课题二重大科学研究计划结题总结报告

1、项目任务书中确定的研究任务和预期目标本课题针对信息时代和数字化的国家重大需求，围绕进一步提高信息器件的密度、存取速度和时间、进一步降低功耗为目的，开展基于量子效应的室温硅基纳米器件的研究。着重解决其中的科学问题和关键五年取得的可控纳米硅(n-)量子点原理，nc-/iN,nc-/O2浮置栅结构中隧穿和电荷特性及量子点之间耦合效应等方面研究成果的基础上本课题根据我们具有自主知识的“限制性晶化原理”采取与当前半导体集成电路工艺相兼容的技术，尺寸均匀的高密度nc-i量子点阵列，研制具有数据非易失性的原理型量子点器()。为发展密度和容量的新型量子点器()及进行系统的相关材料、物理和原理型演示器件的研究，获得尽可能多的专利和自主知识，掌握重要的技术，器件提供技术支撑。发展具有自己特色的高密度、尺寸和分布可控的三维阵列硅量子点材料达到国际先进水平：量子点尺寸<5nm，密度>1011/cm2。性质，利层量子结构和耦合量子点特性，探讨一种利用量子点之间电荷转移实现信息的新途径。在半导体量子点材料、物理和原理型器件创新性研究的基础上，高质量SCI学术25篇以上。研制出可在室温下运作的基于纳米硅量子点结构作为单元的2x2、3x3或4x4矩阵器原理型器件；设计和研制用于测试新型纳米量子点功5在量子点和逻辑领域里的优秀人才培养方面，将培养一支有良好科学素养和研究能力的人才梯队，同时五年内培养出10-20名相关专业和博士硅量子点纳米器的材料研究利用我们具有自主知识的限制性晶化原理研究准分子超短脉冲激光束Si基单层或多层超薄膜的互作用机理及限制性晶化过程，探索浮置栅单层硅量子点的纳米器件的构建与工作模式的研究以CMOS技术为基础设计nc-Si不对称双势垒等多种结构构建可在室温构中的电荷特性以及时间与器件结构与量子点尺寸的关系以提高提高硅量子点器的性能的新途径研究针对纳米器件的速度与时间之间的研究硅量子点的密度与特性的关系以及具有弱耦合特性的量子点阵列对器件特性的影响探讨耦合量子点的结构与物性与性能特别是器件保存时间的相互联系利层结构减低电荷的泄漏几率提高器的信息保存时间在研究量子点间的耦合隧穿极化等物理问题的基础上提出一种利用量子点之间电荷转移、极化实现信息的新途径。研制基于纳米硅量子点结构作为单元的2x2、3x3或4x4新型纳米量子点器原理件。设计和研制用于测试新型纳米量子点功能的演示电2、计划任务完成情况础上,5年的努力工作,已全面完成了研究计划,实现了预期目标,自行设计,并在无锡华晶微电子公司的5英寸工艺流水线上研制成功国内第一个nc-Si浮栅非易失性单管器及具有NOR功能4x4bit的矩阵器原型器件，在纳43篇，发明专利8项，申请发明专利3项。具体研究成果如下：（一应用基础研究部分——纳米硅量子点器材料构筑原理、工作模式及机理等的研究，PECVD生长技术，探索了一种低温等离子体氧化技术和氮化技术，获nc-Si/SiO2、nc-Si/SiNX三明治和多层膜结构以构成硅基“纳电子结”结构。并从二个途径对有序可控的nc-Si量子点阵列进行研和周期了均匀可控的一维高密度的半导体量子点薄膜和二维、三维量子点阵列(1、2)。，1nc-Si量子点阵列的剖面透射电子显微镜

