TIỂU LUẬN CÁC CÔNG NGHỆ MỚI TRONG LĨNH VỰC THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o TIỂU LUẬN CÁC CÔNG NGHỆ MỚI TRONG LĨNH VỰC THIẾT KẾ VI MẠCH SỐ GVHD: TS TRẦN HỒNG LINH TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2021 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh Danh sách thành viên: STT Họ tên MSSV Email Nguyễn Hà Nhất Phương 1813622 phuong.nguyenhanhat@hcmut.edu.vn Phạm Đăng Long 1812930 long.phambkforever@hcmut.edu.vn Nguyễn Minh Tân 1813940 tan.nguyen.28112000@hcmut.edu.vn Hồng Bá Duy 1811704 duy.hoang123456@hcmut.edu.vn Danh sách phân cơng nhiệm vụ: STT Họ tên Nhiệm vụ cụ thể Nguyễn Hà Nhất Phương Tìm hiểu cơng nghệ FeFET Phạm Đăng Long Tìm hiểu cơng nghệ CNTFET Nguyễn Minh Tân From FinFet 3nm to GAA FET 2nm Hoàng Bá Duy RRAM ii Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh MỤC LỤC GIỚI THIỆU FeFET (Ferroelectric Field-Effect Transistor) Ferroelectric HZO ferroelectric phase orthorhombic Cấu trúc MFIS Kết luận 12 From FINFET 3nm to GATE-ALL-AROUND (GAAFETS) 2nm 13 FINFET 13 3.1.1 Giới thiệu 13 3.1.2 Tại lại chọn FinFet 13 3.1.3 Ưu điểm FinFET 14 3.1.4 Thách thức FinFET 15 Gate-all-around FET (GAAFET) .15 3.2.1 Giới thiệu: .15 3.2.2 Tại lại chọn GAA FET ? 16 3.2.3 Ưu điểm GAA FET: 17 3.2.4 Thách thức GAA FET 17 Từ Finfet 3nm đến GAA FET 2nm: 17 3.3.1 Giới thiệu: .17 3.3.2 Thách thức mở rộng quy mô chip: 18 3.3.3 Tại lại chọn nanosheet ? 19 3.3.4 Chế tạo nanosheet 19 Kết luận 21 Resistive Random Access Memory (RRAM) .22 Tổng quan 22 Giới thiệu 22 iii Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh Chế độ chuyển mạch 25 4.3.1 Chế độ chuyển đổi kháng .25 4.3.2 Cơ chế chuyển mạch điện trở 26 Quy trình sản xuất 1R- RRAM 27 Phân loại RRAM 29 Kết luận 29 CARBON NANOTUBE TRANSISTOR 30 Ống nano carbon (CNT) .30 5.1.1 Tổng quan .30 5.1.2 Lịch sử đời 30 5.1.3 Những tính chất CNT 31 5.1.4 Công nghệ chế tạo CNT 32 Transistor ống nano carbon hiệu ứng trường (CNTFET) 32 5.2.1 Back gate CNTFET (CNTFET cổng sau) 32 5.2.2 Top gate CNTFET (CNTFET cổng trên) .33 5.2.3 Wrap-around gate CNTFET (CNTFET cổng bao quanh) 33 5.2.4 Suspendedd CNTFET (CNTFET treo) 34 5.2.5 Phân loại CNTFET 34 Kết luận 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 iv Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 2.1.1 Đường cong hysteresis Hình 2.1.2 Cấu trúc mạng tinh thể PZT HfO2 Hình 2.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể pha ferroelectric Hình 2.2.2 Giản đồ pha thin film dày 9,2 nm (a) Hf0.5Zr0.5O2, (b) Hf0.3Zr0.7O2, (c) ZrO2 với kích thước grains nhiệt độ khác Các vùng màu lục ngrains, xanh lam ngrains đỏ ngrains đề cập đến vùng mà pha monoclinic, tetragonal orthorhombic tương ứng ổn định mặt nhiệt động lực học với hiệu ứng lượng mặt phân cách/ranh giới grains Các pha ngoặc đơn đề cập đến pha ổn định thứ hai vùng pha monoclinic Ranh giới màu đỏ gạch ngang thể ranh giới mà pha ổn định thứ hai thay đổi Các mũi tên gạch ngang màu đỏ, xanh xanh lam cho thấy trình làm nguội trình ủ nhiệt nhanh (RTA) grains có bán kính nhỏ bán kính 25, 50 75% số grains Đồ thị bên phải hiển thị phân bố kích thước grains (rõ Hình 2.2.3) để