郝跃院士团队发表2019年IEEE EDL封面文章

三、CMOS器件与电路的可靠性研究

“后摩尔时代新器件技术”是郝跃院士及其团队近年来力推的研究方向。随着CMOS技术节点按比例缩小逐渐走向终结,后摩尔时代新器件将影响和决定未来微电子器件技术发展和集成电路产业格局。韩根全教授和周久人共同完成的这篇关于负电容锗和锗锡MOSFETs的论文是Beyond
CMOS器件研究,正是后摩尔时代新器件技术的热点和重要研究课题。该研究工作得到国家优秀青年科学基金项目和国家自然科学基金重点项目的资助,是宽禁带半导体技术国家重点学科实验室重点支持的研究课题。

Yue Peng, Wenwu Xiao, Genquan Han,* Jibao Wu, Huan Liu, Yan Liu, Nuo
Xu, Tsu-Jae King Liu, and Yue Hao, “Nanocrystal-Embedded-Insulator
Ferroelectric Negative Capacitance FETs with Sub-kT/q Swing,” IEEE
Electron Device Letters, vol.40, no. 1, pp. xx-xx, Jan. 2019.

课题组发明的新型隧穿晶体管与传统CMOS工艺兼容,具有广泛应用前景。据悉日前该课题组已与中国最大的集成电路制造公司——中芯国际集成电路制造有限公司签署了技术转让和合作协议,以期为我国具有自主知识产权的集成电路关键技术研发和未来前瞻技术做出贡献。

以上论文的相关研究工作得到了国家自然科学基金创新研究群体、重点基金、优秀青年基金、高等学校学科创新引智计划等项目的资助,以及北京大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室、微电子器件与电路教育部重点实验室等基地平台的支持。

相关结果截图:负电容锗和锗锡MOSFET栅结构TEM图

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背景链接:具有60年历史的IEDM在国际半导体技术界享有很高的学术地位和广泛的影响力,被外媒誉为“微电子器件领域的奥林匹克盛会”。该会议主要报道国际半导体技术方面的最新研究进展,是著名高校、研发机构和英特尔、IBM等企业报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口和平台之一。近年来,集成电路技术领域的许多重大技术突破都是通过该会议正式发布的。

日前,以北京大学为第一作者单位的9篇论文在美国旧金山举行的电气电子工程师学会电子器件大会上发表。北大是IEDM
2018接收来自全世界论文最多的高校,这也是IEDM历史上首次由中国高校在论文数量上领衔。参会的北京大学师生与世界各地的研究人员进行了充分的交流,向国际电子器件领域的同行展示了北京大学最新的研究成果。这9篇论文均来自信息科学技术学院微纳电子学研究院,内容涉及新材料新机制晶体管、神经形态计算、CMOS器件与电路可靠性等多项学术前沿领域,具体成果如下。

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FeFET是利用铁电材料作为器件栅介质,实现非易失存储器或者负电容逻辑器件。目前的FeFET是基于掺杂氧化铪铁电材料,即在HfO2中引入锆或铝等元素,从而使介质薄膜从顺电变成铁电材料。这类铁电材料存在的主要问题是:材料铁电参数不容易调整;材料一般为多晶相,FeFET中铁电栅介质不能太薄,否则会出现漏电流或者铁电性消失。如非易失存储器铁电层厚度一般为6—10
纳米,而负电容逻辑器件一般为4—6
纳米,大大限制了FeFET在FinFET器件中的应用。因此,开发超薄的铁电材料成为推动FeFET在亚10
纳米 CMOS中更广泛应用的关键。

