纳米磁性自旋存储器和半导体硅量子点存储器的研制及其器件物理研究

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1、项目名称：纳米磁性自旋存储器和半导体硅量子点存储器的研制及其器件物理研究首席科学家：季明华中芯国际集成电路制造（上海）有限公司起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：上海市科委一、研究内容1、拟重点解决的科学问题或关键技术通过进一步研究基于纳米环和纳米椭圆环磁性隧道结分别作为存储单元的DC和AC磁电特性、及其热稳定性和均匀一致性，探索新型纳米环磁随机存储器(Nano-RingMRAM)原理型器件的最优设计。纳米椭圆环磁性隧道结的加工制备难度要高于纳米圆环磁性隧道结，包括电子束曝光图形化和椭圆内径开孔难度都

2、很高，因此，纳米椭圆环磁性隧道结阵列的纳米加工研制难度也相应变大。因此，高性能纳米环和纳米椭圆环磁性隧道结及其阵列的微加工制备是首要的关键技术问题和存储单元的材料问题。其次，如何设计纳米环和纳米椭圆环磁性隧道结的新结构、研究和发现新物理效应并用于器件原理设计、实现小自旋极化电流的有效驱动和磁矩反转、提高纳米环和纳米椭圆环磁性隧道结存储单元的热稳定性和可靠性等，是拟重点解决的科学问题。最后，设计出新的纳米环MRAM器件单元结构，采用在中芯国际公司8英寸工艺线的集成和部分对外委托加工等方式，研制出基于自旋极化电流驱动的

3、纳米环磁随机存储器的1K或4KMRAM演示芯片。同时，为后续阶段探讨和发展纳米椭圆环磁随机存储器的可行性奠定研究基础。拟解决的物理问题和关键技术问题如下：(1)尺寸在100x200nm2的纳米环和纳米椭圆环磁性隧道结的加工和制备技术。(2)如何实现小自旋极化电流驱动纳米环和椭圆环磁性隧道结的磁矩反转问题。(3)自旋转移力矩与纳米环或椭圆环磁性隧道结的磁结构相互作用的物理问题。(4)纳米环和椭圆环磁性隧道结在脉冲DC电流驱动下的弱信号检测问题。(5)纳米环和椭圆环磁性隧道结在高频AC电流驱动下的弱信号检测问题。(6)

4、纳米环和米椭圆环磁性隧道结中自旋进动和磁矩反转的磁动力学计算问题。(7)纳米环和椭圆环磁随机存储器原理型器件的最优单元结构设计和工作方式。在研制硅基量子点纳米存储器方面，需要在硅量子点的可控形成技术、硅量子点的性能、纳米器件的构建与性能测试等各方面进行系统而深入的研究。通过研究硅基纳米结构的可控制备技术，基于限制性晶化原理，结合“自下而上”与“自上而下”技术的各自特点，发展一条获得高密度、尺寸分布均匀的硅基纳米结构的新途径，对材料的尺寸与其物理性质等因素的内在联系进行系统研究。在此基础上，设计和构建硅基纳米存储器件

5、，探索和掌握材料的微结构、器件的结构与性能之间的本质关系，在高密度硅基材料制备与高性能硅基纳电子器件两个相辅相成的方面取得突破，在未来的高密度、低功耗硅基纳电子集成芯片上获得应用。拟解决的相关物理问题和关键技术问题如下：(1)在研究中采用nc-Si量子点存储电子，每个量子点尺寸<5nm，大大缩小了结电容，同时，为了有效地调节沟道电子，必须获得高密度的量子点阵列，因此制备尺寸均一的纳米硅量子点晶粒阵列是本研究的关键之一。(2)高介电常数薄膜材料制备技术及界面特性的研究；为提高存储器的写入和读出速度以及电荷保存时间，实

6、验上需要发展高质量超薄高介电常数栅介质膜的制备技术，并研究纳米硅量子点与各种介质膜的界面特性。(3)单层和多层硅量子点的纳米存储器件的构建；寻求最佳器件结构与参数，利用纳米硅量子点/介质膜单层与多层结构，设计并制备新型高性能nc-Si浮置栅量子点多值存储器。(4)弱耦合量子点存储器的研制与性能表征；为了获得高性能存储器件，需要研究器件结构和尺寸以及密度对性能的影响，利用量子点密度控制以提高器件存储密度，利用横向和纵向耦合效应提高器件的存储时间与稳定性。(5)由于流水线和实验室工艺环境有一定的差距，工艺参数的准确性可

7、能会受到干扰，公司流水线上的样品出来后，所以缩小实验室与工艺线上制造之间的差距，提高样品的成功率是关键技术之一。2、主要研究内容在本项目中，本项目组将努力在图形化磁性隧道结新材料、单层和多层硅量子点材料、器件物理、新器件结构设计以及MRAM和硅量子点存储器芯片的研制方面，获得重大突破性进展，力争多方面获得有重要价值的知识产权和专利，为发展新型纳米环磁随机存储器和硅量子点存储器，解决器件物理问题，为今后进一步产业化奠定前期基础。该项目中课题一研究内容将主要集中在：(1)对比研究纳米椭圆环及纳米环磁性隧道结的微加工制备

8、工艺条件，获得热稳定性好和可靠性高的纳米椭圆环及纳米环磁性隧道结及其阵列材料；(2)对比研究纳米环和椭圆环磁性隧道结分别作为存储单元以显著降低热噪声和磁噪声的可行性；(3)对比研究纳米环和椭圆环磁性隧道结作为存储单元分别在脉冲DC电流和高频AC电流下的磁电性质；(4)对比研究纳米环和椭圆环磁性隧道结的自旋极化输运性质及其量子效应；(5)对比研究纳米环和椭圆环