我国超大规模集成电路技术的一次突破性进展
清华大学微电子所研究员 杨之廉
1991年9月，我校微电子学研究所承担的1兆位汉字只读存储器顺利通过了部级技术鉴定。1 兆位汉字只读存储器在我国的诞生宣告了我国首次跨上1.5微米工艺和百万元件集成度的集成电路台阶，是我国超大规模集成电路技术的一次突破性进展，对我国微电子技术的自主发展作出了重大贡献。
只读存储器是半导体存储器家族中的重要一员。它的特点是所存储的内容是预先写入的，一旦写入就不能用简单的方法加以更改，即它只能将已存入信息读出来而不能再改写存储器的内容，这就是“只读”这一名称的由来。
一个存储器由许多个存储单元组成。每一个存储单元可以存放一位二进制数“1”或“0”信息。一个存储器中包含有多少个存储单元就称其为多少“位（bit）”的存储器，存储单元的总数就表示了存储容量的，因而有1K位、1M位和1G位等等不同存储容量、不同规格的存储器。
由于存储的是二进制数，所以一个存储器的位数必然是2的方次数，1兆位的只读存储器就有220即1,048,576位。如果一个汉字用16×16点阵（即256位）来实现，那一块1兆位只读存储器就可存储4千多汉字。为了提高读取速度，微电子所设计的方案是利用两块1兆位只读存储器共同完成我国标准二级汉字库规定的7000个汉字的存储，而多余出来的存储的单元则用来存储阿拉伯字母和其他符号。
汉字是中国文化的重要特征。但在八十年代以前，无论是计算机还是打印机均只能采用英文，但中国的老百姓、中国的市场呼唤着汉字的显示。国外一些公司看到了这一庞大的市场潜力，因而斥巨资和投入人力开发汉字只读存储器，在当时市场上开始出现了国外厂商生产的汉字、甚至是简化汉字的只读存储器。
面对这一严峻的现实，我们怎么办？微电子所的每一教师、每一职工都在思考和企图回答，外国人能干的，为什么我们不能？为什么连汉字（简化汉字）存储器的市场我们都无法占领。
经过深入细致的分析，回答是明确的，我们目前还不具备研制这种水平存储器的条件。1兆位汉字只读器芯片内要集成106万个晶体管，至少需要采用1.5微米的工艺技术，但当时的微电子所只有一条5微米的研制工艺线，芯片设计的计算机辅助工具和手段也比较落后，1～1.5微米技术是一个具有相当难度的技术台阶，国外又长期对我们实行封锁，要得到可参考的1.5微米规范的成套工艺资料是不可能的。
“有困难，一定要干”，“没有条件，也要创造条件来干”，这就是清华人的心声和信念，在上级主管部门和学校领导的全力支持下，微电子所的全体同志立下了军令状，他们坚持自力更生的精神，又充分利用当时已经开放的大好形势，从1985年底开始了历时五年之久的追赶国际先进科技水平的光荣历程。
李瑞伟教授带领一批教师和职工开始了1微米级工艺线的建设任务。工艺线的建设是一项复杂的系统工程，除了工艺流程安排，工艺设备平面布置、工艺方案的制定，还有一系列繁重的配套任务，这包括超净室的建立、超净环境检测、超净水的生成、超净气体的输送以及空调机房、冷冻机房和管道的设计安装等问题，他们排出了计划进度表，落实了责任制每一个人的积极性都被大大地激发起来，“一定要干出个样子来”，这就是当时的口号。
虽然有了详尽的计划，但并不是都能按计划执行。就拿引进工艺设备来说吧，由于西方政府的禁运政策，不少工艺设备的引进谈判比预期的要困难得多，由于西方政府的干预，谈判工作常常时续时断，整个引进设备的工作就耗时一年多之久。