2有序可控的nc-Si量子点阵列的高分辨电子显微镜KrF脉冲激光在样品表面产生图像，当激光束的能量高于a-Si结晶的阈值能量时，诱导定域微区晶化、出尺寸可控排列有序的nc-Si阵列(图3、4)。nc-Si量子点平均尺寸56nm、密度1012cm-2，为纳米电子器件打下基础。 图3AFM：(a)具有一维图形的浮雕型移相光栅模版，周期为400(b)由KrF脉冲激光束在样品表面诱导定域微区晶化的尺寸可控、nc-Si阵列。4具有二维图形的浮雕型移相光栅模版(400和二维nc-Si阵列的AFM自组装Si纳米环结构的和气相自限制生长模型的研究。在PECVD系统Si(100)衬底上获得具有理想形貌特征、旋转对称性好的超薄壁厚10nm)Si纳米环结构(5)。从生长动力学出发提出了“生长－刻蚀竞争平衡”自限制生长模型。Si纳米环与衬底间的电绝缘，为其器件应用创造了条件(6)。5SiAFMSEM

6SiSiO2/nc-Si/SiO2SiNX/nc-Si/SiNXMOS浮置栅结构，并研究了该类结构中的隧穿、库仑阻塞效应和电荷特性。由C-V特性测量，揭示了由库仑阻塞产生的的电容峰(图7)，由第1、2、3个值相符。研究了弱耦合nc-Si量子点阵列中的单电子隧穿和库仑阻塞的集体效应，提出了耦合nc-Si量子点阵列中的微带模型。观察到该类结构中由电荷产生的C-V回滞曲线(图8)。为nc-Si量子点浮置栅MOSFET器件在室温图7不同频率下的电容-电压(C-V)特性曲线显示了由库仑阻塞产生的的电容

图8由电荷产生的C-V回滞曲双层nc-Si量子点浮置栅特性研究利用PECVD和高温限制晶化技术在硅衬底上了a-SiNX/nc-Si/a-SiNX/nc-Si/a-SiNX双层Si量子点浮置栅结构(图9)，由C-V特性表明该结构具有很好的电荷能力。通过研究C-V平带电压nc-Si现象(10)9a-SiNX/nc-Si/a-SiNX/nc-Si/a-SiNXnc-Si

图10C-V平带电压偏移与扫描电压的变化nc-Si量子点结构中两级电荷注入和现象nc-Si浮置栅电荷注入机理及多层nc-Si量子点结构中的隧穿现象的研①为了更好地nc-Si浮置栅非易失性器，我们仔细研究了nc-Si浮置栅11SiO2/nc-Si/SiO2I-V从载流子注入的微观过程来研究nc-Si电荷的基本原理，为研究双层nc-Si量子点器提供了物理基础。11nc-SiI-V特性中观察②基于非晶多层膜结构中的限制晶化模型在富氮a-SiNX/富硅a-SiNy多层膜中3-4nmnc-Si/SiNX多层结构。如图12所示，在n型衬底的样品上、在正偏压下观察到明显的电子的电流峰，峰谷比达33。用隧穿/弛豫交替的相继隧穿模型解释了这一实验现象。为nc-Si量子点隧穿二极管提供了实验依据。II840 Voltage

12在n型衬底的样品上、在正偏压下观察到明显的电子的电流峰，33Si纳米量子线和双侧栅Si量子线FET的及单电子库伦振荡的研SiFET的SOI(100)作衬底，经磷离子注入获得高掺杂的电子浓度1019cm-3)。采20nm，然后由和RIE相结合，出双侧栅Si量子线FET。其结构见图图 (a)双侧栅Si量子线FET的的示意图；(b)双侧栅Si量子线FET的SEM②观察到低温下Si量子线中单电子导电的库仑阻塞菱形电学特征及库仑振荡的 特性，见图14。145.4KGVDS和VBG的函数关系的菱形结构图。黑为库仑阻塞状态；白为电子通导状态利量子点的电容耦合特性，设计了一种新的单电子逻辑的实现方案。即系统的逻辑输出特性(15)。使较为复杂逻辑如非与门(NAND)等能够直接而简单地实现，大大降低了实现单个逻辑所需要的单元数(16)。15Vg2Vg2

InterdotCapacitanceRatio:

