俠之大者 護航重器
——記西安電子科技大學微電子學院教授劉紅俠

徐芳芳

劉紅俠在海外訪學

作為國家的重大戰(zhàn)略需求，集成電路直接關系到國家安全和國民經(jīng)濟發(fā)展，是當今時代信息技術發(fā)展的核心、大國博弈的焦點、當之無愧的國之重器。

集成電路技術作為關鍵核心的微電子技術，其本質(zhì)是采用微細加工的辦法，盡可能使電子系統(tǒng)微型化。歷經(jīng)半個世紀，微電子技術的發(fā)展已經(jīng)引起了信息系統(tǒng)的巨大變革，深刻改變了人類社會的方方面面，有力推動了當今信息時代和未來智能時代的發(fā)展。

隨著電子科技水平不斷提高，微電子器件的功能越來越多，尺寸逐漸向納米并軌，隨之暴露的是微電子器件和集成電路制造技術滯后、可靠性無法保證等一系列問題。加之各類集成電路產(chǎn)品面對的應用環(huán)境日趨復雜，集成電路的可靠性問題已成為事關微電子技術發(fā)展的限制性瓶頸。特別是應用于航天的電子系統(tǒng)，除了數(shù)量巨大、種類繁多之外，還要面臨太陽輻射、宇宙射線等對其造成的影響。

在微電子技術產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代的需求之下，如何平衡其規(guī)模不斷變大、尺寸不斷縮小、密度不斷增加等與集成電路可靠性之間的矛盾？西安電子科技大學微電子學院教授劉紅俠和她帶領的科研團隊就是游刃在多個矛盾因素之間帷幄決斷、孜孜不倦的科學家群體之一。

上云端：抗輻照研究助力精尖科技

隨著半導體器件的廣泛應用，質(zhì)量和可靠性已經(jīng)成為人們普遍關注的焦點，特別在國防、航天、航空等尖端技術領域有著舉足輕重的地位。自20世紀90年代以來，可靠性工程向著更深、更廣的方向發(fā)展，加強可靠性研究已經(jīng)成為國家提高武器裝備戰(zhàn)斗力、提高航空航天等領域高技術水平的重要手段。

器件可靠性研究面臨嚴峻挑戰(zhàn)。如何才能助力推動微電子和集成電路可靠性相關科研的發(fā)展？劉紅俠帶領團隊將研究的著力點，放在了對集成電路抗輻照領域的持續(xù)攻關上?！熬劢箍馆椪占夹g研究，助力尖端國防”成為該團隊的一大特色工作。

為什么要聚焦集成電路抗輻照技術研究？20世紀70年代到80年代中期，國外發(fā)射的39顆同步衛(wèi)星中，發(fā)生的總故障次數(shù)為1589次。其中，有1129次和空間的輻射有關。由此可見抗輻射加固技術研究的重要性，它已成為限制航空航天事業(yè)發(fā)展的瓶頸問題。近年來我國航天技術發(fā)展迅速，然而衛(wèi)星和宇宙飛船的某些關鍵電子元器件仍然依賴進口，航天事業(yè)的迅速發(fā)展迫切需要高性能、抗輻射的核心電子元器件。隨著集成電路的應用環(huán)境日趨復雜，抗輻射加固的問題已經(jīng)成為微電子行業(yè)發(fā)展必須直面的重要難題。立足國家高精尖領域?qū)馆椛溲芯康钠惹行枨螅嗄旮?，劉紅俠及其團隊取得了一系列的創(chuàng)新突破：

