課題二重大科學研究計劃結(jié)題總結(jié)報告

1、項目任務書中確定的研究任務和預期目標本課題針對信息時代和數(shù)字化的國家重大需求，圍繞進一步提高信息器件的密度、存取速度和時間、進一步降低功耗為目的，開展基于量子效應的室溫硅基納米器件的研究。著重解決其中的科學問題和關(guān)鍵五年取得的可控納米硅(n-)量子點原理，nc-/iN,nc-/O2浮置柵結(jié)構(gòu)中隧穿和電荷特性及量子點之間耦合效應等方面研究成果的基礎上本課題根據(jù)我們具有自主知識的“限制性晶化原理”采取與當前半導體集成電路工藝相兼容的技術(shù)，尺寸均勻的高密度nc-i量子點陣列，研制具有數(shù)據(jù)非易失性的原理型量子點器()。為發(fā)展密度和容量的新型量子點器()及進行系統(tǒng)的相關(guān)材料、物理和原理型演示器件的研究，獲得盡可能多的專利和自主知識，掌握重要的技術(shù)，器件提供技術(shù)支撐。發(fā)展具有自己特色的高密度、尺寸和分布可控的三維陣列硅量子點材料達到國際先進水平：量子點尺寸<5nm，密度>1011/cm2。性質(zhì)，利層量子結(jié)構(gòu)和耦合量子點特性，探討一種利用量子點之間電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)信息的新途徑。在半導體量子點材料、物理和原理型器件創(chuàng)新性研究的基礎上，高質(zhì)量SCI學術(shù)25篇以上。研制出可在室溫下運作的基于納米硅量子點結(jié)構(gòu)作為單元的2x2、3x3或4x4矩陣器原理型器件；設計和研制用于測試新型納米量子點功5在量子點和邏輯領(lǐng)域里的優(yōu)秀人才培養(yǎng)方面，將培養(yǎng)一支有良好科學素養(yǎng)和研究能力的人才梯隊，同時五年內(nèi)培養(yǎng)出10-20名相關(guān)專業(yè)和博士硅量子點納米器的材料研究利用我們具有自主知識的限制性晶化原理研究準分子超短脈沖激光束Si基單層或多層超薄膜的互作用機理及限制性晶化過程，探索浮置柵單層硅量子點的納米器件的構(gòu)建與工作模式的研究以CMOS技術(shù)為基礎設計nc-Si不對稱雙勢壘等多種結(jié)構(gòu)構(gòu)建可在室溫構(gòu)中的電荷特性以及時間與器件結(jié)構(gòu)與量子點尺寸的關(guān)系以提高提高硅量子點器的性能的新途徑研究針對納米器件的速度與時間之間的研究硅量子點的密度與特性的關(guān)系以及具有弱耦合特性的量子點陣列對器件特性的影響探討耦合量子點的結(jié)構(gòu)與物性與性能特別是器件保存時間的相互聯(lián)系利層結(jié)構(gòu)減低電荷的泄漏幾率提高器的信息保存時間在研究量子點間的耦合隧穿極化等物理問題的基礎上提出一種利用量子點之間電荷轉(zhuǎn)移、極化實現(xiàn)信息的新途徑。研制基于納米硅量子點結(jié)構(gòu)作為單元的2x2、3x3或4x4新型納米量子點器原理件。設計和研制用于測試新型納米量子點功能的演示電2、計劃任務完成情況礎上,5年的努力工作,已全面完成了研究計劃,實現(xiàn)了預期目標,自行設計,并在無錫華晶微電子公司的5英寸工藝流水線上研制成功國內(nèi)第一個nc-Si浮柵非易失性單管器及具有NOR功能4x4bit的矩陣器原型器件，在納43篇，發(fā)明專利8項，申請發(fā)明專利3項。具體研究成果如下：（一應用基礎研究部分——納米硅量子點器材料構(gòu)筑原理、工作模式及機理等的研究，PECVD生長技術(shù)，探索了一種低溫等離子體氧化技術(shù)和氮化技術(shù)，獲nc-Si/SiO2、nc-Si/SiNX三明治和多層膜結(jié)構(gòu)以構(gòu)成硅基“納電子結(jié)”結(jié)構(gòu)。并從二個途徑對有序可控的nc-Si量子點陣列進行研和周期了均勻可控的一維高密度的半導體量子點薄膜和二維、三維量子點陣列(1、2)。，1nc-Si量子點陣列的剖面透射電子顯微鏡