hiểu rõ ý nghĩa mũi tên đứt nét Hình 2.2.3 Sự phân bố kích thước grains với giới hạn (đường thẳng đứng màu xanh lam) thay đổi pha thin film Hf0.5Zr0.5O2 Hf0.3Zr0.7O2 dày 9,2 nm (a) 800 oC, (b) 500 oC, (c) nhiệt độ phịng (RT) Hình 2.2.4 Giản đồ pha cho thin film Hf0.5Zr0.5O2 dày 9,2 nm với bán kính nhiệt độ grains Hình 2.3.1 Các bước quy trình FeFET Hình 2.3.2 P–V hysteresis (a) TaN/HZO/SiO2/Si and (b) TaN/HZO/ZrO2/SiO2/Si MFIS structures (c) Remanent polarization (d) Điện áp coercive TaN/HZO/SiO2/Si TaN/HZO/ZrO2/SiO2/Si MFIS (e) P–V hysteresis TaN/ZrO2/SiO2/Si MFIS Hình 2.3.3 Đặc tuyến IDS - VDS (a) TaN/HZO/SiO2/Si MFIS (b) TaN/HZO/ZrO2/SiO2/Si MFIS, IDS - VGS and IG - VGS (c) TaN/HZO/SiO2/Si MFIS (d) TaN/HZO/ZrO2/SiO2/Si MFIS 10 Hình 2.3.4 VTH ∆VTH với điện áp quét tối đa cho TaN/HZO/SiO2/Si TaN/HZO/ZrO2/SiO2/Si 11 Hình 3.1.1 Cấu trúc FinFet double-gate 13 Hình 3.1.2 Planar FET vs FinFET 14 Hình 3.2.1 GAA FET 16 Hình 3.3.1 Bán dẫn Planar -finFET -GAA FET 18 Hình 3.3.2 Quy trình xử lý nanosheet FET xếp chồng lên 20 Hình 4.2.1 So sánh cơng nghệ nhớ 24 Hình 4.2.2 Ưu điểm quan trọng RRAM 25 Hình 4.3.1 Giản đồ cấu trúc kim loại – cách điện – kim loại,hình chiếu cắt ngang 25 Hình 4.3.2 Sơ đồ dòng chế hoạt động cho RRAM kiểu dây tóc 26 v Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh Hình 4.3.3 Cực điện hoạt động 27 Hình 4.4.1 Cấu trúc giảng đồ hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua kim loại 28 Hình 4.4.2 Cấu trúc mảng điện trở (1T1R) 28 Hình 5.1.1 Cấu trúc graphit (trái) kim cương (phải) 30 Hình 5.1.2 Cấu trúc graphit Fullerenes 31 Hình 5.1.3 Đơn tường (trái) đa tường (phải) 31 Hình 5.2.1 Back gate CNTFET 32 Hình 5.2.2 Top gate CNTFET 33 Hình 5.2.3 Wrap-around gate CNTFET 33 Hình 5.2.4 Suspended CNTFET 34 vi Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh GIỚI THIỆU Ở tiểu luận này, nhóm nghiên cứu cơng nghệ vi mạch mới: FeFET Từ FinFET 3nm đến GAAFET 2nm RRAM Carbon Nanotube Transistor FeFET (Ferroelectric Field-Effect Transistor) FeFET loại logic transistor mà giữ mức logic kể khơng cấp nguồn Nói cách tổng quát, để tạo FeFET, người ta thay điện môi sử dụng chân gate vật liệu ferroelectric Khi đó, chân gate FeFET tự hình thành lưỡng cực vĩnh cửu, chia điện áp threshold FeFET thành hai trạng thái ổn định Hai trạng thái đại diện cho bit nên nói FeFET có khả lưu trữ bit nhị phân Khái niệm vật liệu ferroelectric nói vật liệu ứng dụng tượng ferroelectricity, tượng xảy số chất điện môi có khả phân cực điện tự phát khơng có điện trường ngồi, trở nên hưởng ứng mạnh tác dụng điện trường Ứng dụng ferroelectric nhớ solid state đề xuất Moll Tarui vào năm 1963 cách sử dụng TFT (thin film transistor, dạng MOSFET đặc biệt) Sau đó, vào năm 1960s, có nghiên cứu sâu thin film, khả lưu trữ thực không đạt mong đợi Khoảng gần 20 năm sau, tức vào cuối năm 1980, FRAM phát minh, sử dụng ferroelectric thin film với chức tụ Gần đây, khám phá ferroelectricity oxides, hafnium oxide năm 2011, tương thích với cơng nghệ sản xuất bán dẫn đại, dẫn tới tái xuất FeFET lĩnh vực vi mạch Ferroelectric Trong chất điện mơi bình thường, có điện trường tác dụng, điện tích dương