复旦大学mems经典案例

复旦大学

MEMS报告一、研究机构二、研究方向三、仪器设备四、研究成果及发表文献一、复旦大学MEMS相关研究机构〔1〕微电子学院复旦大学微电子学院〔简称学院〕是在国家教育部、科技部、上海市政府的关心下，成立于2021年4月，是我国特别是上海地区微电子人才培养和微电子技术研发的重要基地之一，也是复旦大学积极响应“国家急需，世界一流〞号召，开展工科“先行先试〞的首个改革试点单位，是直属于学校领导的教学科研实体单位。邯郸校区微电子楼张江校区微电子楼学院由原“微电子研究院〞、“信息学院微电子学系〞和“985微纳电子科技创新平台〞合并而成，依托复旦大学“微电子学与固体电子学〞学科几十年的积累，有着雄厚的技术和学术优势，学院拥有全国唯一的“专用集成电路和系统国家重点实验室(复旦大学)〞，其所在一级学科具有博士学位授予权和博士后流动站，与英特尔、亿恒、阿尔卡特等国际知名公司建立了联合实验室，拥有先进的公共实验平台和各类到达国际先进水平的设计软、硬件系统。复旦大学作为我国微电子学科的创立者之一，又地处我国集成电路产业最聚集的地区上海，具有建设好微电子学院的独特优势。复旦大学微电子学院围绕国家重大需求，在高端人才培养、科学研究和成果转化上，以创新的模式实现“政产学研用〞的无缝联接，将为支撑我国半导体芯片产业跨越式开展做出更多奉献。

〔2〕微纳电子器件与工艺实验室

平台依托于专用集成电路与系统国家重点实验室的工艺技术子平台，致力于整合产学研资源，搭建基于CMOS工艺的新型器件研发公共效劳平台。平台拥有主体千级、局部区域百级、总洁净面积到达约800平米的洁净室，放置了先进的集束系统(集成了PVD/ALD/RTP/XPS等)、铜互连先进扩散阻挡层淀积和分析系统、纳米管和石墨烯淀积设备、反响离子刻蚀、微波退火系统等关键设备，同时洁净室还放置了高端电子束曝光设备JEOL6300FS和ICP刻蚀等关键设备，显著提升了工艺研究方向的效劳能力，对微电子学科的开展具有重大意义。平台瞄准国际集成电路、超深亚微米/纳米电子材料与工艺和超高速电子器件的开展前沿，面向国家重大需求，开展微纳电子器件与工艺关键技术的研发，力争解决国家在极大规模集成电路制造工艺领域中的局部重大科学和技术问题。近年来平台负责承担和完成了包括国家“02重大专项〞、“863〞方案及国家自然科学基金等工程在内的各类工程共计近50项。目前为止，平台已出版中英文专著6部，并在AdvancedMaterials、AppliedPhysicsLetters、IEEEElectronDeviceLetters、IEEETransactiononElectronDevice和JournalofAppliedPhysics等专业期刊上发表论文近300余篇，申请专利150多项。此外，平台积极开展国内外学术交流与合作，并与国内多家集成电路制造公司的领头企业，如中芯国际、华虹NEC等，建立了长期深入的合作关系。平台的开展目标是在微纳电子领域的学术研究、人才培养和应用技术等方面在国内处于领先水平，局部研究成果到达国际一流水平。二、复旦大学MEMS相关研究方向1、专用集成电路和系统国家重点实验室实验室聚焦高能效系统芯片及其核心IP设计，开展数字、射频与数模混合信号集成电路设计创新研究，同时进行MOS新器件新工艺和纳米尺度集成电路设计方法学的研究。实验室三个主要研究方向及凝练的研究工作重点〔1〕系统芯片设计及应用

高能效处理器与系统芯片设计

主要开展处理器指令集体系、架构与多核通信机制、嵌入式处理器、片上存储器、可编程逻辑器件、系统芯片设计平台技术和低功耗电路设计技术等研究，形成高水平的基于核心IP的高能效系统芯片设计平台。高性能射频与混合信号集成电路设计主要开展数字辅助和多模可重构射频收发器、微功率自供电芯片、毫米波集成电路、高速高精度高能效模数转换器、先进电源管理芯片技术等研究。〔2〕芯片设计方法学与设计自动化芯片设计方法学与设计自动化方向为集成电路的设计和工艺方向提供根底性支撑，研究超大规模、超高速集成电路的快速准确建模、分析与优化方法，一方面突破设计复杂度急剧膨胀难题，另一方面突破纳米工艺导致的可制造性和成品率瓶颈问题。主要开展超大规模互连线的参数提取、模型降阶和综合，模拟电路的行为级描述语言VHDL－AMS、建模、分析和综合优化，集成电路的物理设计、可制造性设计等方向的研究，突破纳米尺度集成电路设计自动化的计算复杂度、可制造性等瓶颈问题。〔3〕集成电路器件与工艺近年来，集成电路制造已经进入20纳米及以下MOS工艺节点，纳米尺度的新器件新工艺将是集成电路制造水平不断进步的核心技术，同时可制造性设计与良率提升技术也是纳米尺度制造工艺走向产业化的重要保障。根据摩尔定律，未来5-10年是集成电路技术出现颠覆性突破的高发期，本方向将抓住此时机窗口，主要将开展纳米MOS新器件新工艺〔如FinFET、TFET、SFGT、新型存储器等〕、微纳电机系统〔MEMS或NEMS〕研究，在新结构、新器件和新工艺的根底研究上，取得突破性进展。2、微纳电子器件与工艺实验室