2有序可控的nc-Si量子點陣列的高分辨電子顯微鏡KrF脈沖激光在樣品表面產(chǎn)生圖像，當激光束的能量高于a-Si結(jié)晶的閾值能量時，誘導定域微區(qū)晶化、出尺寸可控排列有序的nc-Si陣列(圖3、4)。nc-Si量子點平均尺寸56nm、密度1012cm-2，為納米電子器件打下基礎。 圖3AFM：(a)具有一維圖形的浮雕型移相光柵模版，周期為400(b)由KrF脈沖激光束在樣品表面誘導定域微區(qū)晶化的尺寸可控、nc-Si陣列。4具有二維圖形的浮雕型移相光柵模版(400和二維nc-Si陣列的AFM自組裝Si納米環(huán)結(jié)構(gòu)的和氣相自限制生長模型的研究。在PECVD系統(tǒng)Si(100)襯底上獲得具有理想形貌特征、旋轉(zhuǎn)對稱性好的超薄壁厚10nm)Si納米環(huán)結(jié)構(gòu)(5)。從生長動力學出發(fā)提出了“生長－刻蝕競爭平衡”自限制生長模型。Si納米環(huán)與襯底間的電絕緣，為其器件應用創(chuàng)造了條件(6)。5SiAFMSEM

6SiSiO2/nc-Si/SiO2SiNX/nc-Si/SiNXMOS浮置柵結(jié)構(gòu)，并研究了該類結(jié)構(gòu)中的隧穿、庫侖阻塞效應和電荷特性。由C-V特性測量，揭示了由庫侖阻塞產(chǎn)生的的電容峰(圖7)，由第1、2、3個值相符。研究了弱耦合nc-Si量子點陣列中的單電子隧穿和庫侖阻塞的集體效應，提出了耦合nc-Si量子點陣列中的微帶模型。觀察到該類結(jié)構(gòu)中由電荷產(chǎn)生的C-V回滯曲線(圖8)。為nc-Si量子點浮置柵MOSFET器件在室溫圖7不同頻率下的電容-電壓(C-V)特性曲線顯示了由庫侖阻塞產(chǎn)生的的電容

圖8由電荷產(chǎn)生的C-V回滯曲雙層nc-Si量子點浮置柵特性研究利用PECVD和高溫限制晶化技術(shù)在硅襯底上了a-SiNX/nc-Si/a-SiNX/nc-Si/a-SiNX雙層Si量子點浮置柵結(jié)構(gòu)(圖9)，由C-V特性表明該結(jié)構(gòu)具有很好的電荷能力。通過研究C-V平帶電壓nc-Si現(xiàn)象(10)9a-SiNX/nc-Si/a-SiNX/nc-Si/a-SiNXnc-Si

圖10C-V平帶電壓偏移與掃描電壓的變化nc-Si量子點結(jié)構(gòu)中兩級電荷注入和現(xiàn)象nc-Si浮置柵電荷注入機理及多層nc-Si量子點結(jié)構(gòu)中的隧穿現(xiàn)象的研①為了更好地nc-Si浮置柵非易失性器，我們仔細研究了nc-Si浮置柵11SiO2/nc-Si/SiO2I-V從載流子注入的微觀過程來研究nc-Si電荷的基本原理，為研究雙層nc-Si量子點器提供了物理基礎。11nc-SiI-V特性中觀察②基于非晶多層膜結(jié)構(gòu)中的限制晶化模型在富氮a-SiNX/富硅a-SiNy多層膜中3-4nmnc-Si/SiNX多層結(jié)構(gòu)。如圖12所示，在n型襯底的樣品上、在正偏壓下觀察到明顯的電子的電流峰，峰谷比達33。用隧穿/弛豫交替的相繼隧穿模型解釋了這一實驗現(xiàn)象。為nc-Si量子點隧穿二極管提供了實驗依據(jù)。II840 Voltage