高性能數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是構建現(xiàn)代化武器裝備的基礎型器件。隨著天基預警、星際通信、星際成像、天基偵察等逐漸成為未來武器系統(tǒng)主戰(zhàn)裝備，對系統(tǒng)計算能力和實時處理能力的要求急劇上升，緊迫性越來越強。采用納米級體硅CMOS工藝設計的DSP，易受空間輻照單粒子和總劑量等效應影響，導致程序執(zhí)行異常、數(shù)據(jù)通信紊亂、程序跑飛甚至器件電路燒毀等故障，嚴重威脅星載信息處理設備的可靠性。與體硅CMOS工藝相比，全耗盡絕緣硅上體（Fully Depleted Silicon On Insulator，F(xiàn)DSOI）工藝的埋氧層阻斷了襯底與有源區(qū)的寄生PNPN結構，具備SEL免疫的抗輻照能力。基于這些特點，經(jīng)過深入探索，劉紅俠帶領團隊針對納米FDSOI集成電路工藝條件，開展了高工藝抗輻照DSP處理器關鍵技術研究。他們建立了基于納米集成電路工藝技術的輻照物理損傷模型，采用技術手段對自主高性能DSP處理進行了架構設計和敏感部件加固。相關成果可以加快縮短我國在高性能抗輻照集成電路領域與國外的差距，解決制約星載信息處理平臺高性能高可靠需求的瓶頸問題，為我國空間實時信息處理系統(tǒng)提供強有力的技術支撐。

在相關領域，劉紅俠帶領團隊基于商用高工藝的芯片系統(tǒng)級抗輻照技術研究，利用商用高工藝和SOI的抗總劑量能力增加、閂鎖免疫的工藝優(yōu)勢，突破了芯片系統(tǒng)級抗輻射加固技術。對單粒子效應的輻照敏感部件采用建立抗輻照單元庫、冗余等多種技術手段進行加固，為航空航天及武器裝備用電子設備的抗輻照加固提供了重要的理論依據(jù)和關鍵技術。

納米級器件的單粒子效應SEE（Single Event Effects）是航天應用主要面臨的輻射效應之一，但納米MOS器件和集成電路中的隔離結構和金屬淀積前的層間介質(zhì)對器件和電路的輻射效應影響嚴重，器件輻射響應特性變得更復雜。為了對納米MOS器件采取更有效的加固措施，劉紅俠帶領團隊對輻射損傷模式與微觀機制展開了深入研究，建立了輻射損傷的新型高k柵納米MOS器件表征方法和物理模型，為硅基納米MOS器件的輻射效應建模提供了分析基礎。相關項目的實施，大幅提高了我國體硅納米集成電路的抗輻射水平，顯著提升了納米級器件和集成電路的抗輻射原始創(chuàng)新能力。她和團隊還針對納米工藝節(jié)點出現(xiàn)的新結構和新工藝器件的抗輻照集成電路基礎研究的需要，發(fā)展了相關模型和輻照損傷理論。

為了充分發(fā)揮全耗盡絕緣硅上體器件的優(yōu)良性能，劉紅俠及其團隊通過分析研究總劑量輻射效應對FDSOI器件造成的輻射損傷模式和機理，提取了FDSOI器件輻射損傷表征的關鍵敏感參數(shù)，通過例行試驗驗證了所提出的輻射可靠性加固方法的準確性和有效性。基于先進的測試技術，他們提出了精確的FDSOI器件抗輻射電特性退化可靠性表征方法，建立了輻射效應協(xié)同仿真評價平臺。主要研究成果已在FDSOI器件的抗輻射能力評價技術中得到應用。

保持傷口敷料清潔干燥,術區(qū)制動加壓包扎,監(jiān)測生命體征,特別是血壓,遵醫(yī)囑使用止血藥,保守治療無效,急診手術探查止血[7]。

從上蒼穹助力航天夢圓，到深研究提高武器裝備戰(zhàn)斗力，以集成電路抗輻照研究為“劍”，劉紅俠帶領團隊劈開了一條助力國防、航天、航空等高尖端技術跨越發(fā)展的可靠之路。