âm bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu chúng - khái niệm đặc trưng Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh mômen lưỡng cực phân cực Tuy nhiên, phân cực hay dịch chuyển biến điện trường trở Mặt khác, ferroelectric có phân cực tự phát (spontaneous polarization) - dịch chuyển vốn có cấu trúc tinh thể vật liệu không biến điện trường Ngồi ra, hướng phân cực đảo ngược định hướng lại cách đặt điện trường thích hợp Do đó, ferroelectric đặc trưng hai trạng thái phân cực ổn định điện trường khơng, chuyển từ giá trị sang giá trị khác cách áp dụng điện trường lớn điện trường coercive (coercive field) EC, điện trường mà độ phân cực hiệu dụng chất ferroelectric khơng Chất ferroelectric đặc trưng đường cong hysteresis độ phân cực P electric displacement (độ cảm ứng điện) D hàm cường độ điện trường E Hình 2.1.1 Đường cong hysteresis Remanent polarization, 𝑃𝑟 , biên độ độ phân cực P cường độ điện trường E = 0, thường kết dịch chuyển số ion định khỏi vị trí cần thiết cho tính trung hịa điện tích Do đó, ferroelectric khơng thể vật liệu có cấu trúc centrosymmetric Trong ferroelectric vơ cơ, ví dụ chất có cấu trúc perovskite lead zirconi titanat (PZT) bari titanat (BTO) cấu trúc perovskite phân lớp stronti bismuth tantalit (SBT) ln có ion trung tâm chuyển đổi hai vị trí ổn định Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh Hình 2.1.2 Cấu trúc mạng tinh thể PZT HfO2 Cũng có ferroelectric vơ polyvinylidene flouride (PVDF) thường đồng trùng hợp với tetrafluoroethylene (TRFE) để ổn định ferroelectric pha 𝛽 Cuối ferroelectric có cấu trúc fluoride ferroelectric pha orthorhombic hafnium oxide (HfO2) với ion oxygen chuyển đổi hai vị trí ổn định HZO ferroelectric phase orthorhombic Ferroelectricity HZO thin films thu hút ý từ 2011 HZO(Hf1xZrxO2 với x=0.5~0.7), dạng pha tạp chất hafnium oxide, ứng cử viên hàng đầu vật liệu ferroelectric với cấu trúc tinh thể fluoride cho thấy khả tương thích cao với thiết bị CMOS Nguồn gốc tính chất ferroelectric bên Hf1-xZrxO2 xác nhận hình thành pha orthorhombic có kết cấu noncentrosymmetric Pca21 Tuy nhiên chế hình thành pha vấn đề tranh cãi Thuyết nucleation cho có khoảng nồng độ doping thích hợp cho hình thành pha ferroelectric Pha orthorhombic pha ổn định mặt nhiệt động học điều kiện xử lý điển hình (nhiệt độ phòng - 800 oC, vài mbar - áp suất khí quyển), pha monoclinic (nhóm khơng gian: P21/c) ổn định tất giá trị x tồn dải nhiệt độ Do đó, nồng độ doping cần phải đủ cao để ngăn chặn hình thành pha monoclinic suốt trình ủ kết tinh Một pha monoclinic hình thành, việc chuyển tiếp sang pha khác có tính metastable điều khó xảy Trong suốt q trình ủ kết tinh, nhiệt độ ủ, với nồng độ doping phù hợp tăng cường chuyển tiếp sang pha tetragonal ổn định thứ hai mặt động học, triệt tiêu chuyển tiếp sang pha monoclinic ổn định Sau đó, q trình làm nguội, gần nhiệt độ phòng, tăng cường chuyển tiếp sang pha orthorhombic ổn định thứ hai mặt động học, tiếp tục triệt tiêu chuyển tiếp sang pha monoclinic ổn định Tuy nhiên, nồng độ doping không nên cao Nếu khơng, pha tetragonal hình thành q trình ủ kết tinh chuyển thành pha