實驗室概況

　　中國科學院微電子器件與集成技術重點實驗室（簡稱院重點實驗室）于2008年經(jīng)中國科學院批準，成為面向國內(nèi)外開放的院重點實驗室。

　　重點實驗室是根據(jù)國家重大需求、微電子領域前沿研究的發(fā)展趨勢、科學院信息領域的發(fā)展戰(zhàn)略布局和微電子所的中長期發(fā)展戰(zhàn)略需求建設而成。重點實驗室聚焦我國微電子產(chǎn)業(yè)技術發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，面向國際微電子前沿領域，圍繞新型微電子器件及集成中的科學問題，以解決信息存儲、處理、傳輸及其能耗等一系列關鍵科學技術問題為突破口，重點開展新一代微電子器件及其納米加工和集成技術的基礎研究，加強國際國內(nèi)的開放合作，加強創(chuàng)新能力、前沿技術與知識產(chǎn)權儲備，成為微電子學高層次人才科技創(chuàng)新、學術交流的研究基地，為我國集成電路產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一流人才與科學技術支撐。

　　重點實驗室具有較先進的納米加工設備和工藝線，擁有十級到萬級超凈間4139.388平方米，已具備國內(nèi)一流的納米加工與研究環(huán)境。實驗室現(xiàn)有儀器設備215臺套，總價值約9516萬元，其中50萬元以上設備29臺套，價值7873.29萬元。目前裝備有分辨率8nm的JEOL JBX-6300LS電子束光刻系統(tǒng)、分辨率30nm的JEOL JBX-5000LS電子束光刻系統(tǒng)、分辨率350nm的MEBES 4700電子束制版系統(tǒng)、光學制版系統(tǒng)；在軟件方面擁有光學臨近效應校正軟件Caprox，還自行開發(fā)了一系列應用于納米加工圖形化工藝的TCAD應用軟件，建立了國內(nèi)最早的NGL掩模研制點。同時裝備有電子束鍍膜系統(tǒng)、高溫化學氣相沉積PECVD薄膜制備系統(tǒng)、原子層沉積ALD薄膜制備系統(tǒng)、離子束濺射薄膜制備系統(tǒng)、光學曝光機、高密度等離子體ICP刻蝕機等納米材料加工設備，掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡、橢偏儀、臺階儀等納米結構表征設備，以及適用于納米尺度器件及電路結構的電學性能測試系統(tǒng)、快速陣列結構電學性能測試系統(tǒng)以及變溫物性測試系統(tǒng)，用于納米尺度材料、結構、器件和電路制備及表征測試。此外還擁有中國科學院EDA中心（依托于中國科學院微電子研究所）豐富的設計、模擬仿真及其它工具軟件支持。

　　重點實驗室具有從事納米加工的豐富經(jīng)驗、技術基礎和工藝平臺設備支撐能力，在納米材料制備、納米結構加工、納米尺度器件電路制備及性能表征等方向上具備扎實基礎。

　　未來，微電子器件與集成技術重點實驗室將充分發(fā)揮上述優(yōu)勢，建立面向全國的微電子技術研發(fā)的開放性平臺，為學術界和產(chǎn)業(yè)界提供可靠性分析、技術方案驗證、關鍵工藝開發(fā)等相關服務。同時帶動多學科領域的發(fā)展，造就一支國際水平的研究團隊，為我國相關領域的可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展奠定基礎。

研究方向

　　中國科學院微電子器件與集成技術重點實驗室開展新型存儲和邏輯器件、新材料和新原理器件、納米集成技術等應用基礎研究。建成有重要國際地位的微電子技術研究平臺，推動我國微電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，在解決國家重大需求上發(fā)揮不可替代的作用。

　　1、納米尺度傳輸機理、模型及EDA技術：研究納米尺度基于電子、自旋等不同物理機制的傳輸機理，建立相關器件模型；發(fā)展基于物理原理的模擬平臺，建立緊湊模型及電路設計工具。