下立地：自主創(chuàng)新提高核心競爭力

從1958年J.Kilby發(fā)明第一塊集成電路芯片掀起世界電子產(chǎn)業(yè)的一場革命至今，集成芯片已經(jīng)不僅應用于航空航天、國防軍事等高精尖領域，而且滲透到國民經(jīng)濟、社會、生活的每個角落，成為國家戰(zhàn)略性支撐產(chǎn)業(yè)。經(jīng)過幾十年發(fā)展，我國在相關領域取得了可喜進步，但制約中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要問題仍舊凸顯，走自主創(chuàng)新的道路成為舉國共識。

新世紀前后，信息社會對集成電路的集成度要求越來越高，促使人們不斷探索能夠突破器件尺寸極限的途徑。按摩爾定律發(fā)展的集成技術進入了嶄新時代。隨著微/納電子技術的發(fā)展，單塊芯片的功能越來越強大，封裝體積越來越小，對芯片的性能和可靠性提出了更高的要求。

早在多年前，劉紅俠就已經(jīng)清楚意識到自主創(chuàng)新的重要性，立足國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，她帶領團隊在納米CMOS器件和集成電路失效機理與可靠性關鍵技術領域深耕細作，堅持自主創(chuàng)新，取得了諸多標志性成果。

這些創(chuàng)新性的研究成果包括：完成了納米CMOS器件和集成電路失效機理、物理模型和壽命預測，并且應用到12英寸大生產(chǎn)技術中；開發(fā)了納米CMOS器件和集成電路可靠性預測平臺，用于實際的工藝生產(chǎn)線中，能夠有效評估熱載流子效應、等離子體工藝引起的薄柵氧化層損傷和集成電路銅互連的電遷移壽命；基于納米CMOS集成電路大生產(chǎn)技術的緊迫需求，研發(fā)超薄高k柵介質(zhì)工藝技術、新型應變Si工藝技術、新型CMOS器件結構和制備技術等關鍵技術等，是一批具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新成果。

劉紅俠獲聘于抗輻射集成電路學術委員會

劉紅俠與導師郝躍院士合影

伴隨著一個又一個創(chuàng)新成果的應用，系列根植在自力更生、自主創(chuàng)新意識上的創(chuàng)新技術，使我國在相關領域的積累呈現(xiàn)出根深葉茂的優(yōu)勢。為進一步團聚更多人加入這一事業(yè)中來，在系列創(chuàng)新突破的基礎之上，劉紅俠帶領團隊成功組織了由高校、研究所和企業(yè)組成的產(chǎn)學研研發(fā)團隊，以企業(yè)為集成平臺，在關系國民經(jīng)濟發(fā)展命脈的關鍵技術領域進行自主創(chuàng)新，有效實施了將創(chuàng)新成果直接應用到大生產(chǎn)形成生產(chǎn)力的模式，促進了我國集成電路制造技術領域自主創(chuàng)新研發(fā)體系的建立和發(fā)展。

相關項目成果使我國集成電路制造技術水平實現(xiàn)了1～2代的技術跨越，幫助我國成為掌握當前國際最先進CMOS集成電路大生產(chǎn)工藝制造技術的少數(shù)國家之一。團隊研究的開放式納米CMOS器件和集成電路可靠性關鍵技術，為我國集成電路設計、制造，新材料和新器件等技術研發(fā)，提供了產(chǎn)學研用結合技術平臺，為新一代集成電路關鍵技術研發(fā)奠定了堅實基礎，有效推動了我國集成電路技術自主創(chuàng)新能力和核心競爭力提高，對我國集成電路技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有里程碑作用和戰(zhàn)略意義。

通過自主創(chuàng)新，劉紅俠及其團隊將與納米器件可靠性相關的關鍵核心技術掌握在自己的手中，用中國人自己的力量為我國集成電路產(chǎn)業(yè)的可靠發(fā)展保駕護航。

憶往昔：業(yè)精于勤荒于嬉

作為西安電子科技大學微電子器件可靠性研究方向的研究帶頭人，劉紅俠把自己的智慧和熱情都奉獻給了這一領域。但回過頭來看，她與半導體的結緣歷程，其實是后期偶得。

劉紅俠笑稱自己是“小時候極不開竅的不起眼的孩子”。在青年成長的那段日子里，劉紅俠從沒想過自己有朝一日可以和半導體研究結緣。直到她考入西北大學半導體物理專業(yè)的時候，對自己未來要研究的對象也還是懵懵懂懂。