12在n型襯底的樣品上、在正偏壓下觀察到明顯的電子的電流峰，33Si納米量子線和雙側(cè)柵Si量子線FET的及單電子庫倫振蕩的研SiFET的SOI(100)作襯底，經(jīng)磷離子注入獲得高摻雜的電子濃度1019cm-3)。采20nm，然后由和RIE相結(jié)合，出雙側(cè)柵Si量子線FET。其結(jié)構(gòu)見圖圖 (a)雙側(cè)柵Si量子線FET的的示意圖；(b)雙側(cè)柵Si量子線FET的SEM②觀察到低溫下Si量子線中單電子導電的庫侖阻塞菱形電學特征及庫侖振蕩的 特性，見圖14。145.4KGVDS和VBG的函數(shù)關(guān)系的菱形結(jié)構(gòu)圖。黑為庫侖阻塞狀態(tài)；白為電子通導狀態(tài)利量子點的電容耦合特性，設計了一種新的單電子邏輯的實現(xiàn)方案。即系統(tǒng)的邏輯輸出特性(15)。使較為復雜邏輯如非與門(NAND)等能夠直接而簡單地實現(xiàn)，大大降低了實現(xiàn)單個邏輯所需要的單元數(shù)(16)。15Vg2Vg2

InterdotCapacitanceRatio:

IICurrent(arb.unit)Vg2(U/e)Vg1

Vg1

Time(arb.16基于電容耦合雙量子點的非與門（NAND）（二原型器件研究部分——納米硅量子點非易失半導體單元 和4x4矩陣原型器件的研制新型納米硅量子點單元的設計、研制及在完成nc-Si浮置柵電荷注入機理研究的基礎上，我們進行了單管器(存儲單元)的結(jié)構(gòu)設計、工藝設計和版面設計，并在無錫華晶微電子的5英寸半導體工藝流水線上進行nc-Si浮置柵器關(guān)鍵工藝試驗其中包括：高密度nc-Si陣列的獲得；c．nc-Si晶粒表面鈍化；d.控制柵介質(zhì)層的選擇。最后在5英寸半導體工藝流水線上進行nc-Si浮置柵器的流片和2x2、3x3、或4x4器原理型器件的研制。①納米硅量子點單元的結(jié)構(gòu)設計和版面設磷硅玻多晶磷硅玻多晶硅襯磷硅玻多晶硅襯磷硅玻多晶硅襯nc-Si浮柵單元的管芯尺寸平面圖如圖2所示圖上標出了有源區(qū)柵寬、1微米、353是圖 nc-Si浮圖 nc-Si浮圖 nc-Si浮柵器的管芯尺寸平面 圖3光刻掩膜版平面示意②納米硅量子點單元的工藝設表 nc-Si浮柵非揮發(fā)性浮柵單元的工藝流程1p型 ρ=6-82500±50100031400±1404（5Si3N4RIE6場氧化（LOCOS技術(shù)500±501050O2、5’-70’-7Si3N4RIE820 2e12cm-9SiO2隧穿氧化3.5800℃、15min10LN2/1LO2（3%nc-15-20LPCVD20SiH4、350mTorr、560℃、4min氮NH3、780℃、Si3N4控制介質(zhì)30LPCVDSiH2Cl2:NH3=30(sccm)、350500±50磷離子注入（重摻20-3050KeV、5e15cm-RIEPoly-1000℃ 95%N2+5%50KeV3e15cm-1000USG2000?+PSG8000900C、（版濺射、（版420℃、、、 四步工藝為關(guān)鍵工③納米硅量子點單元典型納米硅量子點單元的剖面TEM和剖面高分辨TEM我們用透射電子顯微鏡(T)和高分辨透射電子顯微鏡(TEM)檢驗了納米硅量子點單元樣品的剖面結(jié)構(gòu)。圖4是樣品的剖面M，清晰地展示了多晶硅層和磷硅玻璃層。從圖5(a)可以清晰看到柵氧化隧穿層、氮化的nc-i5(b)nc-i點通過圖5(c的TEM觀測到被氮化的nc-i的晶格相氮化nc-i8-10n5T流水線上成功地完成了柵氧化隧穿層、nc-i4步關(guān)鍵工藝。圖 納米硅量子點單元樣品的剖面TEMPoly-SiControlNitridePoly-SiControlNitrideNitridednc-SiFloatingTunnelSiPoly-SiControlNitrideNitridednc-SiFloatingTunnelSiTunnelOxide:3%800oC, 3.5nc-SiLayer:560oC, 18Nitrided:LPCVD780oC,ControlNitride:780oC,10’30ControlNitrideNitridednc-SiFloatingTunnelControl Control TunnelOxide3nmSi