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

Vg1

Time(arb.16基于电容耦合双量子点的非与门（NAND）（二原型器件研究部分——纳米硅量子点非易失半导体单元 和4x4矩阵原型器件的研制新型纳米硅量子点单元的设计、研制及在完成nc-Si浮置栅电荷注入机理研究的基础上，我们进行了单管器(存储单元)的结构设计、工艺设计和版面设计，并在无锡华晶微电子的5英寸半导体工艺流水线上进行nc-Si浮置栅器关键工艺试验其中包括：高密度nc-Si阵列的获得；c．nc-Si晶粒表面钝化；d.控制栅介质层的选择。最后在5英寸半导体工艺流水线上进行nc-Si浮置栅器的流片和2x2、3x3、或4x4器原理型器件的研制。①纳米硅量子点单元的结构设计和版面设磷硅玻多晶磷硅玻多晶硅衬磷硅玻多晶硅衬磷硅玻多晶硅衬nc-Si浮栅单元的管芯尺寸平面图如图2所示图上标出了有源区栅宽、1微米、353是图 nc-Si浮图 nc-Si浮图 nc-Si浮栅器的管芯尺寸平面 图3光刻掩膜版平面示意②纳米硅量子点单元的工艺设表 nc-Si浮栅非挥发性浮栅单元的工艺流程1p型 ρ=6-82500±50100031400±1404（5Si3N4RIE6场氧化（LOCOS技术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控制介质30LPCVDSiH2Cl2:NH3=30(sccm)、350500±50磷离子注入（重掺20-3050KeV、5e15cm-RIEPoly-1000℃ 95%N2+5%50KeV3e15cm-1000USG2000Å+PSG8000900C、（版溅射、（版420℃、、、 四步工艺为关键工③纳米硅量子点单元典型纳米硅量子点单元的剖面TEM和剖面高分辨TEM我们用透射电子显微镜(T)和高分辨透射电子显微镜(TEM)检验了纳米硅量子点单元样品的剖面结构。图4是样品的剖面M，清晰地展示了多晶硅层和磷硅玻璃层。从图5(a)可以清晰看到栅氧化隧穿层、氮化的nc-i5(b)nc-i点通过图5(c的TEM观测到被氮化的nc-i的晶格相氮化nc-i8-10n5T流水线上成功地完成了栅氧化隧穿层、nc-i4步关键工艺。图 纳米硅量子点单元样品的剖面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

图 纳米硅量子点单元样品的剖面TEM(a)、(b)和(3)输出特性、转移特性和特纳米硅量子点非易失半导体单元电学特性测试VG0V4VVDS图6纳米硅量子点器单元的输出特我们设计的纳米硅量子点器为n沟增强型MOSFET器件，图6是所测400μS。转移特VDS：VDS=0.1栅极电压VG：扫描范围：-外加任何偏置条件下，单元的开启电压为1.0V。图7纳米硅量子点器单元的转移特特（1）±8V，1s（2）±10V，1s图8纳米硅量子点器单元的特，米硅量子点，这些电子在一定程度上了栅极电场的作用单元的阈值电，±10V，1s的情况下，电子和空穴后的窗口很明显，分别达到1.8V0.6V阈值电压平移的大小也就是窗口的大小直接反映了在纳米硅浮置栅的电荷量。根据经典的关系式：