劉紅俠回憶自己真正“開竅”，是在臨近高考的時候，“因為看到有不少努力的復讀生日夜奮戰(zhàn)，抱著能有個大學上就可以了的想法簡直太幼稚了”。命運眷顧了這位后期努力的女孩。高考成績出來，出于保底的想法，她填報了西北大學，自此改變了人生的航向。

初入大學校門，劉紅俠就像是打開了通往更廣闊世界的大門，第一次有了拆收音機研究的想法、第一次聽到了純正的英語發(fā)音……從那時候起她明顯感覺到自己各方面的不足，奮發(fā)向上的小陀螺開始轉(zhuǎn)了起來?！拔耶敃r也不太能想明白自己要做什么，但必須先定下一個小目標?！痹谶M取心的激勵之下，她幾乎每天閑暇時間都泡在圖書館，埋頭鉆研換來了理想的成績?！皩I(yè)科目像半導體物理、固體物理、集成電路等課程經(jīng)常能考到98、99甚至是100分?！眲⒓t俠略帶自豪地說道。

憑借優(yōu)異的成績，劉紅俠在畢業(yè)時毫無懸念地得到極少有的保研名額，在眾人投來羨慕眼光的時候，她卻做出了讓人驚訝的放棄讀研的決定?！爱敃r不太懂，就覺得這幾年通過學習僅僅記住了書本上的知識，但還不知道書本知識究竟和實踐如何結合。尤其是自己能達到研究生要求的創(chuàng)新性成果和水平嗎？”最后她選擇分配到老牌的國營企業(yè)西電公司。

剛到西電公司的一年多時間里，劉紅俠深入一線跟著車間主任師傅學習工藝，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。正牌大學畢業(yè)的她得到了單位的重視和認可。隨著時間的推移，劉紅俠越來越感覺自己的理論知識仍然存在欠缺，“很多東西做不出來，干著急使不上勁兒?！边@期間她有過苦惱，也曾深刻地反省過自己：當時輕而易舉地放棄讀研究生深造的機會是不是錯了？幾番斟酌后，她做出了要重回高校提升自己知識和技能的決定。這次她要考取的目標是全國名?！靼步煌ù髮W。

劉紅俠（二排左三）與畢業(yè)研究生合影

方向既定，唯有風雨兼程。與青少年時期的懵懂不同，此時的劉紅俠懂得如何為定下的目標奮力拼搏。當時工廠還是6天工作制，留給劉紅俠的復習時間就只有工作日晚上和周日。每到學習時間，她都會風雨無阻地騎著自行車到學校學習。那是段難忘的拼搏時光，遇上下雨雪的冬天，自行車很難騎，經(jīng)常會滑倒摔跤。在這樣的艱難考驗之下，她的心里從沒想過放棄，心心念念的是如何最早地趕到教室搶占第一排的絕佳位置，如何能更好地消化老師講的知識，如何能考到更高的分數(shù)……業(yè)精于勤荒于嬉，憑借勤奮努力，劉紅俠最終如愿考取原“985”名?！靼步煌ù髮W。

雁塔下、曲江邊，西安交通大學這所曾為推動我國科技進步作出重要貢獻的巍巍學府名師薈萃、包羅萬象。劉紅俠所在的學科也聚集了以羅晉生、劉恩科、朱秉升等為代表的老一輩我國半導體學科奠基人。在劉紅俠的印象中，羅晉生老師目光敏銳、學識淵博、才思敏捷。他講的專業(yè)課很有深度，板書也非常漂亮。沐浴在這樣具有深厚文化底蘊的環(huán)境里，聆聽恩師教誨，為她奠定了堅實的科研基礎。