近期,黄如课题组通过进一步的结构与技术创新,在新型超低功耗隧穿晶体管研究领域取得了重要进展。课题组提出一种全新的“梳状栅杂质分凝隧穿晶体管”,提出自适应操作原理,将亚阈摆幅减小至29
mV/dec,创造了硅基晶体管的新纪录;同时结合肖特基注入和自耗尽机理,将器件的开关电流比值提升至8个数量级,缓解了超低功耗器件在电容、速度、噪声以及增益等方面所面临的挑战。相比传统MOS晶体管,以该新技术为架构的数字集成电路可以在0.4V的超低工作电压下将功耗减小25%。该项成果依托于微纳电子与集成系统协同创新中心以及北京大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室的工艺制备,以题为Comprehensive
performance re-assessment of TFETs with a novel design by gate and
source engineering from device/circuit
perspective的论文,于2014年12月在美国旧金山召开的IEDM
2014上宣读,引起来自美国IBM公司、欧洲微电子学研究中心、麻省理工学院、伯克利加州大学等单位相关课题组的极大兴趣,展开了深入的讨论。

上述工作均得到了广泛关注。特别是,对于负电容晶体管的研究,针对最具争议的关键机制问题提出了符合物理本质的新理论,得到了包括美国工程院院士在内的学术界专家和包括台积电在内的产业界知名公司的高度评价。

新型微纳米CMOS器件研究课题由郝跃院士团队的韩根全教授和博士生周久人等20余名研究生组成。近期,课题组开展了基于铁电材料铪锆氧和高迁移率锗基沟道负电容MOSFET器件研究。通过利用负电容对沟道电场的放大效应,有望突破传统MOSFET器件室温下亚阈值摆幅不能小于60mV/decade的物理限制,并提升器件电流;锗和锗锡的负电容器件最小亚阈值摆幅达到21
mV/decade,并获得比传统器件更高的工作电流。在器件的测试电容-电压曲线中观测到了负电容效应导致的反型层电容大幅度提升现象,加州大学伯克利分校研究人员在IEDM
2016上报道的相关理论证明,与西电研究的实验结果非常一致。会议报告和论文引发了加州大学伯克利分校、东京大学以及台湾国立大学等单位相关研究组的极大兴趣,并展开了深入讨论。

彭悦,2015级博士研究生,师从郝跃院士,2016年跟随团队的韩根全教授开展FeFET材料和器件的研究工作,取得了突破性的研究成果。该研究工作得到国家优秀青年科学基金项目和国家自然科学基金重点项目的资助。

上述研究工作得到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金、国家科技重大专项等资助。

集成电路功率密度增加会引起芯片工作温度升高,造成性能退化和可靠性失效。常鹏鹰博士后和刘晓彦教授团队提出了纳米片晶体管的自热效应物理模型,嵌入SPICE仿真器可实现电路级别的热评估。该工作以《基于纳米片场效应晶体管的物理模型关于器件电路协同设计》为题发表。

西安电子科技大学微电子学院郝跃院士研究团队在负电容锗与锗锡沟道金属氧化物半导体场效应晶体管研究领域取得了突破性进展,。

NEI铁电薄膜是一种全新的铁电材料结构,使FeFET集成于亚10纳米CMOS成为可能。作者在研究中采用先进的原子层沉积工艺,在非晶顺电介质中嵌入少量氧化锆纳米晶颗粒,实现了新型的NEI铁电薄膜。NEI材料的优势在于:铁电参数可以通过改变ZrO2含量来调整;绝缘栅介质层中加入了铁电纳米晶颗粒,使得铁电层与介质层融为一体,进一步减小了栅介质层的厚度,介质为不定形(amorphous)相,可以实现2纳米厚度。该研究工作不仅揭示了NEI铁电特性,并且还相继报道了作者实现的2.1和3.6
纳米NEI
FeFET存储器件和负电容器件,其中负电容晶体管亚阈值摆幅突破了60mV/decade物理极限。该材料铁电参数的灵活可调性将有助于进一步揭示负电容晶体管的真正工作机理。

从信息技术发展趋势来看,超低功耗集成电路应用已经成为主流方向。移动计算与通信、智能硬件、物联网、可穿戴式设备、生物医疗芯片等便携式和植入式芯片已经在电子产品占据了较高比例并快速增长。对于这些移动式设备而言,功耗直接影响其用户体验和可靠性,如何降低芯片功耗已经成为集成电路技术的核心问题。目前,主流芯片中的组成器件——金属-氧化物半导体场效应晶体管由于受热力学限制,器件的亚阈摆幅存在理论极限,使得以传统MOS晶体管为基础的集成电路芯片难以继续通过减小工作电压来降低功耗。