tt

cont

nccont 其中，△Vth是单元的窗口，tcont是控制介质层的厚度，tnc是纳米硅的平均尺寸，ε是介电常数，q是单位电荷的大小。根据前面单元的结构参±10V，1s时，取△Vth=2.4V，tcont=30nm，tnc=10nm，我们可以估算出的电荷密度大约为3×1012/cm2。擦写特脉冲宽度：10-7s~9所示。StorageStorageVpgm=8VVers=-8VVpgm=9VVers=-9VVpgm=10VVers=-Initial10- 10- 10- 10- 10- 10- 10- 图 在不同的擦写电压下，单元的擦写特测量时间：7天图10是经过±10V1s的栅极电压擦写操作以后所测得纳米硅量子点器将所测数据进行延长可以发现延长至10年仍然能保持大约1.2V的窗口图10纳米硅量子点器的保持特性曲小结：纳米硅量子点单元典型的电学参窗口>2.0(Program)<100μs(写入电压为+10V)擦除(Erase)速度<10μs(擦除电压-10V)保持(Retention)时间∽10年（2）具有NOR功能的4×4矩阵原型器件功能测①4×4NOR结构矩阵功能原理4×4NOR矩阵结构如图11所示，NOR的每个单元以并联的方式将栅极连接到字线(WL)，漏极与源极分别连接到位线(BL)SL。通过在字线和位线上加不同的偏压，实现NOR矩阵的擦写功能。当对该矩Veras(BL)SL全部共地。当对某一个单元进行写入操作时，通过开关选中该单元，在其对应的Vprog的写入电压，对应的位线(BL)SL接地；其它未被选中的0.5Vprog偏压、位线(BL)SLVprog的偏压。具体的实现过图 4x4NOR矩阵功能原理②4x412(b)所示。 图12(a)、(b)分别为4×4矩阵版面和实物图13(a)为矩阵工作时各种偏置电压的脉冲电平图，表示了对矩阵中某一单元的2种擦、写、读的过程。擦除操作目的是对每个单元进行状态初始化，图13(a)和(b)擦除与的过程都相同。在擦除操作中，该单元所WL加电压-8VBLSL0V，一段时间后，对其进行操作，WL2.5V，BL3V，SL0VVDS输出低电平。图 (a)被选中单元脉冲电平(b)未被选中单元脉冲电平被写的单元，如图13(a),被选中的单元的字线WL加电压+8V，位线BLSL0VWL2.5V，位线BL3V，SL0VVDS输出高电平。未被选中的单元的字线WL和位线BLSL在写操作过程中所加电压差为4V、-4V或0V，单元的状态保持不变，它们仍然输出低电平。图13(b)以+4V的电压差为例给出脉冲电平图。③4x4矩阵NOR功能测试举同的初始状态。表1为经过擦除操作后各单元的状态，均处于“0”状态。14表 擦除后各单元的状----出)的写入过程为例。通过开关选中第一行第二列的单元后，将+8V的编程电压加在WL2上，同时将BL1和SL1共地。对于未选中的单元，在其所在的字线(WL1、WL3WL4)上加+4V的偏压，位线(BL2、BL3、BL4)和(SL2、SL3和SL4)加+8V的偏压。这样，对于选中的单元(1,2)，衬底电子在栅压作用下通过直接隧穿进入nc-Si量子点。而对于与(1,2)不的单元，由于位线BL和SL同时接高电平导致电子无法正常注入，对于与(1，2)的其他会产生显著影响。表2为写入第一行第二列后各单元状态。15表 写入操作后各单元状如图16所示，以(1,2)为例。通过开关选中该矩阵单元后，将+2.5V的栅WL2上，在其他字线(WL1、WL3WL4)上加-2V的偏压。所有的BL接+3V的漏极电压，同时所有的SL接地。电压表接在每一行单元的源极和漏极之间，通过电压表的示数就可以判断所选中单元所处的状态。当电压表输出高电平时，表明所选中的单元处于电子写入状态，记为“1”；反之，处于电子擦除状态，记为“0”。表3为读操作时各单元的状态。图16操作电压偏置图表3操作后各单元状---小结通过擦除写入和三个典型操作的测试实例证明我们已实现了4x4矩阵的R功能。总锡华晶微电子公司的5英寸工艺线上已研制出纳米硅量子点非易失半导单元和4X4矩阵原型器件。器件特性如下1、所研制的纳米硅量子点单元典型器件性能为窗口2.0写入100(写入电压为+10擦除速度10(擦除电压为-10保持10本项目在研制过程中基于分立电荷模式原理的硅量子点矩阵存0L10”的查新，未见有与本项3、研究水平与国内外同类研究工作相比的创新<1>在纳米硅量子点器的材料研究方面国际上常利用离子注入技术，在SiO2或SiN介质膜中注入Si离子，再由高层量子点结构。本课题是采用拥有自主知识的限制性晶化原理，由激光诱Si层相互作用，通过限制性晶化过程，获得尺寸可控，高电荷功能，同时，利用我们的技术能出均匀分布的双层或多层nc-Si<2>在纳米硅量子点器的新结构方面点之间电荷转移实现信息的