一、任務(wù)來源、主要研究內(nèi)容和預(yù)期研究目標(biāo)二、器件設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)新點(diǎn)三、新型納米硅量子點(diǎn)單元的設(shè)計(jì)、研制及四、具有NOR功能的4x4矩陣原型器件的特性測試五、總結(jié)附件一5英寸MOSFET作業(yè)指導(dǎo)文件和工藝卡附件二流片隨件單附件三和申請專利附件四科技查 1、任務(wù)來《基于量子效應(yīng)的納米半導(dǎo)體隨機(jī)器和邏輯器件的研究》起止年月：20066月-201010月。課題：2、主要研究內(nèi)硅量子點(diǎn)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(zhǔn)分子超短脈沖激光Si基單層或多層超薄膜的互作用機(jī)理及限制性晶化過程，浮置柵單層硅量子點(diǎn)的納米器件的構(gòu)建與工作模式的研究以CMOSnc-Si不對稱雙勢壘等多種結(jié)構(gòu)，構(gòu)建可在室溫下的硅量子點(diǎn)浮置柵納米器件。研究浮置柵單層nc-Si多量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的電荷特性以及時(shí)間與器件結(jié)構(gòu)與量子點(diǎn)尺寸的關(guān)系以提高閾值電壓VT的穩(wěn)定性，降低工作電壓和提高編程速度為目標(biāo)，研究介質(zhì)隧穿層提高硅量子點(diǎn)器的性能的新途徑研究針對納米器件的速度與時(shí)間之間的研究硅量子點(diǎn)的密度與特性的關(guān)系以及具有弱耦合特性的量子點(diǎn)陣列對器件特性的影量子點(diǎn)之間電荷轉(zhuǎn)移、極化實(shí)現(xiàn)信息的新途徑。研制基于納米硅量子點(diǎn)浮置柵結(jié)構(gòu)作為單元的2x2、3x3、或4x4新型納米量子點(diǎn)器原理件設(shè)計(jì)和研制用于新型納米量子點(diǎn)器3、預(yù)期目量子尺寸效應(yīng)的硅量子點(diǎn)原型器，進(jìn)一步研究量子點(diǎn)間的耦合效應(yīng)，提出新到國際先進(jìn)水平：量子點(diǎn)尺寸<5nm，密度>1011/cm2。研制出可在室溫下的基于硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)作為單元及2x2、3x3或4x4新型納米量子點(diǎn)器原型器件；設(shè)計(jì)和研制用于新型納米量子點(diǎn)器芯51、在納米硅量子點(diǎn)器的材料研究方面SiOXSiNXSi離子，再由高溫退火形成nc-Si顆粒，其尺寸大小，空間分布，都很難控制，更難以出多層量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。本課題是采用擁有自主知識的限制性晶化原理，由激光誘導(dǎo)或熱退火Si層相互作用，通過限制性晶化過程，獲得尺寸可控，形狀一致，并且表面得到很好的鈍化的nc-Si晶粒。這有利于實(shí)現(xiàn)隧穿和提高電荷功能，同時(shí)，利用我們的技術(shù)能出均勻分布的雙層或多層nc-Si量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。