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科技条件平台

【实验室】-【中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室】

实验室概况

  中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室(简称院重点实验室)于2008年经中国科学院批准,成为面向国内外开放的院重点实验室。

  重点实验室是根据国家重大需求、微电子领域前沿研究的发展趋势、科学院信息领域的发展战略布局和微电子所的中长期发展战略需求建设而成。重点实验室聚焦我国微电子产业技术发展的重大战略需求,面向国际微电子前沿领域,围绕新型微电子器件及集成中的科学问题,以解决信息存储、处理、传输及其能耗等一系列关键科学技术问题为突破口,重点开展新一代微电子器件及其纳米加工和集成技术的基础研究,加强国际国内的开放合作,加强创新能力、前沿技术与知识产权储备,成为微电子学高层次人才科技创新、学术交流的研究基地,为我国集成电路产业的可持续发展提供一流人才与科学技术支撑。

  重点实验室具有较先进的纳米加工设备和工艺线,拥有十级到万级超净间4139.388平方米,已具备国内一流的纳米加工与研究环境。实验室现有仪器设备215台套,总价值约9516万元,其中50万元以上设备29台套,价值7873.29万元。目前装备有分辨率8nm的JEOL JBX-6300LS电子束光刻系统、分辨率30nm的JEOL JBX-5000LS电子束光刻系统、分辨率350nm的MEBES 4700电子束制版系统、光学制版系统;在软件方面拥有光学临近效应校正软件Caprox,还自行开发了一系列应用于纳米加工图形化工艺的TCAD应用软件,建立了国内最早的NGL掩模研制点。同时装备有电子束镀膜系统、高温化学气相沉积PECVD薄膜制备系统、原子层沉积ALD薄膜制备系统、离子束溅射薄膜制备系统、光学曝光机、高密度等离子体ICP刻蚀机等纳米材料加工设备,扫描电子显微镜、原子力显微镜、椭偏仪、台阶仪等纳米结构表征设备,以及适用于纳米尺度器件及电路结构的电学性能测试系统、快速阵列结构电学性能测试系统以及变温物性测试系统,用于纳米尺度材料、结构、器件和电路制备及表征测试。此外还拥有中国科学院EDA中心(依托于中国科学院微电子研究所)丰富的设计、模拟仿真及其它工具软件支持。

  重点实验室具有从事纳米加工的丰富经验、技术基础和工艺平台设备支撑能力,在纳米材料制备、纳米结构加工、纳米尺度器件电路制备及性能表征等方向上具备扎实基础。

  未来,微电子器件与集成技术重点实验室将充分发挥上述优势,建立面向全国的微电子技术研发的开放性平台,为学术界和产业界提供可靠性分析、技术方案验证、关键工艺开发等相关服务。同时带动多学科领域的发展,造就一支国际水平的研究团队,为我国相关领域的可持续创新发展奠定基础。

  

研究方向

  中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室开展新型存储和逻辑器件、新材料和新原理器件、纳米集成技术等应用基础研究。建成有重要国际地位的微电子技术研究平台,推动我国微电子产业的创新发展,在解决国家重大需求上发挥不可替代的作用。

  1、纳米尺度传输机理、模型及EDA技术:研究纳米尺度基于电子、自旋等不同物理机制的传输机理,建立相关器件模型;发展基于物理原理的模拟平台,建立紧凑模型及电路设计工具。

  2、高性能及低功耗器件与电路:包括FinFET、纳米线晶体管、隧穿晶体管、新型非易失存储器、存-算一体器件、自旋逻辑与存储、负电容器件等。

  3、新原理表征与制造方法:发展表征、检测、制造的新原理、新方法,包括基于电子、离子、热效应等不同原理的表征技术、低成本纳米结构制造技术、计算光刻等。

  4、新原理微纳器件与功能融合:包括同质与异质集成、同构与异构集成、功能融合,延展和超越CMOS等。

  

