基于3D集成技术的纳米硅量子点非挥发性存储器芯片的研制与性能优化

The investigation of high speed and low power Si-based memory chip compatible with CMOS technology have been the focus in the world with the period of nanoelectroic device coming. The 3D integration technology will be applied in nanocrystalline Si nonvolatile memory chip based on the storage and resistive switching characteristics of Si quantum dot with high density and controllable size. We will carried out the research on the key fabrication technology and optimized performance of 3D-NAND nanocrystalline Si floating gate memory chip and 3D-crossbar resistive switching memory chip. The breakthrough on nc-Si film, device physics and chip design will make the new generation nc-Si nonvolatile memory with high capacity be used in Si-based nanoelectronic integration chip. It will provide memory material, key fabrication technology, original device and talents with independent intellectual property rights for the advanced semiconductor nonvolatile memory production in China.

随着纳电子器件时代的到来，开发研制与当前CMOS工艺兼容的新一代超高速、低功耗的硅基存储器芯片成为了世界范围内最受关注的研究课题。本项目从设计和制备高密度、均匀可控的纳米硅量子点入手，利用其存储特性和阻变特性，探索3D集成技术在纳米硅量子点非挥发性存储器芯片中的应用，研究和摸索3D-NAND架构的纳米硅量子点浮栅存储器芯片和3D-Crossbar架构纳米硅量子点阻变存储器芯片的关键制造工艺技术和性能优化，努力在纳米硅量子点芯片研制和器件物理方面获得突破性的进展及成果，研制可在未来高密度、低功耗硅基纳电子集成芯片上获得应用的新一代纳米硅量子点非挥发性存储器，为今后国内企业掌握先进非易失性存储器制备技术，开发新型高科技半导体非挥发性存储器件产品、提供有自主知识产权的存储材料、关键制备技术、原理型器件和专业技术人才储备。

随着大数据时代的到来，开发研制与当前CMOS工艺兼容的新一代超高速、低功耗的硅基存储器芯片成为了世界范围内最受关注的研究课题。本项目从设计和制备高密度、均匀可控的纳米硅量子点入手，利用其存储特性和阻变特性，探索了3D集成技术在纳米硅量子点非挥发性存储器芯片中的应用，研究和探索了3D-NAND架构的纳米硅量子点浮栅存储器芯片和3D-Crossbar架构纳米硅量子点阻变存储器芯片的关键制造工艺技术和性能优化，在国际上首次应用免掺杂的氢化非晶硅作为3D架构纳米硅浮栅存储器的水平沟道，成功制备出由六层非晶硅沟道组成的3D架构耗尽型和增强型纳米硅浮栅存储器阵列，开关比达到100000，编程和擦除速度为100微秒，循环擦写次数达到10000次，存储窗口为3 V，通过调控免掺杂无结非晶硅沟道宽度，实现了耗尽型和增强型沟道存储器的转变，为制造低成本、高密度、低功耗3D硅基存储器芯片提供了新的思路。首次把纳米硅量子点引入到3D架构6层Crossbar阻变存储器阵列中，器件单元开关比达到1000，擦写速度为100纳秒，并成功观察到3D架构阻变存储器的神经突触仿生特性包括长时程增强效应（LTP）、长时程抑制效应（LTD）、峰值时间依赖塑性（STDP），并在神经突触仿生特性中观测到纳米硅量子点引起的量子电导现象，为构建3D量子类脑芯片的神经网络器件奠定了重要的硬件基础，为今后国内企业掌握先进人工智能器件的制备技术，开发新型高科技人工智能产品、提供有自主知识产权的器件材料、关键制备技术、原理型器件和专业技术人才储备。