相变量子点存储材料与器件研究开发

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1、相变量子点存储材料与器件研究开发可行性研究报告一、立项的背景和意义随着近年来消费型电子市场的快速发展，作为半导体和信息产业重要组成部分的存储器的市场越来越大。目前市场上主流的存储器是动态随机存储器（DRAM）和闪速存储器（FLASH）等。DRAM虽然具有高容量低成本的优点，但是DRAM在供电电源关闭后数据不能保存，这样就限制了DRAM的应用范围；此外，DRAM的特征尺寸缩小到接近45nm节点以后难度会越来越大，因为这样尺寸的器件需要超高介电常数的材料（k>700）来保持足够高的电容量。FLASH虽然是一种非易失性的存储技术，但是FLASH也存在许多缺点：1）功耗大；2

2、）抗辐照能力差，其抗总剂量能力小于30krad；3）循环寿命短；4）FLASH即将面临尺寸缩小的限制。因此,随着半导体信息技术的飞速发展,迫切需要研发低压、低功耗、高速、循环寿命长等优异性能的新型存储器件。这些存储技术包括纳米晶浮栅存储器、相变存储器、阻变存储器和铁电存储器等。其中纳米晶浮栅存储器是近年来国内外高校、科研院所和著名半导体公司研究的热点之一，而相变存储器是有望最早实现商业化的新型存储器，更加受到产业界的广泛关注，近几年相变存储器的发展极为迅速[1-12]。纳米晶浮栅存储器是利用镶嵌在MOSFET栅介质中的纳米晶或纳米点作为电荷存储单元。由于注入的电子或空

3、穴屏蔽了栅电压，改变沟道的导电能力，从而改变器件的阈值电压，实现“1”或“0”两种存储状态。在MOSFET沟道和纳米晶粒之间的超薄氧化层（小于3nm）作为隧穿氧化层，在栅电极和纳米晶粒之间一层较厚的氧化层（大于5nm）作为控制氧化层，通过在栅极上加正负偏压使反型层沟道中的电子或空穴隧穿超薄氧化层进出纳米晶。利用纳米晶的库仑阻塞效应控制注入其中的电子数目。相变存储器是利用材料所具有的非晶态与晶态相变特性实现信息存储的一种新型存储器技术，具有高速度、低功耗、循环寿命长、单元尺寸小、与CMOS工艺兼容等优点，受到产业界的重视。2006年12月，IBM公司公布了基于相变材料纳

4、米线的存储结构，其有效相变区域减小至20nm2。2008年12月，三星从实验上证明了相变存储器在7.5nm工艺节点仍然具有非常优良的存储性能。2008年2月，英特尔与意法半导体宣布开始向客户提供采用创新相变存储器技术制造的未来存储器的原型样片，这些原型样片是市场上首批交付给客户评测的相变存储器的功能芯片，使相变存储器技术向商业化目标又迈进了一步。与相变存储器相关的科学技术问题涉及很多方面，包括相变材料、电极材料和绝热材料等关键材料的制备与性能表征、存储单元与芯片设计、加工及测试等,近年来关于相变材料的机理、结构模型等基础理论方面也有越来越多的研究。本项目在已有的关于纳

5、米晶存储器和相变存储器的研究基础上[6-10]，提出将相变量子点(如SiSb)作为浮栅存储器的电荷存储单元的思路，制备基于相变量子点的新型浮栅存储结构，集成相变存储和电荷存储的优点。在技术路线上，将光学曝光和电子束曝光相结合，制备出多种结构的纳米尺度存储单元，研究其中的存储、电学输运等基础物理问题。关于将相变量子点作为浮栅存储器的电荷存储单元的研究目前国内外没有报道，有望取得一系列创新性的研究结果，获得具有自主知识产权的新技术。本项目的研究思想和创新性主要体现在以下几个方面：(1)提出相变量子点存储概念，相变量子点既具有相变的功能，又具有电荷存储的功能；单一的半导体量

6、子点只能实现电荷的存储，而相变量子点不但能够实现电荷存储，利用其相的变化，可以实现三个不同的存储态；(2)将相变量子点镶嵌在高介电常数（high-k）材料（如HfO2）中，high-k材料具有实际厚度大等效厚度小的优点，可以减小栅漏电流。因为随着器件尺寸进一步减小，过大的栅漏电流是纳米晶浮栅存储器面临的关键技术问题之一。参考文献(1)S.Tiwari,F.Rana,H.Hanafi,etal.,Appl.Phys.Lett.68,1377(1996)(2)Y.Shi,K.Saito,H.Ishikuro,andT.Hiramoto,J.Appl.Phys.84,235

7、8(1998)(3)M.Saitoh,T.Saito,T.Inukai,andT.Hiramoto,Appl.Phys.Lett.79,2025(2001)(4)S.Y.Huang,S.Banerjee,R.T.Tung,andS.Oda,J.Appl.Phys.93,576(2003)(5)C.H.Cho,B.H.Kim,T.W.Kim,andG..Y.Sung,Appl.Phys.Lett.86,143107(2005)(6)L.C.Wu,K.J.Chen,Z.T.Songetal.,Appl.Phys.Lett.89,112118(2006)(