “面对世界百年未有之大变局,我们微电子人要坚持面向世界科技前沿,面向经济和社会建设,面向国防和国家安全,面向人民健康,紧抓集成电路产业,发展自主芯片,实现更多‘从0到1’的跨越。”正如刘红侠的引路人郝跃院士所说的那样,作为“微电子人”中的生力军,西安电子科技大学微电子学院一直冲在国家大力推进集成电路产业自主创新的浪潮前沿,而刘红侠以融入其中为傲,且带领团队通过多年探索开拓出了一片天地。

  这是一支氛围融洽、互帮互助、倡导合作共赢的团队。刘红侠作为带头人给予队员充分的指导,尊重个人特长为其制定适合的研究课题。这些年,团队培养博士40余名、硕士280名,在读博士13名、硕士35名。

  瞄准前沿和国家所需,经过多年积累,如今刘红侠的团队已经形成了纳米器件物理与可靠性研究、宽禁带半导体材料与新结构器件、超大规模集成电路设计与优化、高速半导体器件与集成电路和纳米集成电路的制造技术等多个研究方向。课题覆盖材料、器件、工艺和电路设计等。其中,基于RRAM神经元电路和纳米集成电路光电芯片设计属于当前国际科技前沿领域,符合后摩尔时代集成电路芯片的发展趋势。

  近年来,刘红侠带领团队先后主持承担国家原“973”项目、国家原“863”项目、国家自然科学基金重点项目、教育部重点项目等国家级和省部级科研项目多项。特别在一些重要领域集成电路可靠性研究方面,刘红侠及其团队有卓越的贡献。

  这些年针对相关集成电路应用环境复杂、质量等级高、可靠性要求严、试验周期长的现状,他们重点开展了星载项目分析、关键可靠性技术研究、可靠性平台建设等工作,取得了一系列重要成果,包括解决了界面态和氧化层陷阱电荷分离技术及抗辐照DSP存储系统加固技术;建立了多个与抗辐照相关的验证和评价平台;完成集成电路多目标优化设计,大力推动了集成电路统计优化策略和实用化等,为促进国家军事、航空航天等重要领域的微电子器件发展作出了重要贡献,先后获得国防科技进步奖一等奖、二等奖,信息产业部科技进步奖等重要奖项。

  很多时候,刘红侠需要走到聚光灯下,去展现科研成果,与国内外同行进行沟通交流。她喜欢这种交流碰撞的氛围,能广结人脉、开阔思维。从进入高校后,她就开始积极“走出去”,先后多次出访欧美进行学术与合作交流:2003年为英国曼彻斯特大学访问教授,与国际著名微电子学专家Prof. A.R.Peaker合作研究纳米器件可靠性;2011年为美国范德堡大学高级访问教授,与工程学院院长Prof. Kenneth F. Galloway和电子系主任Prof. Dan Fleetwood合作研究抗辐射微电子器件和集成电路;2015年为美国弗洛里达大学高级访问教授,与Prof.J.J Liou合作集成电路的静电放电损伤防护技术。

  多年间,刘红侠先后担任科技部国际科技重大合作计划、国家原“863”计划、国家自然科学基金、陕西省重大创新计划评价专家,国内外多家期刊编委和评阅人。她曾多次参加并组织举办国际学术会议,担任2021年国际会议IEEE ASICON大会共主席、2012年国际会议IEEE ICSICT共主席、2009年国际会议IEEE EDSSC出版主席等。虽然组织活动很费精力和时间,但刘红侠非常愿意做沟通的纽带,同时和国际知名专家面对面交流探讨。

  春播桃李三千圃,秋来硕果满神州。置身高校多年,刘红侠已经完全融入到这片沃土撒播桃李芬芳,先后主讲“超大规模集成电路可靠性”博士研究生学位课程、“微电子器件可靠性设计”硕士研究生学位课程和“集成电路制造技术”本科生必修课程;每年指导博士研究生2~3名、硕士研究生10余名。凭借出色表现,刘红侠先后获陕西省创新能手和优秀归国学人、十佳教师等多项荣誉称号。

  岁月不负有心人。“人须在事上磨练,熬得住方成大器。”刘红侠从来不觉得自己如今成功了,但确实因为一段时间的刻苦付出和坚信积累,她实现了一个又一个心中的小目标。“并没有什么成功秘诀,无非是在别人喝茶、休息的时候,你多拿出了一点时间做了自己想要做的事情。”

  浪潮之上,激流勇进。在世界半导体集成电路产业,特别是微纳电子技术行业浪潮翻涌、大浪淘沙之际,“侠之大者,芯系国家”。虽为女子,但刘红侠坚信伴随着越来越多的人融入这项伟大事业之中,一定能为推动我国集成电路技术伫立潮头保驾护航。

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