orthorhombic Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh nồng độ doping cao làm giảm nhiệt độ chuyển tiếp làm cho phản ứng chuyển tiếp khó xảy Khoảng nồng độ doping thích hợp phụ thuộc vào loại tạp chất, trình chi phối kinetic nucleation pha tetragonal trình kết tinh biến đổi thành pha orthorhombic q trình làm nguội Hình 2.2.1 Cấu trúc mạng tinh thể pha ferroelectric Các nghiên cứu gần thực nghiệm nhóm nghiên cứu nhóm Min Huyn Park vào năm 2018 phát triển pha orthorhombic, tetragonal monoclinic hàm thành phần độ dày grains, kích thước grains trung bình Qua Hình 2.2.2, nhiệt độ tăng, độ ổn định pha tetragonal tăng lên, điều hiểu entropi pha cao so với pha monoclinic orthorhombic Có vùng nhỏ nơi pha orthorhombic ổn định Hình 2.2.2 (a) (b), khơng có Hình 2.2.2 (c) nên ZrO2 tinh khiết khơng hình thành pha orthorhombic Ngồi ra, kích thước grains đạt chủ yếu nằm vùng màu xanh cây, cho thấy pha chiếm ưu nhiệt độ phòng phải pha monoclinic Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh Cơng nghệ Memristor có bước đột phá lớn vào năm 2008 Strukov cộng thiết lập mối liên hệ lý thuyết thực nghiệm cho thiết bị dựa TiOx họ Ngoài ra, họ thu độ trễ bị chèn ép mối quan hệ tạiđiện áp, đặc điểm nhận dạng hệ thống ghi nhớ Điều mở công nghệ ghi nhớ cho loạt thiết bị theo dấu chân cấu trúc kim loại/màng oxit/kim loại Một số loại thiết bị phổ biến tương tự Oxygen RRAM (OxRRAM) RAM Bridge dẫn điện (CBRAM) số nhiều người khác Các thiết bị thường phân loại dựa chế chuyển mạch chúng RRAM hướng tốt cho phát triển công nghệ nhớ tương lai Trong năm gần đây, cải tiến liên tục nghiên cứu chuyên sâu vật liệu chế chuyển mạch điện chứng tỏ bước đột phá hiệu suất RRAM Dựa so sánh nhớ kỹ thuật số khác nhau, RRAM ứng cử viên hứa hẹn cho nhớ hệ lợi nhớ làm việc nhớ Giống nhớ làm việc, RRAM có điện áp công suất hoạt động thấp, tốc độ ghi/xóa cực nhanh độ tin cậy cao Giống nhớ chính, RRAM khơng biến động có dung lượng lưu trữ lớn Hơn nữa, khả tương thích tuyệt vời với quy trình mạch tích hợp (IC) khả mở rộng, RRAM có tiềm lớn để thương mại hóa sản xuất 23 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh Hình 4.2.1 So sánh cơng nghệ nhớ Có thể thấy rõ bảng, STT-MRAM PCM có lợi diện tích nhỏ so với SRAM Trong STT-MRAM cung cấp tốc độ ghi/đọc nhanh, độ bền lâu điện áp lập trình thấp, mặt khác, PCM có nhược điểm độ trễ ghi lớn RRAM có điện áp lập trình thấp tốc độ ghi/đọc nhanh so với Flash coi thay tiềm nhớ Flash Trong số tất ứng cử viên công nghệ nhớ nổi, RRAM có lợi đáng kể dễ chế tạo, cấu trúc kim loại-kim loại cách điện (MIM) đơn giản, khả mở rộng tuyệt vời, tốc độ nano giây, lưu giữ liệu lâu khả tương thích với cơng nghệ CMOS tại, mang lại tính cạnh tranh giải pháp cho nhớ số tương lai Những lợi quan trọng RRAM mô tả 24 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh Hình 4.2.2 Ưu điểm quan trọng RRAM Chế độ chuyển mạch 4.3.1 Chế độ chuyển đổi kháng Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM) bao gồm nhớ chuyển mạch điện trở có cấu trúc kim loại-cách điện-kim loại thường gọi cấu trúc MIM Cấu trúc bao gồm lớp cách điện (I) kẹp hai điện cực kim loại (M) Hình vẽ sơ đồ hình