研究成果简介

  ● 先进存储器

  课题组包括阻变存储器、存储器可靠性和高可靠非易失存储器产品开发三方面的研究。

  1、阻变存储器方向:在新材料开发、器件性能优化、阻变机理、可靠性、操作方法、测试技术、存储芯片电路设计、三维集成等方面取得了一些列成果。提出了功能层掺杂提高RRAM性能和成品率的方法。提出“电场工程”改善参数均匀性的思想。通过原位TEM观测首次获得了导电细丝生长和断裂的动态过程。首次在国际上开展了RRAM器件热电效应的研究,发展了一种RRAM阻变机制研究的新方法。研发成功1kb RRAM电路,是国际上第二个功能完整的HfO2基电路。研制成功HfO2/CuGeS双层结构高性能自选通RRAM器件,并首次实现了4层8×32的RRAM垂直交叉阵列的集成。研究成果发表在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、IEEE Electron Device Letters、Scientific Reports、Nanoscale、IEDM等国际学术期刊和会议上,SCI他引超过4000次。研究成果受到国际关注,和Western Digital、VSEA、Adesto等公司开展了合作。

  2、存储器可靠性方向:与国内晶圆厂合作开展存储器可靠性研究工作,通过模拟分析、TCAD仿真等手段,优化存储器制造工艺;并从器件电学可靠性退化的机理入手,改善器件的编程、擦除操作条件,从而综合改善存储器件性能,提高产品良率。针对不同类型存储器件的特性,开发存储器芯片,突破高密度、大容量存储芯片的设计难点,密切与产业界合作,开展技术转移转化工作。

  

  金属纳米晶控制导电细丝生长及获得的4态数据保持特性(ACS Nano, 2010, 4, 6162)

  

  通过TEM原位表征技术获得RRAM导电细丝形成和破灭的动态过程(Advanced Materials, 2012, 24, 1844)

  

  Ti/HfOx/Pt器件导电细丝的Seebeck效应测试样品结构、Seebeck电压与加热电极热电流的关系、Seebeck系数与温度的关系、归一化电阻与温度的关系(Nature Communications, 2014, 5, 4598)

  

  1kb RRAM试验芯片。(a)芯片实物图;(b)写入‘IME’字样的阵列二进制位图;(c)芯片中RRAM器件与MOS晶体管的集成结构的TEM照片;(d)芯片中单元的电阻转变特性;(e)芯片中单元在脉冲模式下的实时编程图(Scientific Reports, 2015, 5, 7764)

  3、高可靠非易失存储器产品开发:针对高技术领域对高可靠非易失存储的应用需求,从存储器件的基本特性及可靠性问题着手,系统开展高等级非易失存储器产品研究开发。主要工作包括:根据不同可靠性等级的应用需求,分别开展高可靠大容量 NOR Flash 产品开发;面向微小卫星应用的多功能配置 PROM 产品开发,以及面向高轨道卫星应用的SONOS 存储器产品开发等。

  

  存储器可靠性研究与大容量存储芯片

   

  面向微小卫星应用的Trilobite/MCF256P芯片实物照片

  ● 新型逻辑器件

  10纳米以下传统硅基逻辑器件在尺寸微缩道路上面临沟道漏电与迁移率劣化的严重挑战。课题组开展面向大规模集成逻辑电路的新型MOS器件结构与关键工艺技术研究,研究抑制纳米MOS器件短沟道效应并持续提高器件驱动性能的关键技术,同时研究相关物理机制及内在机理,研发在大规模逻辑电路中的应用集成技术,形成成套创新工艺,实现技术向工业界的转移并开展合作开发:

  1、可大规模集成的异构FinFET与取代栅中硅基纳米线研究:研究兼容传统FinFET技术的半环栅和全环栅器件结构,研究纳米沟道的制造技术,研究纳米沟道的量子输运机理,研究标准单元电路的集成应用。

  2、基于FinFET的超低功耗隧穿晶体管研究:研究兼容传统FinFET工艺的超低功耗隧穿晶体管器件结构,研究集成工艺,研究特殊的工作机理及电路应用方式。

  3、纳米尺度三维高k金属栅材料与界面工程研究:研究适合10纳米以下超大高宽比的新型多层高k金属栅材料及集成工艺,研究改善栅极与沟道界面质量的物理机制,研究金属栅多阈值技术以及提高器件可靠性的机理与方法。