功耗是制约未来集成电路发展的瓶颈问题。在栅极中引入铁电新材料的“负电容晶体管”可以突破传统场效应晶体管的亚阈值摆幅开关极限,有望在极低电源电压下工作,从而降低功耗并保持高性能。但是,NCFET中负电容效应的物理原理以及回滞现象的产生机制尚不完全清楚,其是否能够实现无回滞且稳定的超陡亚阈特性以面向实际高速逻辑电路应用成为了近几年国际上争议的焦点。黄芊芊助理教授和黄如院士团队从器件和材料的基本物理机制入手,通过实验首次直接观测到铁电材料的负微分电容现象,提出并证实了基于动态极化翻转的负电容原理的全新理论解释,阐明了NCFET的超陡亚阈值摆幅和回滞现象产生的物理本质,建立了可预测的物理模型,并发现NCFET亚阈值摆幅和回滞现象之间的优化存在本征的冲突,从而指明了面向不同电路应用的器件设计。该工作以《负电容晶体管中负电容和回滞现象的物理根源新理解》为题发表。

日前,在美国旧金山举行的2016年IEEE International Electron Devices
Meeting会议上报道了该研究成果,并收录了论文《Ferroelectric HfZrOx Ge and
GeSn PMOSFETs with Sub-60 mV/decade Subthreshold Swing, Negligible
Hysteresis, and Improved IDS》。

近日,西安电子科技大学微电子学院郝跃院士团队在负电容铁电场效应晶体管研究领域取得突破性进展,创新性提出并实现了新型纳米晶铁电材料(Nanocrystal-Embedded-Insulator,NEI)FeFET。该研究工作发表在IEEE
Electron Device Letters2019年第一期,并选为封面文章突出报道。

北京大学信息科学技术学院黄如教授课题组长期致力于新型超低功耗器件的研究,推动超低功耗电路架构的创新,突破现有MOS器件技术面临的功耗瓶颈。2011年起,课题组从改变现有器件的工作原理角度出发,提出新的“T栅肖特基隧穿晶体管”和“结耗尽调制型隧穿晶体管”,分别实现了器件的开态驱动电流和亚阈摆幅的突破。实验制备的新结构隧穿晶体管将亚阈摆幅减小至36
mV/dec,相关论文于2011、2012年连续发表在微电子学领域的顶级会议——国际电子器件会议上。

如前所述,如何突破晶体管开关效率的极限对于降低集成电路的功耗至关重要。刘飞助理教授与合作者一起提出并从理论上研究了利用“冷源”过滤高能热电子进而打破晶体管开关效率的极限,基于石墨烯和硅分别设计了两类“冷源”结构,并通过第一性原理输运计算对器件性能进行评估同时讨论了器件优化设计方法。该工作以《基于源端态密度工程的超低功耗器件第一性原理模拟》发表。

Jiuren Zhou, Genquan Han, Qinglong Li, Yue Peng, Xiaoli Lu, Chunfu
Zhang, Jincheng Zhang, Qing-Qing Sun, David Wei Zhang, and Yue Hao,
“Ferroelectric HfZrOx Ge and GeSn PMOSFETs with Sub-60 mV/decade
Subthreshold Swing, Negligible Hysteresis, and Improved IDS,” Electron
Devices Meeting , 2016 IEEE International, Pages: 12.2.1 – 12.2.4

IEEE Electron Device Letters是国际微电子器件领域的顶级期刊,也是IEEE
Electron Devices
Society第一旗舰期刊,在国际微电子领域享有权威的学术地位和广泛的影响力。郝跃院士团队2018年在该期刊发表学术论文十多篇,标志着西安电子科技大学在先进微电子器件研究领域已经走在世界前列。

利用新型非易失性存储器实现计算存储的融合可以加速神经形态计算,制备高能效的人工智能芯片。黄鹏助理研究员和康晋锋教授团队提出了利用NVM累积权重符号位,结合二值神经网络算法解决了NVM神经网络的精准权重在线更新问题,实现了在线训练。该工作以《利用非线性2T2R突触单元现实BNN在线训练的硬件解决方案》为题发表。