　　2、高性能及低功耗器件與電路：包括FinFET、納米線晶體管、隧穿晶體管、新型非易失存儲器、存-算一體器件、自旋邏輯與存儲、負電容器件等。

　　3、新原理表征與制造方法：發(fā)展表征、檢測、制造的新原理、新方法，包括基于電子、離子、熱效應等不同原理的表征技術、低成本納米結構制造技術、計算光刻等。

　　4、新原理微納器件與功能融合：包括同質(zhì)與異質(zhì)集成、同構與異構集成、功能融合，延展和超越CMOS等。

研究成果簡介

　　● 先進存儲器

　　課題組包括阻變存儲器、存儲器可靠性和高可靠非易失存儲器產(chǎn)品開發(fā)三方面的研究。

　　1、阻變存儲器方向：在新材料開發(fā)、器件性能優(yōu)化、阻變機理、可靠性、操作方法、測試技術、存儲芯片電路設計、三維集成等方面取得了一些列成果。提出了功能層摻雜提高RRAM性能和成品率的方法。提出“電場工程”改善參數(shù)均勻性的思想。通過原位TEM觀測首次獲得了導電細絲生長和斷裂的動態(tài)過程。首次在國際上開展了RRAM器件熱電效應的研究，發(fā)展了一種RRAM阻變機制研究的新方法。研發(fā)成功1kb RRAM電路，是國際上第二個功能完整的HfO2基電路。研制成功HfO2/CuGeS雙層結構高性能自選通RRAM器件，并首次實現(xiàn)了4層8×32的RRAM垂直交叉陣列的集成。研究成果發(fā)表在Nature Communications、Advanced Materials、ACS Nano、IEEE Electron Device Letters、Scientific Reports、Nanoscale、IEDM等國際學術期刊和會議上，SCI他引超過4000次。研究成果受到國際關注，和Western Digital、VSEA、Adesto等公司開展了合作。

　　2、存儲器可靠性方向：與國內(nèi)晶圓廠合作開展存儲器可靠性研究工作，通過模擬分析、TCAD仿真等手段，優(yōu)化存儲器制造工藝；并從器件電學可靠性退化的機理入手，改善器件的編程、擦除操作條件，從而綜合改善存儲器件性能，提高產(chǎn)品良率。針對不同類型存儲器件的特性，開發(fā)存儲器芯片，突破高密度、大容量存儲芯片的設計難點，密切與產(chǎn)業(yè)界合作，開展技術轉移轉化工作。

　　金屬納米晶控制導電細絲生長及獲得的4態(tài)數(shù)據(jù)保持特性（ACS Nano, 2010, 4, 6162）

　　通過TEM原位表征技術獲得RRAM導電細絲形成和破滅的動態(tài)過程（Advanced Materials, 2012, 24, 1844）

　　Ti/HfOx/Pt器件導電細絲的Seebeck效應測試樣品結構、Seebeck電壓與加熱電極熱電流的關系、Seebeck系數(shù)與溫度的關系、歸一化電阻與溫度的關系（Nature Communications, 2014, 5, 4598）

　　1kb RRAM試驗芯片。(a)芯片實物圖；(b)寫入‘IME’字樣的陣列二進制位圖；(c)芯片中RRAM器件與MOS晶體管的集成結構的TEM照片；(d)芯片中單元的電阻轉變特性；(e)芯片中單元在脈沖模式下的實時編程圖（Scientific Reports, 2015, 5, 7764）

　　3、高可靠非易失存儲器產(chǎn)品開發(fā)：針對高技術領域?qū)Ω呖煽糠且资Т鎯Φ膽眯枨?，從存儲器件的基本特性及可靠性問題著手，系統(tǒng)開展高等級非易失存儲器產(chǎn)品研究開發(fā)。主要工作包括：根據(jù)不同可靠性等級的應用需求，分別開展高可靠大容量 NOR Flash 產(chǎn)品開發(fā)。