  4、新型源漏低阻工艺与金属接触技术:研究源漏超低温选择外延技术,研究金属与硅、锗硅、重掺杂衬底等材料的硅化物及直接接触技术,研究形成低阻通道的物理机制及工艺方法,研究电路优化应用。

  5、基于三维多栅负电容晶体管研究:研究负电容材料生长和调控技术,研究负电容材料频率响应和可靠性依赖关系,研究负多栅电容器件制备关键技术和大规模集成方案等,实现极低电压工作NCFET器件(Vdd < 0.4V)。

  ● 新材料新原理纳米器件

  随着微电子技术发展到10纳米节点以下,采用新材料与新原理器件已经成为新一代集成电路技术的主要选择,该研究方向包括以下四个研究内容:

  1、硅基高迁移率沟道异质结器件研究:通过III-V沟道材料的引入提升FinFET器件的性能,研究异质结能带结构对关态电流的异质作用,实现高性能低功耗硅基III-V FinFET器件。研究具有III型能带对准关系的III-V异质结器件,实现极低电压工作TFET器件(Vdd < 0.3V)。

  2、三维异质集成电路研究:互连引线延迟对极大规模集成电路的速度性能起决定性作用,传统的二维集成已成为集成电路技术的发展瓶颈。与TSV技术相比,基于晶圆键合技术的三维异质集成电路技术能大幅度降低互连引线长度,实现更高的集成密度,通过新材料的异质集成实现更快的工作速度与更复杂的性能。

  3、石墨烯新原理器件研究:石墨烯作为一种新型的二维碳材料,由于其优异的电学、光学性质以及稳定的化学特性,在微电子领域具有广阔的应用前景。研究石墨烯和金属接触的表征方法与制造工艺,探索石墨烯新型接触的机理。研究高K介质与界面处的缺陷与界面态,探索石墨烯表面修饰技术,研制高性能石墨烯纳米器件。

  4、硅基氮化镓电力电子器件研究:针对高性能Si基GaN电力电子器件和模块,开发GaN基电子器件增强型,高绝缘栅介质和高压钝化等关键技术研究。探索III族氮化物电子器件界面态物理和低界面态工艺,研究GaN基电力电子器件在高压应力、动态强场下的失效机理和可靠性增强技术。开发III族氮化物电子材料和器件先进表征技术,开发CMOS兼容Si基GaN电力电子器件制备工艺,推动Si基GaN电力电子器件产业化。

  ● 器件物理与模型

  在有机半导体载流子输运机理、热电效应、阻变存储器、有机薄膜晶体管、IGZO薄膜晶体管、有机太阳能电池和石墨烯等方面取得了一些列成果。提出了完整的基于跃迁运动的热电效应模型,该模型很好的解释了温度、载流子浓度和无序度对Seebeck系数的影响;提出了一个统一的爱因斯坦关系方程,与先前科学界的认识完全相反;成功开发了IGZO TFT和Graphene TFT的Compact模型等。研究成果发表在Nature Communications、Physical Review B, IEEE Electron Device Letters、Scientific Reports、IEDM等国际学术期刊和会议上。

Compact模型及在RFID中的应用 (IEDM Tech. Dig., 2014, IEDM Tech. Dig., 2015)

  

三维集成阻变存储器的热效应(Sci. Rep. 5, 13504 (2015))

  ● 纳米集成工艺

  传统半导体加工技术难以适应新型存储器件、有机电子学、短波器件等交叉领域的需求。如何完成微纳结构制造高可靠集成,实现多元化应用,是当前微纳结构制造技术的研究前沿。

  自制双腔立式、高真空、非商用1000°C PECVD和微分干涉相衬原位工艺检测两种设备。自支撑薄膜口径达到F70mm。提出混合光刻新方法,实现大高宽比和高保真,控制复杂结构边线粗糙度和特征尺寸精度。结合“自上而下”的光刻工艺和“自下而上”的自组装技术,将先进光刻模块、薄膜生长模块、刻蚀模块等进行优化,在此基础上建立加法和减法两种微纳器件集成制造新路线,形成电镀、刻蚀和剥离3套制造技术组合,完成系列微纳米器件整套制造技术规范,实现百余道工序的跨微纳尺度器件集成。