先进铜互连工艺：低k互连介质、新型超薄扩散阻挡层及工艺、纳米via和trench的填充工艺(ECP)和TSV工艺等；先进MOSFET工艺：高k栅介质原子层淀积、高迁移率沟道、低阻源漏和金属栅；新结构器件：互补隧穿场效应晶体管〔CTFET〕和U形沟道隧穿场效应晶体管〔U-shapeTFET〕、半浮栅器件、石墨烯器件、拓扑绝缘体基电子器件、GaN功率射频器件和氧化物薄膜晶体管(TFT)等2、微纳电子器件与工艺实验室

存储器：纳米晶存储器、阻变存储器和铁电存储器等；传感器：磁性传感器、医疗诊断传感器和光电传感器等三、复旦大学MEMS相关仪器设备1、反响离子刻蚀机〔TrionSirusT2〕原理：在反响离子刻蚀中，气体放电产生的等离子体中有大量化学活性的气体离子，这些离子与材料外表相互作用导致外表原子产生化学反响，生成可挥发产物。这些挥发产物随真空抽气系统被排走。随着材料表层的“反响-剥离-排放〞的周期循环，材料被逐层刻蚀到指定深度。除了外表化学反响外，带能量的离子轰击材料外表也会使外表原子溅射，产生一定的刻蚀作用。所以，反响离子刻蚀包括物理和化学刻蚀两者的结合。技术指标：主要用于Si，SiO2，SiNx的刻蚀以及光刻胶的去除等，广泛应用于物理，生物，化学，材料，电子等领域。RIE源功率：0-600W刻蚀均匀性：±5%〔4英寸〕装片：一片4英寸，向下兼容任意规格样品刻蚀气体：SF6，CF4，CHF3，Ar，O22、SEM改装型电子束直写仪主要功能：利用曝光抗蚀剂，采用电子束直接曝光，可在各种衬底材料外表直写各种图形，图形结构(最小线宽为10nm)，是研究材料在低维度、小尺寸下量子行为的重要工具。广泛应用于纳米器件，光子晶体，低维半导体等前沿领域。型号：ZeissSigmaSEM和RaithElphyPlus技术指标：肖特基热场发射电子源加速电压：100V～30kV放大倍率：12X～1000,000XSEM分辨率：1nm@30kV，1.5nm〔15kV〕，2.8nm〔1kV〕电子束曝光：10nm〔20kV〕场拼接精度：<100nm扫描频率：6MHz图形格式：GDSII3、等离子体增强化学气相沉积〔OxfordPlasmalabSystem100PECVD〕原理：在保持一定压力的原料气体中，借助射频功率产生气体放电，使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体。在气体放电等离子体中，由于低速电子与气体原子碰撞，产生正、负离子之外，还会产生大量的活性基，从而大大增强反响气体的化学活性。这样，在相对较低的温度下，很容易发生反响，在基片上沉积出所期望的薄膜。由于PECVD技术是通过反响气体放电来制备薄膜的，有效地利用了非平衡等离子体的反响特征，从根本上改变了反响体系的能量供给方式。一般说来,采用PECVD技术制备薄膜材料时，薄膜的生长主要包含以下三个根本过程：首先，在非平衡等离子体中，电子与反响气体发生初级反响，使得反响气体发生分解，形成离子和活性基团的混合物；其二，各种活性基团向薄膜生长外表和管壁扩散输运，同时发生各反响物之间的次级反响；最后，到达生长外表的各种初级反响和次级反响产物被吸附并与外表发生反响，同时伴随有气相分子物的再放出。PECVD的优点是：根本温度低，沉积速率快，成膜质量好，针孔较少，不易龟裂技术指标：可蒸发不同厚度的SiO2和SiNx薄膜，广泛应用于物理，生物，化学，材料，电子等领域。沉积薄膜种类：SiO2，SiNx，SiONx基底温度：小于400oC薄膜均匀性：±3%〔4英寸〕装片：小于6英寸的任意规格的样品假设干4、薄膜溅射系统ULVAC5、原位薄膜淀积和分析系统6、物理气相沉积PVD7、感应耦合刻蚀机8、快速热退火系统(ASONE)四、研究成果及发表文献1、半浮栅晶体管研究顶尖杂志?科学?〔Science〕首次刊发我国科学家微电子领域研究成果-——复旦大学纳电子器件与工艺实验室团队成功研发世界第一个半浮栅晶体管〔SFGT〕实验室的器件测试平台北京时间2021年8月9日出版的最新一期?科学?杂志〔Science〕刊发了实验室团队——复旦大学微电子学院张卫团队最新科研论文，团队首次提出并实现了一种新型的微电子根底器件：半浮栅晶体管〔SFGT，Semi-Floating-GateTransistor〕。这是我国科学家在该顶级学术期刊上发表的第一篇微电子器件领域的原创性成果。据悉，当代集成电路科技的开展主要是基于摩尔定律，该定律是由英特尔公司创始人之一戈登-摩尔提出的：芯片上的晶体管特征尺寸在不断地缩小，使得芯片上的晶体管数量每隔18个月便会增加一倍。目前，集成电路的量产技术已开展到了22纳米技术节点，尽管我国在自主知识产权集成电路技术上取得了长足进步，但集成电路的核心技术根本上依然由国外公司拥有。我国集成电路产业主要依靠引进和吸收国外成熟的技术，在微电子核心器件及集成工艺上缺乏核心技术。半浮栅晶体管〔SFGT〕作为一种新型的微电子根底器件，它的成功研制将有助于我国掌握集成电路的核心技术，从而在芯片设计与制造上逐渐获得更多话语权。半浮栅晶体管〔SFGT〕：结构巧性能高金属-氧化物-半导体场效应晶体管〔MOSFET〕是目前集成电路中最根本的器件，工艺的进步让MOSFET晶体管的尺寸不断缩小，而其功率密度也一直在升高。我们常用的U盘等闪存芯片那么采用了另一种称为浮栅晶体管的器件。闪存又称“非挥发性存储器〞。所谓“非挥发〞，就是在芯片没有供电的情况下，信息仍被保存不会丧失。这种器件在写入和擦除时都需要有电流通过一层接近5纳米厚的氧化硅介质，因此需要较高的操作电压〔接近20伏〕和较长的时间〔微秒级〕。复旦大学的科学家们把一个隧穿场效应晶体管〔TFET〕和浮栅器件结合起来，构成了一种全新的“半浮栅〞结构的器件，称为半浮栅晶体管。“硅基TFET晶体管使用了硅体内的量子隧穿效应，而传统的浮栅晶体管的擦写操作那么是使电子隧穿过绝缘介质。〞论文第一作者王鹏飞教授解释说。“隧穿〞是量子世界的常见现象，可以“魔术般〞地通过固体，好似拥有了穿墙术。“隧穿〞势垒越低，相当于“墙〞就越薄，器件隧穿所需电压也就越低。把TFET和浮栅相结合，半浮栅晶体管〔SFGT〕的“数据〞擦写更加容易、迅速。“TFET为浮栅充放电、完成‘数据擦写’的操作，‘半浮栅’那么实现“数据存放和读出〞的功能。〞张卫解释说，传统浮栅晶体管是将电子隧穿过高势垒〔禁带宽度接近8.9eV〕的二氧化硅绝缘介质，而半浮栅晶体管〔SFGT〕的隧穿发生在禁带宽度仅1.1eV的硅材料内，隧穿势垒大为降低。打个比方，原来在浮栅晶体管中，电子需要穿过的是一堵“钢筋水泥墙〞，而在半浮栅晶体管中只需要穿过“木板墙〞，“穿墙〞的难度和所需的电压得以大幅降低，而速度那么明显提升。这种结构设计可以让半浮栅晶体管的数据擦写更加容易、迅速，整个过程都可以在低电压条件下完成，为实现芯片低功耗运行创造了条件。2、极大规模集成电路制造装备及成套工艺课题研究