　　存儲器可靠性研究與大容量存儲芯片

　　Trilobite/MCF256P芯片實物照片

　　● 新型邏輯器件

　　10納米以下傳統(tǒng)硅基邏輯器件在尺寸微縮道路上面臨溝道漏電與遷移率劣化的嚴重挑戰(zhàn)。課題組開展面向大規(guī)模集成邏輯電路的新型MOS器件結構與關鍵工藝技術研究，研究抑制納米MOS器件短溝道效應并持續(xù)提高器件驅(qū)動性能的關鍵技術，同時研究相關物理機制及內(nèi)在機理，研發(fā)在大規(guī)模邏輯電路中的應用集成技術，形成成套創(chuàng)新工藝，實現(xiàn)技術向工業(yè)界的轉移并開展合作開發(fā)：

　　1、可大規(guī)模集成的異構FinFET與取代柵中硅基納米線研究：研究兼容傳統(tǒng)FinFET技術的半環(huán)柵和全環(huán)柵器件結構，研究納米溝道的制造技術，研究納米溝道的量子輸運機理，研究標準單元電路的集成應用。

　　2、基于FinFET的超低功耗隧穿晶體管研究：研究兼容傳統(tǒng)FinFET工藝的超低功耗隧穿晶體管器件結構，研究集成工藝，研究特殊的工作機理及電路應用方式。

　　3、納米尺度三維高k金屬柵材料與界面工程研究：研究適合10納米以下超大高寬比的新型多層高k金屬柵材料及集成工藝，研究改善柵極與溝道界面質(zhì)量的物理機制，研究金屬柵多閾值技術以及提高器件可靠性的機理與方法。

　　4、新型源漏低阻工藝與金屬接觸技術：研究源漏超低溫選擇外延技術，研究金屬與硅、鍺硅、重摻雜襯底等材料的硅化物及直接接觸技術，研究形成低阻通道的物理機制及工藝方法，研究電路優(yōu)化應用。

　　5、基于三維多柵負電容晶體管研究：研究負電容材料生長和調(diào)控技術，研究負電容材料頻率響應和可靠性依賴關系，研究負多柵電容器件制備關鍵技術和大規(guī)模集成方案等，實現(xiàn)極低電壓工作NCFET器件（Vdd < 0.4V）。

　　● 新材料新原理納米器件

　　隨著微電子技術發(fā)展到10納米節(jié)點以下，采用新材料與新原理器件已經(jīng)成為新一代集成電路技術的主要選擇，該研究方向包括以下四個研究內(nèi)容：

　　1、硅基高遷移率溝道異質(zhì)結器件研究：通過III-V溝道材料的引入提升FinFET器件的性能，研究異質(zhì)結能帶結構對關態(tài)電流的異質(zhì)作用，實現(xiàn)高性能低功耗硅基III-V FinFET器件。研究具有III型能帶對準關系的III-V異質(zhì)結器件，實現(xiàn)極低電壓工作TFET器件（Vdd < 0.3V）。

　　2、三維異質(zhì)集成電路研究：互連引線延遲對極大規(guī)模集成電路的速度性能起決定性作用，傳統(tǒng)的二維集成已成為集成電路技術的發(fā)展瓶頸。與TSV技術相比，基于晶圓鍵合技術的三維異質(zhì)集成電路技術能大幅度降低互連引線長度，實現(xiàn)更高的集成密度，通過新材料的異質(zhì)集成實現(xiàn)更快的工作速度與更復雜的性能。

　　3、石墨烯新原理器件研究：石墨烯作為一種新型的二維碳材料，由于其優(yōu)異的電學、光學性質(zhì)以及穩(wěn)定的化學特性，在微電子領域具有廣闊的應用前景。研究石墨烯和金屬接觸的表征方法與制造工藝，探索石墨烯新型接觸的機理。研究高K介質(zhì)與界面處的缺陷與界面態(tài)，探索石墨烯表面修飾技術，研制高性能石墨烯納米器件。

