基于氧化物薄膜晶体管的不挥发性DRAM技术研究

Storage class memory is thought as an effective method to overcome the widening gap between the performance of CPU and storage memory. The realization of non-volatile DRAM technology is helpful to boost the development of SCM. This project will adopt oxide based thin film transistor with ultra-low leakage to realize non-volatile DRAM and will carry out systematic study on the fabrication of low-leakage current oxide thin film transistor, influence of the gate/drain voltage stress, surrounding atmosphere on the leakage characteristics, integration of thin film transistor and high-k dielectric capacitance. It will have great innovation on the aspects of investigation on the dependence of leakage on the crystal structure of oxide material, modulation of interface between gate/source/drain and oxide, external stress and atmosphere, and analysis with C-AFM, HRTEM, etc. It is respected that there will be series of innovative fruits of intellectual properties.

储存型内存技术（Storage Class Memory-SCM）被认为是解决处理器与硬盘性能上日益扩大的鸿沟的有效途径。不挥发性DRAM技术的实现有益于进一步推进SCM技术。本项目拟用具有极低漏电的氧化物薄膜晶体管来实现1T1C结构DRAM的不挥发性。重点对低漏电氧化物薄膜晶体管的制备、栅/漏应力对薄膜晶体管漏电性能影响、外界环境对薄膜晶体管漏电性能影响、薄膜晶体管与高k介质电容的集成技术等方面展开系统研究。本项目在氧化物材料晶格结构、组分、位错、掺杂等微观结构与晶体管漏电性能的关联方面的研究；源漏电极界面、栅极界面工程调制、外界应力对器件漏电特性的影响规律方面的研究及相关物理模型的建立；用导电原子力显微镜（C-AFM）和高分辨透射电镜（HR-TEM）等手段分析材料微观结构与器件性能对应关系的研究，都具有重要的源头创新意义，预计会取得一系列具有我国自主知识产权的原创性研究成果。

课题组围绕基于氧化物基薄膜晶体管的不挥发性DRAM技术开展了深入系统的研究工作，具体情况如下：.1. 基于底栅结构，设计并制备了IGZO基薄膜晶体管，通过控制IGZO的材料生长条件，实现了开关电流大于10^6、阈值电压Vth=4V、亚阈值摆幅为0.6 V/dec、漏电流小于10^-18 A/μm的高性能IGZO薄膜晶体管。.2. 在完成晶体管制备的基础上，系统研究了栅、漏应力对晶体管接触电阻、漏电流的影响，建立了接触电阻的传输线模型，并实现了与实验数据很好的吻合。基于此模型，分析了底栅底接触结构中源漏电极的形貌对接触电阻的影响，为器件结构优化提供指导。提出了接触电阻的数值计算模型，并通过这一模型系统分析了不同栅压、沟道长度、半导体层厚度、迁移率、晶化温度、迁移率各向异性、金属-半导体接触势垒高度情况下，接触电阻随源漏电极尺寸下降时的变化情况。该工作发表于APL上。.3. 实现了基于HfOx高k电容与晶体管的集成（1T1C结构），采用了原位电流控制的方法，系统研究了电容中导电细丝生长的动力学过程。通过栅极编程的方式精确控制器件中的电流，调制细丝生长速度，获得细丝生长的详细信息。在细丝生长过程中观察到分立隧穿电导和量子电导，细丝以0.25 nm的单位长度生长，对应于HfO2晶格中间隙位置之间距离，与高分辨透射电镜结果相吻合。该工作发表Scientific reports上。..课题组较好的完成了本项目的各项指标，共发表SCI/EI论文8篇，其中Scientific Reports 1篇，APL 1篇，IEEE EDL 1篇，国际会议论文3篇，申请中国专利6项，授权1项。