自制PECVD设备及高高宽比纳米结构加工技术

部分纳米加工技术及器件集成结果

  ● 即时检验

  即时检测是通过集成电路,光学系统,机械系统和微流体系统的创新设计和先进加工,实现“低成本,低功耗,高精度和高质量”的便携移动移动核酸分子诊断系统。

  围绕高质量核酸样本制备,开展新型微流体材料选择,器件加工和集成。确定微流体器件的几何参数,表面化学的修饰。围绕可移动设备的要求,开展微光机电系统的集成和嵌入式系统的软硬件开发。以流感病毒为切入口,开展环介导等温扩增技术的研发以及仪器的测试和优化。

基于微流控芯片的单细胞分类计数

纳米孔加工及电学性能测试

 

实验室工艺平台

  光学掩模制造平台:激光直写和高速电子束曝光相结合,研发了掩模制造的成套技术,形成了6种规格的光学掩模产品,覆盖8个技术节点,产品用户覆盖全国并出口到欧美等国家。研制成功国内首块6英寸极紫外光刻掩模。

  纳米器件加工平台:建设了光刻、刻蚀、镀膜、表征四个子平台,发展了低成本、高分辨率和高效率兼顾的纳米结构制造技术,研发了任意复杂图形、大面积、高分辨率、大高宽比、高保真的微电子器件集成技术,进行了拓展应用,形成了小批量生产能力。

  电学测试平台:建设了半导体器件IV、CV、Pulsed IV、Charge pumping和 RTN等常规及可靠性测试平台,研制了快速脉冲IV测试模块和RRAM存储阵列测试系统,具备了涵盖半导体单管器件与集成电路为一体的综合测试能力。

 

科研队伍

  中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室拥有一支在领域内有影响力的科研团队,现在固定人员77人,其中科研人员58人,技术支撑人员14人,管理人员5人。科研团队中有中国科学院院士2人,发展中国家科学院院士1人,IEEE Fellow 1人,国家自然基金委创新团队1个,国家杰出青年科学基金获得者4人,国家优秀青年科学基金获得者3人,科技北京百名领军人才1人。从国内外高校和科研机构招聘具有研究生学历青年人才几十人,已经组建了一支结构合理、素质优良、具有较强竞争力和持续发展能力的科技人才团队和管理与技术支撑队伍。

  设有博士和硕士学位授予点,现有博士后7人,在读研究生92人,其中硕士研究生59人,博士研究生33人。博士后和研究生队伍的发展使本实验室的科研力量充满生机与活力。

 

项目、论文、专利及国内外合作

  中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室先后承担和参与了多项国家重点研发计划、国家科技重大专项、863、973、中科院重大装备和自然基金项目。近5年发表论文300余篇,包括Nat. Commun.、Nano Lett.、Adv. Mater.、Adv. Funct.Mater.、ACS Nano、PRL、Small、IEEE EDL、IEEE TED、Opt. Lett 等国际顶级期刊和IEDM、VLSI等国际顶级会议。研究成果被国际著名学者写入7本专著和40篇综述中。发表在Adv. Mater. 2012、IEEE EDL 2013(两篇)、Nano Lett. 2009、IEEE EDL 2009和IEEE EDL 2008上的六篇论文入选Highly cited paper(Top 1%)。重点实验室成员在本领域重要国际会议做邀请报告60余次,并多次参与国际会议的组织。38项授权发明专利转让中芯国际,1项许可揭阳中诚,2项许可常州瑞择;295项存储器发明专利许可给武汉新芯;3项授权发明专利以作价转让形式入资四川豆萁科技股份有限公司。荣获国家自然科学二等奖1项、国家技术发明二等奖3项、北京市科技进步一等奖1项、北京市科技进步二等奖1项、中国科学院杰出成就集体奖2项、中国电子学会科学技术奖一等奖2项。

  研究室积极与国内外著名大学、公司开展合作研究,联合进行人才培养,Western Digital、Adesto、Varian等国外企业和中芯国际、上海集成电路研发中心、联想、华为、北京智芯等国内企业开展多元、长期、有效的科技成果转化合作,为国内外数百家高科技公司、高校和研发机构提供制版和工艺支撑服务。

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