Si

Poly-SiPoly-SiSiPoly-SiSiNitridednc-

TunnelOxide3nmSi

Si

圖 納米硅量子點單元樣品的剖面TEM(a)、(b)和(3)輸出特性、轉(zhuǎn)移特性和特納米硅量子點非易失半導體單元電學特性測試VG0V4VVDS圖6納米硅量子點器單元的輸出特我們設計的納米硅量子點器為n溝增強型MOSFET器件，圖6是所測400μS。轉(zhuǎn)移特VDS：VDS=0.1柵極電壓VG：掃描范圍：-外加任何偏置條件下，單元的開啟電壓為1.0V。圖7納米硅量子點器單元的轉(zhuǎn)移特特（1）±8V，1s（2）±10V，1s圖8納米硅量子點器單元的特，米硅量子點，這些電子在一定程度上了柵極電場的作用單元的閾值電，±10V，1s的情況下，電子和空穴后的窗口很明顯，分別達到1.8V0.6V閾值電壓平移的大小也就是窗口的大小直接反映了在納米硅浮置柵的電荷量。根據(jù)經(jīng)典的關(guān)系式：

tt

cont

nccont 其中，△Vth是單元的窗口，tcont是控制介質(zhì)層的厚度，tnc是納米硅的平均尺寸，ε是介電常數(shù)，q是單位電荷的大小。根據(jù)前面單元的結(jié)構(gòu)參±10V，1s時，取△Vth=2.4V，tcont=30nm，tnc=10nm，我們可以估算出的電荷密度大約為3×1012/cm2。擦寫特脈沖寬度：10-7s~9所示。StorageStorageVpgm=8VVers=-8VVpgm=9VVers=-9VVpgm=10VVers=-Initial10- 10- 10- 10- 10- 10- 10- 圖 在不同的擦寫電壓下，單元的擦寫特測量時間：7天圖10是經(jīng)過±10V1s的柵極電壓擦寫操作以后所測得納米硅量子點器將所測數(shù)據(jù)進行延長可以發(fā)現(xiàn)延長至10年仍然能保持大約1.2V的窗口圖10納米硅量子點器的保持特性曲小結(jié)：納米硅量子點單元典型的電學參窗口>2.0(Program)<100μs(寫入電壓為+10V)擦除(Erase)速度<10μs(擦除電壓-10V)保持(Retention)時間∽10年（2）具有NOR功能的4×4矩陣原型器件功能測①4×4NOR結(jié)構(gòu)矩陣功能原理4×4NOR矩陣結(jié)構(gòu)如圖11所示，NOR的每個單元以并聯(lián)的方式將柵極連接到字線(WL)，漏極與源極分別連接到位線(BL)SL。通過在字線和位線上加不同的偏壓，實現(xiàn)NOR矩陣的擦寫功能。當對該矩Veras(BL)SL全部共地。當對某一個單元進行寫入操作時，通過開關(guān)選中該單元，在其對應的Vprog的寫入電壓，對應的位線(BL)SL接地；其它未被選中的0.5Vprog偏壓、位線(BL)SLVprog的偏壓。具體的實現(xiàn)過圖 4x4NOR矩陣功能原理②4x412(b)所示。 圖12(a)、(b)分別為4×4矩陣版面和實物圖13(a)為矩陣工作時各種偏置電壓的脈沖電平圖，表示了對矩陣中某一單元的2種擦、寫、讀的過程。擦除操作目的是對每個單元進行狀態(tài)初始化，圖13(a)和(b)擦除與的過程都相同。