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Adv. Electron. Mater. | 能用Si基工艺吻合的、具有多值多应用的单晶体管存储器

已有 1139 次阅读 2019-8-15 15:21 |个人分类:热点研究|系统分类:论文交流

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本文中,作者提出通过一个更简单的结构来解决集成电路微型化工艺的现有瓶颈,这种多功能器件对于集成系统有重要意义。


集成电路是中国除石油外第一大进口产品,最关键的原因是加工尺寸持续缩小非常困难。虽然常规的方法是按比例缩小加工,但它受限于设备和材料。中科院宁波材料技术与工程研究所项目研究员戴明志博士提出了一种单器件逻辑电路来代替原来的多设备逻辑电路,此电路就可以很容易地缩小且无需更新处理。而各项结果也表明,单器件电路有很大的潜力来满足集成电路扩展的要求。此单晶体管存储器具有兼备DRAM(Dynamic Random Access Memory, 动态随机存取存储器)的快速和Flash闪存的长效优点的潜力,同时,这种单晶体管的器件还可以应用于仿生学中的人工突触。


具体地,戴明志博士于2012年发表了用单晶体管逻辑门电路代替原有多晶体管门电路的概念和设计结构,在Nano Letters【Mingzhi Dai and Ning Dai . Logic Circuit Function Realization by One Transistor. Nano Letters 2012, 12 (11) , 5954-5956. DOI: 10.1021/nl303386b】。同时发现该结构可以用作存储器,于2015年申请到国家自然基金面上项目(关于单晶体管存储器的设计);于2016年申请到浙江省杰出青年基金(关于单晶体管多逻辑门和存储复合功能器件);于2018年,发表该结构的存储器功能在Advanced Electronic Materials【Mingzhi Dai, Jianmin Guan and Zhitang Song. A Memory Structure with Different Control Gates. Advanced Electronic Materials. doi:10.1002/aelm.201800186】。进一步地,作者于2018年用Si基工艺线实现了一个具有直接加在沟道上电极的单晶体管存储器,可以用来同时实现存储、逻辑门电路、仿生器件的功能。此存储器具有多值存储功能,具有大于109的电流比。其编程时间可以快至与主流动态存储器DRAM同一数量级级别。该结构的电荷捕获的存储机理是基于沟道-电极结的电荷注入。通过用此单晶体管存储器,可以用来替代DRAM【一个晶体管+一个电容】的结构,并同时具有更简化的结构工艺。


近日,戴明志博士带领的团队提出一种单晶体管的存储器,并将其于上海华虹宏力公司Si基生产线上实现。该工作通过在沟道直接加入电极来生成供电荷注入存储的结电容。经过沟道接电极的生长方法,极大地简化了DRAM存储器的工艺流程。该团队采用先进的电子显微镜技术揭示了这种原位单晶体管存储器的结构。基于戴明志博士于2012年提出的用单晶体管逻辑门电路代替原有多晶体管门电路的概念和设计结构(发表在Nano Letters)、并发现该结构可以用作存储器,于2015年申请到国家自然基金面上项目(关于单晶体管存储器的设计);于2016年申请到浙江省杰出青年基金(关于单晶体管多逻辑门和存储复合功能器件),改进和简化的单晶体管存储器结构显示出优异的工作性能,包括编程读擦写的快速、电流擦写后的对比等、在成熟的Si基工艺条件下也具有显著的功能,并且可在低电压条件下工作。这项工作提出了沿用现有工艺实现下一代先进工艺用作存储器精简的新设计,也揭示了加电极在新设计中的重要作用。该成果以题为“One‐Transistor Memory Compatible with Si‐Based Technology with Multilevel Applications”的论文发表在Advanced Electronic Materials并且成为背封文章。后续会将器件做成电路阵列,测试改进相关存储性能。


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图1. 在不同编程期间的存储器晶体管的横截面示意图。


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图2. 存储器表征: (a)编程之前和之后的传输曲线; (b)130nm技术制造的晶体管的SEM图,比例尺为500nm。


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图3. 该单晶体管存储器的保持时间曲线, 电流开/关比(写后读电流与擦后读电流之比)为10至106


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4. 该单晶体管存储器的电流开/关比(写后读电流与擦后读电流之比)达到109