　　4、硅基氮化鎵電力電子器件研究：針對高性能Si基GaN電力電子器件和模塊，開發(fā)GaN基電子器件增強型，高絕緣柵介質(zhì)和高壓鈍化等關鍵技術研究。探索III族氮化物電子器件界面態(tài)物理和低界面態(tài)工藝，研究GaN基電力電子器件在高壓應力、動態(tài)強場下的失效機理和可靠性增強技術。開發(fā)III族氮化物電子材料和器件先進表征技術，開發(fā)CMOS兼容Si基GaN電力電子器件制備工藝，推動Si基GaN電力電子器件產(chǎn)業(yè)化。

　　● 器件物理與模型

　　在有機半導體載流子輸運機理、熱電效應、阻變存儲器、有機薄膜晶體管、IGZO薄膜晶體管、有機太陽能電池和石墨烯等方面取得了一些列成果。提出了完整的基于躍遷運動的熱電效應模型，該模型很好的解釋了溫度、載流子濃度和無序度對Seebeck系數(shù)的影響；提出了一個統(tǒng)一的愛因斯坦關系方程，與先前科學界的認識完全相反；成功開發(fā)了IGZO TFT和Graphene TFT的Compact模型等。研究成果發(fā)表在Nature Communications、Physical Review B, IEEE Electron Device Letters、Scientific Reports、IEDM等國際學術期刊和會議上。

Compact模型及在RFID中的應用 (IEDM Tech. Dig., 2014, IEDM Tech. Dig., 2015)

三維集成阻變存儲器的熱效應（Sci. Rep. 5, 13504 (2015)）

　　● 納米集成工藝

　　傳統(tǒng)半導體加工技術難以適應新型存儲器件、有機電子學、短波器件等交叉領域的需求。如何完成微納結構制造高可靠集成，實現(xiàn)多元化應用，是當前微納結構制造技術的研究前沿。

　　自制雙腔立式、高真空、非商用1000°C PECVD和微分干涉相襯原位工藝檢測兩種設備。自支撐薄膜口徑達到F70mm。提出混合光刻新方法,實現(xiàn)大高寬比和高保真，控制復雜結構邊線粗糙度和特征尺寸精度。結合“自上而下”的光刻工藝和“自下而上”的自組裝技術，將先進光刻模塊、薄膜生長模塊、刻蝕模塊等進行優(yōu)化，在此基礎上建立加法和減法兩種微納器件集成制造新路線，形成電鍍、刻蝕和剝離3套制造技術組合，完成系列微納米器件整套制造技術規(guī)范，實現(xiàn)百余道工序的跨微納尺度器件集成。

自制PECVD設備及高高寬比納米結構加工技術

部分納米加工技術及器件集成結果

　　● 即時檢驗

　　即時檢測是通過集成電路，光學系統(tǒng)，機械系統(tǒng)和微流體系統(tǒng)的創(chuàng)新設計和先進加工，實現(xiàn)“低成本，低功耗，高精度和高質(zhì)量”的便攜移動移動核酸分子診斷系統(tǒng)。

　　圍繞高質(zhì)量核酸樣本制備，開展新型微流體材料選擇，器件加工和集成。確定微流體器件的幾何參數(shù)，表面化學的修飾。圍繞可移動設備的要求，開展微光機電系統(tǒng)的集成和嵌入式系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)。以流感病毒為切入口，開展環(huán)介導等溫擴增技術的研發(fā)以及儀器的測試和優(yōu)化。

基于微流控芯片的單細胞分類計數(shù)