在擦除操作中，該單元所WL加電壓-8VBLSL0V，一段時間后，對其進行操作，WL2.5V，BL3V，SL0VVDS輸出低電平。圖 (a)被選中單元脈沖電平(b)未被選中單元脈沖電平被寫的單元，如圖13(a),被選中的單元的字線WL加電壓+8V，位線BLSL0VWL2.5V，位線BL3V，SL0VVDS輸出高電平。未被選中的單元的字線WL和位線BLSL在寫操作過程中所加電壓差為4V、-4V或0V，單元的狀態(tài)保持不變，它們?nèi)匀惠敵龅碗娖?。圖13(b)以+4V的電壓差為例給出脈沖電平圖。③4x4矩陣NOR功能測試舉同的初始狀態(tài)。表1為經(jīng)過擦除操作后各單元的狀態(tài)，均處于“0”狀態(tài)。14表 擦除后各單元的狀----出)的寫入過程為例。通過開關(guān)選中第一行第二列的單元后，將+8V的編程電壓加在WL2上，同時將BL1和SL1共地。對于未選中的單元，在其所在的字線(WL1、WL3WL4)上加+4V的偏壓，位線(BL2、BL3、BL4)和(SL2、SL3和SL4)加+8V的偏壓。這樣，對于選中的單元(1,2)，襯底電子在柵壓作用下通過直接隧穿進入nc-Si量子點。而對于與(1,2)不的單元，由于位線BL和SL同時接高電平導致電子無法正常注入，對于與(1，2)的其他會產(chǎn)生顯著影響。表2為寫入第一行第二列后各單元狀態(tài)。15表 寫入操作后各單元狀如圖16所示，以(1,2)為例。通過開關(guān)選中該矩陣單元后，將+2.5V的柵WL2上，在其他字線(WL1、WL3WL4)上加-2V的偏壓。所有的BL接+3V的漏極電壓，同時所有的SL接地。電壓表接在每一行單元的源極和漏極之間，通過電壓表的示數(shù)就可以判斷所選中單元所處的狀態(tài)。當電壓表輸出高電平時，表明所選中的單元處于電子寫入狀態(tài)，記為“1”；反之，處于電子擦除狀態(tài)，記為“0”。表3為讀操作時各單元的狀態(tài)。圖16操作電壓偏置圖表3操作后各單元狀---小結(jié)通過擦除寫入和三個典型操作的測試實例證明我們已實現(xiàn)了4x4矩陣的R功能?？傚a華晶微電子公司的5英寸工藝線上已研制出納米硅量子點非易失半導單元和4X4矩陣原型器件。器件特性如下1、所研制的納米硅量子點單元典型器件性能為窗口2.0寫入100(寫入電壓為+10擦除速度10(擦除電壓為-10保持10本項目在研制過程中基于分立電荷模式原理的硅量子點矩陣存0L10”的查新，未見有與本項3、研究水平與國內(nèi)外同類研究工作相比的創(chuàng)新<1>在納米硅量子點器的材料研究方面國際上常利用離子注入技術(shù)，在SiO2或SiN介質(zhì)膜中注入Si離子，再由高層量子點結(jié)構(gòu)。本課題是采用擁有自主知識的限制性晶化原理，由激光誘Si層相互作用，通過限制性晶化過程，獲得尺寸可控，高電荷功能，同時，利用我們的技術(shù)能出均勻分布的雙層或多層nc-Si<2>在納米硅量子點器的新結(jié)構(gòu)方面點之間電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)信息的