2021年12月6日至7日，国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺〞〔02重大专项〕实施管理办公室和总体组，组织验收专家组在上海宏力半导体制造，对02专项“0.13－0.09微米嵌入式自对准分栅闪存产品工艺开发与产业化〞工程及6个课题进行了集中验收。本实验室丁士进教授承担的02重大专项课题“嵌入式闪存根底理论和新型材料的研究〞(课题编号：2021ZX02302-002)顺利通过了任务验收和财务验收。

闪存产品广泛地应用于SIM卡、汽车电子、数码相机、PDA等领域，已渗透到人类生活的各个领域。丁士进教授与上海宏力半导体公司开展了全面合作，在纳米晶研究多年积累的根底上，主要开展新一代纳米晶存储器原型器件的研究。该课题用原子层淀积、金属氧化物高温分解诱导生长等技术获得了高密度Pt、ZnO、Pd、Ru等纳米晶，为纳米晶存储器提供了良好的电荷俘获层，如图1所示。采用凹型电荷隧穿层的能带设计，实现了低压下有效编程和擦除的功能。用钌基纳米晶和HfxAlyOz介质的异质电荷俘获层，极大地改善了存储窗口和电荷保持能力，如图2所示。完成了场效应晶体管结构和薄膜晶体管结构2种存储器原型器件的加工，实现了器件的存储功能。图1P