1995年6月，劉紅俠順利獲得西安交通大學電子工程系半導體器件物理碩士學位。不懈努力的她繼續(xù)攀爬象牙塔，到西安電子科技大學攻讀博士學位。

西安電子科技大學是中國最早的國防工業(yè)重點軍校之一，前身是毛澤東等老一輩革命家親手創(chuàng)建的中央軍委無線電學校。建校90年來，學校形成了鮮明的電子與信息學科特色與優(yōu)勢，成為國內(nèi)最早建立信息系統(tǒng)工程、雷達、微波天線等專業(yè)的高校之一，并創(chuàng)造了我國電子與信息技術領域多項第一。在劉紅俠的印象中，那時的“西電”相較周邊其他學校擁有更為豐富的電腦資源，“每名學生都能擁有自己獨立的一臺電腦”。帶著這樣單純質(zhì)樸的想法，再加上之前與西電有緊密的聯(lián)系和合作，劉紅俠很容易就找到了自己心儀的團隊——由郝躍教授（后當選中國科學院院士）領導的西安電子科技大學微電子學研究團隊。

跟隨郝躍院士，劉紅俠從博士階段開始從事納米器件物理與集成電路可靠性的相關科研工作，主要是圍繞納米器件的建模，納米集成電路制造的可靠性、成品率及壽命分析等展開深入探索研究。在她早年接觸納米器件可靠性相關研究的時候，這一學科還是比較小眾的學科。憑借多年的努力勤奮及積累的豐富經(jīng)驗知識，劉紅俠收獲了一系列創(chuàng)新突破，回報也是接踵而至。2000年破格晉升副教授，2002年破格晉升教授，2003年遴選博士生導師……先后成為華山學者領軍教授、校學科帶頭人和校學術帶頭人、獲得IEEE-EDS杰出貢獻女科學家、教育部新世紀優(yōu)秀人才、陜西優(yōu)秀留學回國人員、陜西青年科技獎、優(yōu)秀留學回國人員、陜西優(yōu)秀博士后等榮譽稱號。

眾人眼中，劉紅俠突破自身局限，一路突飛猛進，只有她心里知道，這其中經(jīng)歷多少曲折磨難。從原來的“小透明”，到如今成為學科帶頭人。這世間，哪有什么大器晚成，只不過是內(nèi)心深處不甘于平庸的呼喚。也正是這種不服輸?shù)牡滋N，幫助她和所在的團隊，完成了一次又一次科研上的創(chuàng)新突破……

聚力量：佇立潮頭保駕護航

“面對世界百年未有之大變局，我們微電子人要堅持面向世界科技前沿，面向經(jīng)濟和社會建設，面向國防和國家安全，面向人民健康，緊抓集成電路產(chǎn)業(yè)，發(fā)展自主芯片，實現(xiàn)更多‘從0到1’的跨越。”正如劉紅俠的引路人郝躍院士所說的那樣，作為“微電子人”中的生力軍，西安電子科技大學微電子學院一直沖在國家大力推進集成電路產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新的浪潮前沿，而劉紅俠以融入其中為傲，且?guī)ьI團隊通過多年探索開拓出了一片天地。

這是一支氛圍融洽、互幫互助、倡導合作共贏的團隊。劉紅俠作為帶頭人給予隊員充分的指導，尊重個人特長為其制定適合的研究課題。這些年，團隊培養(yǎng)博士40余名、碩士280名，在讀博士13名、碩士35名。

瞄準前沿和國家所需，經(jīng)過多年積累，如今劉紅俠的團隊已經(jīng)形成了納米器件物理與可靠性研究、寬禁帶半導體材料與新結構器件、超大規(guī)模集成電路設計與優(yōu)化、高速半導體器件與集成電路和納米集成電路的制造技術等多個研究方向。課題覆蓋材料、器件、工藝和電路設計等。其中，基于RRAM神經(jīng)元電路和納米集成電路光電芯片設計屬于當前國際科技前沿領域，符合后摩爾時代集成電路芯片的發(fā)展趨勢。