cắt ngang ô RRAM thể Hình 4.3.1 Hình 4.3.1 Giản đồ cấu trúc kim loại – cách điện – kim loại,hình chiếu cắt ngang 25 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh Việc áp dụng xung điện áp bên ngồi qua RRAM cho phép chuyển đổi thiết bị từ trạng thái điện trở cao (HRS), trạng thái TẮT thường gọi giá trị logic '0' sang trạng thái điện trở thấp (LRS), trạng thái BẬT nói chung gọi giá trị logic '1' ngược lại Hiện tượng chuyển mạch điện trở (RS) coi lý đằng sau thay đổi giá trị điện trở ô RRAM RRAM chuẩn bị ban đầu trạng thái điện trở cao (HRS), để chuyển thiết bị từ HRS sang LRS, việc áp dụng xung điện áp cao cho phép hình thành đường dẫn lớp chuyển mạch ô RRAM chuyển mạch vào LRS 4.3.2 Cơ chế chuyển mạch điện trở Hình 4.3.2 Sơ đồ dịng chế hoạt động cho RRAM kiểu dây tóc Hình 4.3.2 cho thấy sơ đồ dòng chế hoạt động cho RRAM kiểu dây tóc RRAM chuẩn bị sẵn trạng thái có điện trở suất cao Trong q trình 'hình thành' (1), đường dẫn hình thành lớp chuyển mạch cách áp dụng ứng suất điện áp cao làm cố mềm, RRAM chuyển sang trạng thái điện trở thấp (LRS) (2); RRAM LRS chuyển sang trạng thái điện trở cao (HRS) cách áp dụng 'điện áp đặt lại' (quy trình đặt lại) (3); RRAM chuyển từ HRS sang LRS cách áp dụng 'điện áp đặt' (quy trình đặt) Phản ứng oxy hóa khử và/hoặc q trình anốt hóa gần mặt phân cách điện cực lớp chuyển mạch coi chế đằng sau hình thành đứt gãy đường dẫn 26 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh Hình 4.3.3 Cực điện hoạt động RRAM phân thành hai loại liên quan đến cực điện hoạt động Một loại gọi 'đơn cực', quy trình chuyển mạch khơng phụ thuộc vào cực điện áp hoạt động, Hình 4.3.3 e Cơ chế vật lý loại đơn cực thường hiểu hiệu ứng gia nhiệt Joule, cực tính hoạt động điện khơng phụ thuộc vào cực điện áp hoạt động Một loại khác gọi 'lưỡng cực', q trình đặt trình đặt lại phải xảy với cực điện áp ngược nhau, Hình 4.3.3 f Ngược lại, chế loại lưỡng cực thường coi phản ứng oxy hóa khử di chuyển điện hóa Do đó, cực tính điện hoạt động phụ thuộc vào cực tính điện áp hoạt động Quy trình sản xuất 1R- RRAM Trong nghiên cứu thiết bị RRAM, việc sử dụng cấu trúc dạng lỗ thông qua trình sản xuất để làm rõ chế vật lý phép đo điện ưu tiên Hơn nữa, cấu trúc loại bỏ vấn đề tính đồng màng đáng tin cậy cho việc phân tích độ tin cậy chế Hơn nữa, khả mở rộng quy mô, 1R-RRAM thiết thực cho nhớ Đối với quy trình sản xuất 1R-RRAM, trước tiên, điện cực lắng đọng tạo hình quy trình in thạch Sau đó, lớp cách điện (chủ yếu SiOx) lắng đọng, trình in thạch sử dụng để tạo mẫu cho kích thước tế bào vùng hoạt động thơng qua lỗ Sau đó, lớp chuyển mạch tăng trưởng cách sử dụng q trình lắng đọng hóa học (CVD) lắng đọng vật lý (PVD) Cuối cùng, điện cực lắng đọng tạo hình quy trình in thạch 27 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh Hình 4.4.1 Cấu trúc giảng đồ hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua kim loại Một kiến trúc mảng RRAM phổ biến mảng transitor điện trở (1T1R).Trong thiết kế này, ô RRAM mắc nối tiếp với transitor chọn hình Hình 4.4.2 Cấu trúc mảng điện trở (1T1R) Việc bổ sung transitor lựa chọn cách ly chọn khỏi khơng chọn khác Dịng từ (WL) điều khiển cổng transitor, điều chỉnh điện áp WL kiểm sốt dịng tn thủ phân phối đến ô RRAM Điện cực tế bào RRAM kết nối với dòng bit (BL) điện cực kết nối với tiếp điểm thông qua cống transitor Đường nguồn (SL) kết nối với nguồn transitor Vùng điển hình mảng 1T1R 12 F2 (F kích thước tính in thạch bản) chiều rộng/chiều dài cổng (W/L) transitor diện tích tối thiểu giảm xuống F2 quy tắc thiết kế DRAM khơng viền tích cực với chia sẻ BL SL áp dụng Diện tích tăng lên W/L transitor lớn hơn1 transitor có kích thước tối thiểu khơng thể cung cấp đủ dịng lập trình 28 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh Bởi diện tích tương đối lớn cách ly tốt ô giúp giảm thiểu vấn đề nói chuyện chéo Mảng 1T1R ưu tiên cho ứng dụng nhúng mật độ khơng phải theo đuổi mà hiệu suất độ tin cậy ưu tiên Phân loại RRAM Dựa chế chuyển mạch điện trở chia RRAM thành loại :  RRAM kiểu anion: chế loại RRAM bị chi phối ion oxy (điện tích âm)  RRAM kiểu cation: chế loại RRAM bị chi phối phản ứng oxi hóa khử di chuyển ion kim loại (điện tích dương) Loại RRAM tiếng RAM cầu dẫn điện (CBRAM)  RRAM dựa carbon: Các đặc điểm chuyển mạch điện trở lưỡng cực RRAM dựa cacbon vơ định hình (α-C: H RRAM) chế chuyển mạch gây q trình hydro hóa khử hydro nguyên tử Hidro  Điện cực dựa oxit RRAM : Hành vi tích tụ oxy điện cực ITO giàu oxy trống Kết luận Phần báo cáo cung cấp giới thiệu ngắn gọn tiến kiến trúc nhớ, xu hướng hạn chế đồng thời cung cấp nhìn sâu sắc có giá trị lĩnh vực công nghệ nhớ Cũng nêu bật, tầm quan trọng RRAM, cấu trúc, chế làm việc phân loại Trong vài năm qua, nghiên cứu lĩnh vực công nghệ nhớ phát triển đáng kể số sản phẩm RRAM nguyên mẫu phát triển chứng tỏ tiềm cho ứng dụng nhớ nhúng tốc độ cao công suất thấp RRAM công nghệ nhớ hứa hẹn ưu điểm cấu trúc đơn giản, khả tương thích với cơng nghệ CMOS có, tốc độ chuyển mạch tốt khả mở rộng đến kích thước nhỏ 29 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh CARBON NANOTUBE TRANSISTOR Ống nano carbon (CNT) 5.1.1 Tổng quan Ngay từ phát vào năm 1991, vật liệu CNT nhận quan tâm lớn từ nhà khoa học, phòng nghiên cứu giới, ghi nhận nhiều bước phát triển mạnh mẽ thu số thành công bật việc chế tạo CNT ứng dụng CNT nhà khoa học xem “vật liệu kỷ 21” đặc tính mà vật liệu khác khơng có Cho đến nay, vật liệu tạo cách mạng rộng lớn nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ lĩnh vực công nghệ nano thời kỳ phát triển CNT ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, chẳng hạn ngành điện tử nano, chế tạo ô tô, công nghiệp may mặc ngành công nghiệp dược 5.1.2 Lịch sử đời Trước năm 1985, người ta cho carbon tồn ba dạng thù hình Dạng phổ biến thường gọi than Về mặt cấu trúc, dạng vơ định hình Dạng thứ hai graphit (than chì) Cấu trúc graphit gồm nhiều lớp graphen song song xếp thành mạng lục giác phẳng Dạng thứ ba kim cương Trong tinh thể kim cương, nguyên tử carbon nằm tâm hình tứ diện liên kết với bốn nguyên tử carbon loại Hình 5.1.1 Cấu trúc graphit (trái) kim cương (phải) 30 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh Đến năm 1985, người ta khám phá tập hợp lớn nguyên tử carbon kết tinh dạng phân tử có dạng