2、在納米硅量子點(diǎn)器工作模式和電荷機(jī)理的研究方面基于分立電荷原理限制了電荷的橫向流動(dòng)提高了單元的可靠性；3、在納米硅量子點(diǎn)器的新結(jié)構(gòu)方面在本研究組能層狀nc-Si量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上不但可實(shí)現(xiàn)多級功利用量子點(diǎn)與溝道之間的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理從而提高了信息的保持時(shí)間和信息的存在完成nc-Si浮置柵電荷注入機(jī)理研究的基礎(chǔ)上我們進(jìn)行了單管器(單元)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和版面設(shè)計(jì)，并在無錫華晶微電子的5英超薄隧穿氧化層(厚度<5nm)的控制和生長；b．尺寸可控、分布均勻、高密度nc-Si陣列的獲得；c．nc-Si晶粒表面鈍化；d.5英寸半導(dǎo)體工藝流水線上進(jìn)行nc-Si浮置柵器的流片和2x2、3x3、或4x4器原理型器件1、納米硅量子點(diǎn)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和版面設(shè)Al控制介質(zhì)層氮化納Al控制介質(zhì)層氮化納米硅：Nitridednc-Al控制介質(zhì)層氮化納米硅：Nitridednc-圖 nc-Si浮柵單元的剖面示意線孔以及鋁電極的尺寸。柵長設(shè)計(jì)為1微米、3微米和5微米三種。圖3是4圖 nc-Si浮柵器的管芯尺寸平面 圖3光刻掩膜版平面示意112號版：柵區(qū)(1微米345號版：柵區(qū)(3微米6號版：柵區(qū)(5微米78圖 光刻版版面分布2、納米硅量子點(diǎn)單元的工藝設(shè)表 nc-Si浮柵非揮發(fā)性浮柵單元的工藝流程1p型 ρ=6-82500±5010003淀積1400±1404（版5區(qū)域的Si3N4RIE6場氧化（LOCOS技術(shù)500±501050O2、5’-70’-7去除有源區(qū)Si3N4RIE820 2e12cm-9去除熱氧化SiO2隧穿氧化3.5800℃、15min10LN2/1LO2（3%淀積nc-15-20LPCVD20%SiH4、350mTorr、560℃、4min氮NH3、780℃、淀積Si3N4控制介質(zhì)30LPCVDSiH2Cl2:NH3=30(sccm)、350淀積Poly-500±50磷離子注入（重?fù)?0-3050KeV、5e15cm-RIE刻蝕Poly-1000℃ 95%N2+5%50KeV3e15cm-1000USG2000?+PSG8000900°C、（版濺射、（版420℃、10、11、12、13四步工藝為關(guān)鍵3、納米硅量子點(diǎn)單元研制：流片指導(dǎo)文件和工藝我們在無錫華晶微電子公司的5英寸多晶硅柵MOSFET器件半導(dǎo)體工藝流水線上進(jìn)行nc-Si浮置柵器的流片。表2是指導(dǎo)文件和工藝卡的、工程名稱、無錫華晶微電子5作業(yè)指導(dǎo)文件和工藝工程名指導(dǎo)文件和工藝卡代工藝名I-II-CVDII-CVDLP_SiNIII-III-OAPIII-III-III-步進(jìn)光刻機(jī)對位作III-III-IV-IV-干法LPSiNIV-干法Si/Poly-SiIV-濕法SiO2IV-SH4、關(guān)鍵工藝的研超薄隧穿氧化層（SiO2）率 8Ω·cm的5英寸硅片上采用O2/HCL氧化工藝，氣體流量10LN2/1LHCL3所示：表 HJO-2-黑色加重標(biāo)記為流片選用條件。納米硅(nc-Si)按照納米硅淀積作業(yè)指導(dǎo)文件WF.02.ZYZD.02.005在LPCVD系統(tǒng)中5英寸的表 (（dilutedwith820%-620%420%1320%2220%3220%3120%20-1120%--獲得的nc-Si層的SEM5所示。溫度:560℃、時(shí)間:6 溫度:560℃、時(shí)間:4溫度:560℃、時(shí)間:3 溫度:580℃、時(shí)間:2圖 不同淀積溫度和時(shí)間下LPCVD淀積的nc-Si層的掃描電子顯微鏡納米硅（nc-Si）的氮在完成nc-Si淀積后,為改善淀積nc-Si表面的性能,在LPCVD系統(tǒng)中先只通NH3氣體nc-SiWF.02.ZYZD.02.006，NH3氣壓為350mTorr7802-10分鐘。