IEDM(International Electron Devices
Meeting)始于1955年,是国际微电子器件领域的顶级会议,也是IEEE旗下的王牌会议之一,在国际微电子领域享有权威的学术地位和广泛的影响力,被誉为“微电子器件领域的奥林匹克盛会”。IEDM主要报道国际微电子器件领域的最新研究进展,以及该领域极具应用前景的研究成果,是全球知名学术机构、高校以及行业领军企业报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口与平台,如Intel、IBM等国际知名公司的许多核心技术都是在IEDM上首次披露,因此,IEDM会议又是国际微电子器件领域的“风向标”。。

杜刚教授和刘晓彦教授团队基于动力学蒙特卡洛理论得到了从栅介质层缺陷行为出发评估器件退化的方法,实现了全偏置空间以及任意电路操作下的阈值电压漂移预测。该工作以《基于三维KMC方法的全偏置统计可靠性仿真及纳米片场效应晶体管电路可靠性评估的应用》为题发表。

相关结果截图:负电容锗MOSFET(FE HZO Ge pFET)实现小于60 mV/decade
亚阈值摆幅,器件展示了带有明显的负电容特性的电容曲线

铁电材料还可以应用在存储器领域。基于氧化铪的铁电新材料有着传统铁电材料无法比拟的优势,然而其铁电特性来源在国际上仍有争论,其多样的循环特性也限制了其进一步的发展。黄鹏助理研究员和康晋锋教授团队从材料计算入手,发现了一种可能的氧化铪中铁电特性来源,并基于计算结果对循环特性的进行了蒙特卡洛模拟。实验结果表明,该器件模拟方法可以很好的拟合并再现各种循环特性,这在一定程度上验证了所提出的铁电特性来源机制。该工作以《氧空位在基于氧化铪的铁电存储材料的循环特性中的作用》为题发表,并入围大会最佳学生论文的候选。

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上述工作对于未来基于神经形态计算的人工智能芯片的研制具有重要的意义。

背景链接:具有六十多年历史的IEDM是微电子器件领域的顶级会议,在国际半导体技术界享有很高的学术地位和广泛的影响力,被外媒誉为“微电子器件领域的奥林匹克盛会”。该会议主要报道国际半导体技术方面的最新研究进展,是著名高校、研发机构和英特尔、IBM等企业报告其最新研究成果和技术突破的主要窗口和平台之一。近年来,集成电路技术领域的许多重大技术突破都是通过该会议正式发布的。北京大学已经连续12年在IEDM大会上发表论文,表明我校在该领域的研究水平持续保持在国际前沿之列。

二、基于新型器件的神经形态计算研究

随机电报噪声是纳米尺度器件与电路中不稳定性的重要来源。王润声副教授和黄如院士团队在先进FinFET工艺技术中首次观测到“反常”的复杂RTN现象,直接证实了栅介质缺陷的双亚稳态的理论预测,并做了系统的统计性研究和机制分析。该工作以《多Fin体硅FinFET先进技术中“反常”复杂RTN的全面研究》为题发表。

此外,王润声副教授应邀作了题为《底部太吵?——先进逻辑器件与电路中的随机电报噪声》的特邀报告,得到了广泛关注。王润声副教授是IEDM历史上邀请的来自中国大陆单位中最年轻的学者,在晶体管噪声领域有长期研究,关于RTN的部分成果已与Synopsys和台积电等国际知名半导体公司合作和应用推广。

一、新材料新机制晶体管研究

针对基于阻变器件的神经形态计算中权重随着时间变化导致系统性能衰退的问题,黄鹏助理研究员和康晋锋教授团队从物理机制出发,建立了描述阻变器件权重衰变的简约模型,提出了新的突触单元结构和刷新方式以改进神经网络系统的可靠性。该工作以《面向导电通道模拟型阻变阵列的“态”不稳定性和保持行为的解析模型以及其在神经网络设计上的应用》为题发表。

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