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5. 在不同数量的脉冲以及不同脉冲周期后,130 nm硅技术器件的漏极电流差异。 (a),(b)分别是100次循环之前和之后的1μs编程脉冲下测试的漏极电流。 (c),(d),(e)1μs编程脉冲的不同周期下测试的漏极电流。 (f)1 ms编程脉冲下测试的漏极电流。


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6. 由于编程与编程时间而记忆的电荷存储时间。


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7. 存储器的短编程时间,用能量图来解释存储器的工作机制。(a) 编程时间约为10 ns(b) 保留时间超过40 s 插图是在所提出的单晶体管存储器的不同应力等效状态下的能量图。


表1. 单晶体管存储器与传统存储器性能参数对比

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该工作提出了一种开/关比高达108的单晶体管存储器,由于测试装备的局限只能测到10 ns左右,但是其编程时间仍快于动态随机存取存储器的编程时间,并且此单晶体管存储器具有多级存储器实现的潜在能力,比动态随机存取存储器保留时间长得多(687倍以上)。这种紧凑存储器的原理归因于晶体管通道和控制门之间的结。它可以用HHG130纳米硅技术制造。在信息技术中,这种存储器很可能作为一种具有准非易失性存储器来替代动态随机存取储存器和闪存,它的开/关状态对比度比要高于目前最有前景的存储器,包括铁电随机存取存储器和忆阻器,并且它的编程速度可以像DRAM一样快、保留时间可以向Flash靠近,具有兼备DRAM和Flash优点的潜力,对硅工艺处理适应性强。这种存储器结构可以同时具有逻辑门和仿生学中的人工突触的功能因此可用于基于硅的IC(集成电路)和AI中以(人工智能)及神经计算机和医疗护理的应用中。


致谢:国家自然基金委面上项目支持、浙江省杰出青年项目支持、中国科学院青促会支持;上海华虹宏力半导体制造有限公司失效分析部门协助、上海微技术工业研究院董业民、杨文伟、许霞、俞斌、陈丹等人的协助;感谢江苏大学智能柔性机械电子研究院胡永斌同学对文章图片和封面修改设计、宁波材料技术与工程研究所郁哲同学带领的科匠绘图团队的封面设计协助;感谢上海集成电路研发中心有限公司李林、陶凯、华为技术有限公司倪磊滨、豪威科技肖海波、华大九天王俊、华虹宏力半导体制造有限公司曹子贵、上海微系统所陈一峰老师、闫帅同学对本通告提供的咨询意见。



原文阅读

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.201900262 



作者简介


戴明志博士,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员。复旦大学本科学士、中科院上海微系统所博士。曾在美国耶鲁、英国剑桥访学。一直从事纳米光电子学方面的设计、建模、物理、工艺等研究,包括集成电路核心元件、太阳能、传感器、薄膜晶体管等。2012年提出了用单晶体管逻辑门电路代替原有多晶体管门电路的概念和设计结构,发表在Nano Letters。同时发现该单晶体管结构亦可用作存储器,于2015年申请到国家自然基金面上项目(关于单晶体管存储器的设计);于2016年申请到浙江省杰出青年基金(关于单晶体管多逻辑门和存储复合功能器件);于2018年,发表该结构的存储器功能在Advanced Electronic Materials进一步地,2018年用Si工艺线实现单器件门电路和存储器,正在设计以单器件门电路为基础单元的处理器和存储器。


Nano Letters、Advanced Electronic Materials、Scientific Reports、Applied Physics Letters、IEEE Electron Device Letters 等相关领域国际重要期刊发表SCI论文20余篇,申请专利20项,多次参加国际学术会议并发言,应邀为CCF集成电路专委,IEEE Tran. on Electron Devices、Microelectronics Reliability 等半导体行业国际期刊的审稿人。


期刊介绍


Advanced Electronic Materials


Advanced Electronic Materials is an interdisciplinary forum for peer-reviewed, high-quality, high-impact research in the fields of materials science, physics, and engineering of electronic and magnetic materials. It includes research on physics and physical properties of electronic and magnetic materials, spintronics, electronics, device physics and engineering, micro- and nano-electromechanical systems, and organic electronics, in addition to fundamental research.


期刊链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2199160x 




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