氮化硅（SiNx）控按照氮化硅淀積作業(yè)指導(dǎo)文件WF.02.ZYZD.02.006LPCVD系統(tǒng)中淀積SiNx控制層?？紤]到加?xùn)艍簳r(shí),SiN控制層上的分配,需要SiX30nm5：表 --5、納米硅量子點(diǎn)單元典型管芯根據(jù)工藝流程圖,并按照作業(yè)指導(dǎo)文件和工藝卡進(jìn)行操作,在5英寸MOSFET流水線上完成了納米硅量子點(diǎn)單元的制作。附件二是其中一次流片的隨件單。光刻時(shí),5英寸硅片上,3個(gè)區(qū)域:1μ、3μ5μ3種納米硅量子點(diǎn)單元圖6(a)和(b)分別為3種單元在5英寸硅片上的分布圖以及完成流水工藝后的5英寸硅片實(shí)物。圖6(a)和(b)分別為柵長1μ、3μ和5μ的3種納米硅量子點(diǎn)單元在5英寸硅片上的分布圖以及完成流片工藝后的5英寸硅片實(shí)物。我們用掃描電子顯微鏡了納米硅量子點(diǎn)單元的表面形貌。圖7是柵長為1μ、3μ和5μ的3種納米硅量子點(diǎn)單元SEM。從可以清楚地確定3種納米硅量子點(diǎn)單元柵長分別為的5μ(a)、3μ(b)和1μ(c)。 圖7柵長為5μ、3μ和1μ的3種納米硅量子點(diǎn)單元的SEM納米硅量子點(diǎn)單元的剖面TEM和剖面高分辨TEM我們用透射電子顯微鏡(TEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)檢驗(yàn)了納米硅量子點(diǎn)單元樣品的剖面結(jié)構(gòu)圖8是樣品的剖面TEM，清晰地展示了多晶控制層。隨著放大倍數(shù)的增大，從圖9(b)可以清晰看到氮化的nc-Si點(diǎn)。通過圖9(c)的HRTEM，觀測到被氮化的nc-Si點(diǎn)的晶格相，氮化后的nc-Si點(diǎn)的尺寸約為8-10nm5MOSFET流水線上成功地完成了柵氧化隧穿層、nc-Si層、4步關(guān)鍵工藝。圖 納米硅量子點(diǎn)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(diǎn)單元樣品的剖面TEM(a)、(b)和輸出特性、轉(zhuǎn)移特性和特我們設(shè)計(jì)的納米硅量子點(diǎn)器為n溝增強(qiáng)型MOSFET器件圖10(a)是所測的納米硅量子點(diǎn)單元的輸出特性。從圖中可以看出，輸出特性呈現(xiàn)的是典型的n溝增強(qiáng)型MOSFETVG=4V為例，VDS2V之前溝道電流呈線性增加，2V800μA400μS10(b)是納米硅量子點(diǎn)器單元的轉(zhuǎn)移特性。從圖中可以看出，在沒有外加任何偏置條件下，單元的開啟電壓為1.0V。測試條件見測試報(bào)告。 圖10(a)和(b)分別是納米硅量子點(diǎn)單元的輸出特性和轉(zhuǎn)移特11給出了外加脈沖電壓以后測量的轉(zhuǎn)移特性曲線，作為對比，圖中也給出了圖11納米硅量子點(diǎn)器單元的特，量子點(diǎn)，這些電子在一定程度上了柵極電場的作用單元的閾值電壓向右移，下，電子和空穴后的窗口很明顯，分別達(dá)到1.8V和0.6V。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

