基于原位TEM开展28nm及以下节点内相变存储器电子激发擦写的探索研究

PCRAM is one of the promisiong canditates for next generation Non-volatile memory appliction. However, there are still two problems for PCRAM to replace floating-gate devices. One is large RESET current which is used to set phase change materials from crystal structure to amorphous structure. Large RESET current increases devices power comsuption and decreases it actual density. Another problem for PCRAM is SET/RESET stuck. After cycled program/erase operation, device loses its function.The reason of SET/RESET stuck is believed due to element migration and generated defect during SET/RESET process.Right now, current induced Joule heating is used for PCRAM operation.In order to RESET device, phase change material is heated to above its melting point and change to liquid state and then crystal structure. This identically introduces reliability problem.In this project, a new operation mechanism for PCRAM,electronic exitation , will be studied using device level in-situ method for 28nm and beyond node.Compared with Joule heating method, electronic exitation has several distinct advantages, very fast speed theoretically picro-second. very low power comsuption and RESET current and excellent reliability. Because during electronic exitation, non-equivalent electroni is injected into phase change material. Such electron will weaken the atomic bond and induce phase transition far below its melting point. Electronic exitation will solve the two problems for PCRAM hopefully. Also, in this project, research will be carried out on phase change mechanism with nano-scale.

相变存储器作为下一代存储器的候选者之一受到了业界越来越多的关注。当前相变存储器已经进入38nm节点。相变存储器仍面临两个问题，第一是过大的RESET电流；第二是擦写失效。本项目拟利用器件级原位TEM表征方法，结合28nm及以下节点的要求，探索研究一种新的相变存储器擦写方法-电子激发方法。与传统的电流产生居里热从而导致相变不同，电子激发方法是基于外界的激发产生非平衡电子，非平衡电子的存在可以弱化原子键并导致相变。电子激发方法的突出优点是：速度快-理论值为皮秒甚至飞秒；有效降低熔点从而功耗低；可靠性好等等，从而有望有效解决当前相变存储器所面临的两大问题。同时该研究还有望发现一些纳米尺度相变材料的新型相变物理机制。

本项目以相变存储器新型擦写机制为研究目标，围绕正面纳米尺度存储器器件制备技术以及背面微米尺寸悬空释放技术进行开发，取得了以下有创新意义的成果。.第一、.纳米尺度金属电极-功能材料纳米线或量子点-金属电极结构(MQM结构)自对准制备技术。MQM结构是所有纳电子学器件的核心结构。传统的制备方法多基于简单的电子束光刻套刻技术，不可避免地存在套刻误差，造成器件重复性差、特性差异较大；同时，金属电极与功能材料之间的接触不稳定，造成器件电学特性不佳并存在稳定性问题。本项目开发成功的基于电子束曝光形成功能材料纳米线，而后第二次电子束曝光形成金属电极，利用金属电极自对准干法刻蚀形成功能材料量子点，而后基于牺牲释放工艺“打断”金属电极形成MQM结构的方法是自对准工艺，可完全消除套刻误差；此外，本项目提出控制干法刻蚀精度、利用原子层沉积技术制备电极等方法，可以明显改善电极与材料的接触特性，实现良好的电学接触，改善器件可靠性及稳定性。.第二、.激光开槽所需光学系统及开槽工艺研发。为了解决传统的湿法腐蚀、干法刻蚀技术应用于本项目背面悬空释放时面临的问题，本项目进行了激光开槽工艺研发。研发成功平顶光束整形系统，初步掌握激光开槽技术。以上技术不仅对本项目的进展起到了积极作用，在微电子封测领域包括激光切割晶圆，Low-K晶圆开槽领域有重要意义。.第三、.激光开槽工艺牵引下进行的激光激活工艺。以平顶光束整形系统为基础，在本项目支持下，我们进行激光激活工艺开发，包括硅基浅结激活、IBGT背面杂质激活、硅基图像传感器杂质激活、柔性薄膜晶体管激光处理技术。取得了一系列重要结果。.第四、.以以上研究成果为基础，发表论文6篇，授权专利6项，培养博士研究生2名，硕士研究生2名，联合培养硕士研究生4名。