hình cầu kích thước cỡ nanomet - dạng thù hình carbon gọi Fullerenes Fullerenes lồng phân tử khép kín với nguyên tử carbon xếp thành mặt cầu mặt elip Hình 5.1.2 Cấu trúc graphit Fullerenes Năm 1991, Iijima S phát tinh thể cực nhỏ, dài bám điện cực catốt Đó ống nano carbon đa tường (MWCNT - Multi Wall Carbon Nanotube) Hai năm sau, Iijima tiếp tục công bố kết tổng hợp ống nano carbon đơn tường (SWCNT Single Wall Carbon Nanotube), ống rỗng có đường kính từ 1÷3 nano mét (nm) chiều dài cỡ vài micromet (µm) Vỏ ống gồm có nguyên tử carbon xếp đặn đỉnh hình lục giác Hình 5.1.3 Đơn tường (trái) đa tường (phải) 5.1.3 Những tính chất CNT CNT mang tính chất kim loại, bán dẫn hay cách điện phụ thuộc vào chiều dài, đường kính cấu trúc mạng ống Các CNT riêng biệt mang dòng điện với mật độ cao đáng kể so với hầu hết kim loại chất bán dẫn 31 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hồng Linh CNT có độ dẫn nhiệt cao Linh kiện CNT tiêu hao công suất so với linh kiện Si tương đương Những tính chất làm cho CNT trở thành lựa chọn tốt linh kiện phân tử khác 5.1.4 Công nghệ chế tạo CNT Các CNT tạo thành sử dụng phương pháp phóng điện hồ quang (Arcdischarge) ăn mòn laser Tuy nhiên, hai phương pháp thích hợp q trình tạo vùng CNT nhỏ Phương pháp thứ lắng đọng bay hoá học (Chemical vapor deposition, CVD) CVD sử dụng quy trình chế tạo chất bán dẫn cho nhiều mục đích khác CVD phương pháp hiệu muốn tạo CNT vị trí đặc biệt Nhiều cơng trình nghiên cứu CNT thu thành tựu bật giới Transistor ống nano carbon hiệu ứng trường (CNTFET) 5.2.1 Back gate CNTFET (CNTFET cổng sau) CNTFET cổng sau thiết kế sớm sử dụng dải kim loại song song substrate SiO2 CNT với dải kim loại (tiếp xúc với source drain) tạo transistor hiệu ứng trường thô sơ Các điện cực kim loại làm kim loại tương thích với silicon, chẳng hạn titan (Ti) coban (Co) Vì cấu hình có liên kết Van der Waals yếu thiết bị với điện cực kim loại, loại CNTFET có điện trở tiếp xúc cao (≥1 MΩ) Hình 5.2.1 Back gate CNTFET 32 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh 5.2.2 Top gate CNTFET (CNTFET cổng trên) CNTFET cổng địi hỏi q trình chế tạo tiên tiến so với thiết kế cổng sau SWCNTs xếp substrate Mỗi CNT đánh dấu cố định cách sử dụng lực nguyên tử quét kính hiển vi điện tử Sau đó, quang khắc chùm điện tử sử dụng để tạo khuôn cho source drain Sau bước này, chất điện môi mỏng cổng lắng đọng đầu ống nano cách sử dụng bay lắng đọng lớp nguyên tử Bước cuối đặt cực cổng tiếp xúc với lớp điện môi cổng Hình 5.2.2 Top gate CNTFET 5.2.3 Wrap-around gate CNTFET (CNTFET cổng bao quanh) CNTFET cổng bao quanh có thiết kế cải tiến so với CNTFET cổng Trong thiết kế này, tồn khối lượng ống nano bịt kín, với thiết kế cổng trên, có CNT gần tiếp xúc với cổng kim loại bịt kín Cải tiến cải thiện hiệu suất điện CNTFET giảm dịng điện rị rỉ Hình 5.2.3 Wrap-around gate CNTFET 33 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh 5.2.4 Suspendedd CNTFET (CNTFET treo) Thiết kế CNTFET treo tránh đặt CNT rãnh, giảm tiếp xúc với oxit substratevà cải thiện hiệu suất thiết bị Các phương pháp chế tạo để treo CNT rãnh sử dụng hạt xúc tác chuyển vào chất Trong cấu