近年來，劉紅俠帶領團隊先后主持承擔國家原“973”項目、國家原“863”項目、國家自然科學基金重點項目、教育部重點項目等國家級和省部級科研項目多項。特別在一些重要領域集成電路可靠性研究方面，劉紅俠及其團隊有卓越的貢獻。這些年針對相關集成電路應用環(huán)境復雜、質(zhì)量等級高、可靠性要求嚴、試驗周期長的現(xiàn)狀，他們重點開展了星載項目分析、關鍵可靠性技術研究、可靠性平臺建設等工作，取得了一系列重要成果，包括解決了界面態(tài)和氧化層陷阱電荷分離技術及抗輻照DSP存儲系統(tǒng)加固技術；建立了多個與抗輻照相關的驗證和評價平臺；完成集成電路多目標優(yōu)化設計，大力推動了集成電路統(tǒng)計優(yōu)化策略和實用化等，為促進國家軍事、航空航天等重要領域的微電子器件發(fā)展作出了重要貢獻，先后獲得國防科技進步獎一等獎、二等獎，信息產(chǎn)業(yè)部科技進步獎等重要獎項。

桃李滿天下

很多時候，劉紅俠需要走到聚光燈下，去展現(xiàn)科研成果，與國內(nèi)外同行進行溝通交流。她喜歡這種交流碰撞的氛圍，能廣結人脈、開闊思維。從進入高校后，她就開始積極“走出去”，先后多次出訪歐美進行學術與合作交流：2003年為英國曼徹斯特大學訪問教授，與國際著名微電子學專家Prof.A.R.Peaker合作研究納米器件可靠性；2011年為美國范德堡大學高級訪問教授，與工程學院院長Prof.Kenneth F.Galloway和電子系主任Prof.Dan Fleetwood合作研究抗輻射微電子器件和集成電路；2015年為美國弗洛里達大學高級訪問教授，與Prof.J.J Liou合作集成電路的靜電放電損傷防護技術。多年間，劉紅俠先后擔任科技部國際科技重大合作計劃、國家原“863”計劃、國家自然科學基金、陜西省重大創(chuàng)新計劃評價專家，國內(nèi)外多家期刊編委和評閱人。她曾多次參加并組織舉辦國際學術會議，擔任2021年國際會議IEEE ASICON大會共主席、2012年國際會議IEEE ICSICT共主席、2009年國際會議IEEE EDSSC出版主席等。雖然組織活動很費精力和時間，但劉紅俠非常愿意做溝通的紐帶，同時和國際知名專家面對面交流探討。

春播桃李三千圃，秋來碩果滿神州。置身高校多年，劉紅俠已經(jīng)完全融入到這片沃土撒播桃李芬芳，先后主講“超大規(guī)模集成電路可靠性”博士研究生學位課程、“微電子器件可靠性設計”碩士研究生學位課程和“集成電路制造技術”本科生必修課程；每年指導博士研究生2～3名、碩士研究生10余名。憑借出色表現(xiàn)，劉紅俠先后獲陜西省創(chuàng)新能手和優(yōu)秀歸國學人、十佳教師等多項榮譽稱號。

歲月不負有心人?！叭隧氃谑律夏ゾ?，熬得住方成大器?！眲⒓t俠從來不覺得自己如今成功了，但確實因為一段時間的刻苦付出和堅信積累，她實現(xiàn)了一個又一個心中的小目標?！安]有什么成功秘訣，無非是在別人喝茶、休息的時候，你多拿出了一點時間做了自己想要做的事情?！崩顺敝?，激流勇進。在世界半導體集成電路產(chǎn)業(yè)，特別是微納電子技術行業(yè)浪潮翻涌、大浪淘沙之際，“俠之大者，芯系國家”。雖為女子，但劉紅俠堅信伴隨著越來越多的人融入這項偉大事業(yè)之中，一定能為推動我國集成電路技術佇立潮頭保駕護航。