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)參數(shù)，±10V，1s時(shí)，取△Vth=2.4V，tcont=30nm，tnc=10nm，我們可以估算出存3×1012/cm2。12所示,從圖上看出，電壓越大，擦除和寫入的速度10V10μs100μs。詳見圖13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(diǎn)器的保持特性曲線。從圖中可以看出，經(jīng)過7天的測量后，仍有1.4V的窗口；將所測數(shù)據(jù)進(jìn)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。StorageStorageVpgm=8VVers=-8VVpgm=9VVers=-9VVpgm=10VVers=-1010 10 10 10 10 10 圖12

13nc-Si量子點(diǎn)浮置柵荷保存特性曲線納米硅量子點(diǎn)單元典型的電學(xué)參窗口>2.0寫入(Program)速度<100μs(寫入電壓為+10V)擦除(Erase)速度<10μs(擦除電壓為-10V)保持(Retention)時(shí)間∽10年四、具有NOR功能的4x4矩陣原型器件的特性測1、4×4NOR結(jié)構(gòu)矩陣功能原理4×4NOR矩陣結(jié)構(gòu)如圖14所示，NOR的每個(gè)單元以并聯(lián)的方式將柵極連接到字線（圖中的WL，漏極與源極分別連接到位線（圖中的BL）和SL。通Veras的擦除電壓，而位線（BL）SL全部共地。當(dāng)對某一個(gè)單元進(jìn)行寫入操作時(shí)，通過開關(guān)選中該單元，在其對應(yīng)的字線上加Vprog的寫入電壓，對應(yīng)的位線（BL）和SL接地；其它未被選中的單元所在的字線加0.5Vprog偏壓、位線（BL）和SL加Vprog的偏壓。具體的實(shí)現(xiàn)過程在下面功能圖 4x4NOR矩陣功能原理2、4x4矩陣版面關(guān)于4x4納米硅量子點(diǎn)矩陣版面，為了減少雙層布線工藝上的，提出每個(gè)單元的源極和漏極的連接由光刻鋁引線完成而每列單元柵極的連接在封裝時(shí)由超聲壓焊硅鋁絲完成，如圖15（a）所示。圖15（b）是4x4納米硅量子點(diǎn)矩陣的5英寸晶圓。圖15（a（b）分別為4×4矩陣版面和實(shí)物3、4×4NOR功能測試電4×4NOR結(jié)構(gòu)矩陣測試電路如圖16(a)所示，SW1、SW2、SW3和SW4為四刀五擲開關(guān)，外接電源通過開關(guān)SW4和SW1、SW24×4矩陣.。為了實(shí)現(xiàn)讀操作功能，在SW24×4矩陣之間加入負(fù)載電阻。16（b）Veras通過開關(guān)SW5接入，寫入電壓Vprog、0.5Vprog偏壓以及操作中所需要的各種偏置電壓通過四刀五擲開關(guān)SW416（a源接通后通過開關(guān)的選擇作用將選定的偏壓加到單元上實(shí)現(xiàn)擦寫讀功能。圖16（c）為測試裝置。 圖 4×4NOR結(jié)構(gòu)矩陣測試電路示意電源連接示4×4NOR結(jié)構(gòu)矩陣測試裝置圖17(a)為矩陣工作時(shí)各種偏置電壓的脈沖電平圖，表示了對矩陣中某一存儲(chǔ)單元的2種擦、寫、讀的過程。擦除操作目的是對每個(gè)單元進(jìn)行狀態(tài)初始化，圖17(a)和(b)擦除與的過程都相同。在擦除操作中，該單元所對應(yīng)的字線WL加電壓-8V，位線BL和SL加電壓0V，一段時(shí)間后，對其進(jìn)行操作，WL2.5V，BL3V，SL0VVDS輸出低電平。圖 (a)被選 單元脈沖電平(b)未被選 單元脈沖電平的單元，如圖13(a),被選中的單元的字線WL加電壓+8V，位線BL和SL0V，此時(shí)輸出電壓VDS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)匀惠敵龅碗娖健D13(b)以+4V的電壓差為例給出，4、4x4矩陣功能測試舉擦除操18WL上加-8VBL和SL全部18擦除操作偏置電寫入操如圖19所示，以第一行第二列的單元（以下簡稱（1,2，圖中已用陰影標(biāo)出）的寫入過