为了争取工艺线早日开工，工艺组的教职工放弃了暑假和节假日，自己动手安装设备。以光刻机这一设备为例，它是一台十分精密的设备，也是国内第一台引进的先进设备，别的不说，运输过程就十分困难，它有防震要求又要保持一定的温湿度的条件。为此找到交通部门、运输部门甚至公安部门，寻找从机场到学校的最佳线路，力求避免颠簸，并在开道车的帮助下，以缓速渐渐地运抵校内，有的同志为此坚持了十几个小时的工作时间。
最关键的问题还是如何开发成功1.5微米设计规范的成套工艺技术。整个工艺要历经氧化、光刻、扩散、离子注入等几十道工序，无论哪步工序出了问题就会前功尽弃，使芯片报废。最细的光刻线宽只有1.5微米（相当于人的头发丝的八分之一），要掌握并保证这样线宽，除了严格控制工艺条件外，还要有超净环境的保证，因为一旦有尘埃落在两个线条之间，该电路就会发生短路问题，为此专门设计和装配了超净度为10级的超净室（10级是指在1立方英尺的空间中，大于1微米的尘埃颗粒不能超过10个）。
经过了单项设备调整、单项工艺试验、全线流水调试、实验图形和实验芯片流水检验，在一年半后终于成功摸索出和开发成功了1.5微米的CMOS成套工艺技术，成功地建立了中国第一个超净度为10级的超净环境，成功地建立起了中国第一条1微米级的VLSI管芯片研制工艺线。
另一条战线是徐葭生教授带领一批年轻教师和研究生进行的芯片设计工作，他们从了解汉字特点着手，确定了芯片的设计指标和总体方案，并分别设计了存储单元矩阵、行译码器、列译码器、输入/输出电路以及控制电路。为了使所设计的汉字存储器能达到当时的国际先进水平，他们进行了多种方案比较，通过计算机进行大量的模拟分析工作。为了保证芯片流水的一次成功，有必要在流水前对芯片设计作一次全面的电学规则和几何设计规则检查，但是当时所内具有的CAD设计工具难以处理如此大规模图形的检查，（图形总数已超过千万个），因而设计工作一度受阻，设计人员经过多次反复论证和试验，终于想出了一种“分割”方案，因而顺利地闯过了这一难关，设计人员还专门设计一种“小样”，即存储单元比较少的芯片，通过实验流水来验证设计思想的正确与否，同时通过实验性芯片得到了性能指标的实际测量值。他们就是通过这样认真、踏实的科学作风和实践，顺利地完成了芯片设计任务。
工艺条件准备就绪，芯片设计也胜利完成，1990年11月，人们翘首以待的汉字只读存储器的正式流水开始了。
虽然经过较为充分的准备，但是第一批流水下来的芯片其性能并未达到设计要求，这到底是工艺的问题还是设计的问题，如果是工艺问题那又是哪一些步骤造成的。大家深入地展开分析工作，再次反复地进行了工艺试验，李志坚院士亲自深入工艺第一线，参与性能测试，指导分析工作。真是“实践出真知”，一些工艺参数作了适当的调整，又经过了多少个日以继夜的艰苦作战，具有我国独立自主版权的，在性能上达到世界先进水平的汉字只读存储器芯片终于诞生了。
芯片经过多项测试后进行了封装老化等环节，最终要上机实测考验了，这是真正的、实际的考验。使全体微电子所成员感到鼓舞和激励的是，上机实测完全证实我国自行设计和研制的汉字只读存储器完全能达到和替代国外同类产品。
但是工作并没有就此结束，他们立即转到了更加艰苦的一项任务，即使工艺成品率能达到转产的要求，工艺成品率的提高关系每一步工序，关系到每一个工艺操作人员，也涉入到“工艺窗口”的合理确定和检测手段的正确制定，成品率每提高一个百分比都凝结着全体工艺人员、后勤人员的心血和汗水。
在技术鉴定完成后，此项成果顺利地转移到我国的集成电路生产基地――华晶微电子集团公司。
为了表彰他们的成就和贡献，国家给予了清华大学微电子学研究所以很高的荣誉――电子工业部部级科技进步一等奖和国家级科技进步奖二等奖。微电子所的教师和职工决心以更大的成绩回报祖国和人民。