納米孔加工及電學性能測試

實驗室工藝平臺

　　光學掩模制造平臺：激光直寫和高速電子束曝光相結合，研發(fā)了掩模制造的成套技術，形成了6種規(guī)格的光學掩模產(chǎn)品，覆蓋8個技術節(jié)點，產(chǎn)品用戶覆蓋全國并出口到歐美等國家。研制成功國內(nèi)首塊6英寸極紫外光刻掩模。

　　納米器件加工平臺：建設了光刻、刻蝕、鍍膜、表征四個子平臺，發(fā)展了低成本、高分辨率和高效率兼顧的納米結構制造技術，研發(fā)了任意復雜圖形、大面積、高分辨率、大高寬比、高保真的微電子器件集成技術，進行了拓展應用，形成了小批量生產(chǎn)能力。

　　電學測試平臺：建設了半導體器件IV、CV、Pulsed IV、Charge pumping和 RTN等常規(guī)及可靠性測試平臺，研制了快速脈沖IV測試模塊和RRAM存儲陣列測試系統(tǒng)，具備了涵蓋半導體單管器件與集成電路為一體的綜合測試能力。

科研隊伍

　　中國科學院微電子器件與集成技術重點實驗室擁有一支在領域內(nèi)有影響力的科研團隊，現(xiàn)在固定人員77人，其中科研人員58人，技術支撐人員14人，管理人員5人?？蒲袌F隊中有中國科學院院士2人，發(fā)展中國家科學院院士1人，IEEE Fellow 1人，國家自然基金委創(chuàng)新團隊1個，國家杰出青年科學基金獲得者4人，國家優(yōu)秀青年科學基金獲得者3人，科技北京百名領軍人才1人。從國內(nèi)外高校和科研機構招聘具有研究生學歷青年人才幾十人，已經(jīng)組建了一支結構合理、素質(zhì)優(yōu)良、具有較強競爭力和持續(xù)發(fā)展能力的科技人才團隊和管理與技術支撐隊伍。

　　設有博士和碩士學位授予點，現(xiàn)有博士后7人，在讀研究生92人，其中碩士研究生59人，博士研究生33人。博士后和研究生隊伍的發(fā)展使本實驗室的科研力量充滿生機與活力。

項目、論文、專利及國內(nèi)外合作

　　中國科學院微電子器件與集成技術重點實驗室先后承擔和參與了多項國家重點研發(fā)計劃、國家科技重大專項、863、973、中科院重大裝備和自然基金項目。近5年發(fā)表論文300余篇，包括Nat. Commun.、Nano Lett.、Adv. Mater.、Adv. Funct.Mater.、ACS Nano、PRL、Small、IEEE EDL、IEEE TED、Opt. Lett 等國際頂級期刊和IEDM、VLSI等國際頂級會議。研究成果被國際著名學者寫入7本專著和40篇綜述中。發(fā)表在Adv. Mater. 2012、IEEE EDL 2013（兩篇）、Nano Lett. 2009、IEEE EDL 2009和IEEE EDL 2008上的六篇論文入選Highly cited paper（Top 1%）。重點實驗室成員在本領域重要國際會議做邀請報告60余次，并多次參與國際會議的組織。多項授權發(fā)明專利轉讓國內(nèi)龍頭集成電路企業(yè)。榮獲國家自然科學二等獎1項、國家技術發(fā)明二等獎3項、北京市科技進步一等獎1項、北京市科技進步二等獎1項、中國科學院杰出成就集體獎2項、中國電子學會科學技術獎一等獎2項。

　　研究室積極與國內(nèi)外著名大學、公司開展合作研究，聯(lián)合進行人才培養(yǎng)，Western Digital、Adesto、Varian等國外企業(yè)和中芯國際、上海集成電路研發(fā)中心、聯(lián)想、華為、北京智芯等國內(nèi)企業(yè)開展多元、長期、有效的科技成果轉化合作，為國內(nèi)外數(shù)百家高科技公司、高校和研發(fā)機構提供制版和工藝支撐服務。