trúc này, CNT tiếp xúc điện với source bên trên, drain bên gate đặt xung quanh CNT Hình 5.2.4 Suspended CNTFET 5.2.5 Phân loại CNTFET Có hai loại CNTFET: Schottky barrier CNTFET (SB-CNTFET) sử dụng điện cực kim loại để tạo thành tiếp điểm Schottky, CNTFET với điện cực CNT pha tạp tạo thành tiếp điểm Ohmic (tương tự thiết kế MOSFET) Trong SB-CNTFET, dòng điện xuyên từ lỗ trống qua rào Schottky Kim loại dùng làm điện cực source-drain phải chọn lựa cho mức lượng Fermi nằm vùng dẫn vùng hoá trị CNT Chiều rộng rào chắn kiểm sốt điện áp cổng, điều khiển dịng điện Loại CNTFET tiếp xúc Ohmic sử dụng CNT n-doped làm tiếp điểm Source drain hoạt động giống MOSFET Rào điện hình thành kênh dịng điện điều khiển thơng qua việc thay đổi chiều cao rào cản (kiểm soát điện áp cổng) Kết luận Các linh kiện sử dụng ống nano carbon nhiều năm qua nghiên cứu, mô số chế tạo giới So với công nghệ silicon truyền thống tạo cấu trúc có đường kính tối thiểu đạt 90nm, SWCNT có đường kính từ 0,4 đến 34 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh 5nm Trong SWCNT, hạt mang điện có tính linh động cực cao CNT chịu mật độ dòng lên đến 1010 A/cm2, cao so với đồng, xấp xỉ 107 A/cm2 CNTFET cơng nghệ phát triển nhanh chóng nhờ đặc tính điện bật Các tính chất ống nano carbon làm tăng khả ứng dụng CNTFET ngành công nghiệp bán dẫn Chúng thay đầy hứa hẹn cho transistor thông thường Người ta hy vọng rằng, với mức tiêu thụ công suất, chúng nhanh gấp ba lần so với silicon transistor 35 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T Mikolajick, U Schroeder & S Slesazeck The past, the present, and the future of ferroelectric memories IEEE Trans Electron Devices (2020) [2] Byung-Eun Park, Hiroshi Ishiwara, Masanori Okuyama Shigeki Shakai, SungMin Yoon Ferroelectric – Gate Field Effect Transistor Memories Springer (2016) [3] Min Hyuk Park, Young Hwan Lee & Cheol Seong Hwang Understanding ferroelectric phase formation in doped HfO2 thin films based on classical nucleation theory Nanoscale (2019) [4] Min Hyuk Park, Young Hwan Lee, Han Joon Kim, Yu Jin Kim, Taehwan Moon, Keum Do Kim, Seung Dam Hyun, Thomas Mikolajic, Uwe Schroeder & Cheol Seong Hwang Understanding the formation of the metastable ferroelectric phase in hafnia-zirconia solid solution thin films Nanoscale (2018) [5] Min Hyuk Park, Young Hwan Lee, Thomas Mikolajic, Uwe Schroeder & Cheol Seong Hwang Thermodynamic and Kinetic Origins of Ferroelectricity in Fluorite Structure Oxides Advanced Electronics Materials (2018) [6] Johannes Müller, Tim S Böscke, Uwe Schröder, Stefan Mueller, Dennis Brauhaus, Ulrich Böttger, Lothar Frey & Thomas Mikolajick Ferroelectricity in Simple Binary ZrO2 and HfO2 (2012) [7] Wenwu Xiao, Chen Liu, Yue Peng, Shuaizhi Zheng, Qian Feng, Chunfu Zhang, Jincheng Zhang,Yue Hao, Senior Member, IEEE, Min Liao, and Yichun Zhou Performance Improvement of Hf0.5Zr0.5O2 Based Ferroelectric-Field-Effect Transistors with ZrO2 seed layers (2019) [8] Lorenzo Mari What is a FinFET? (2020) [9] Sarvesh Singh Gate All Around FET (2019) [10] Mark Lapedus New Transistor Structures At 3nm/2nm (2021) [11] Nerissa Draeger From FinFETs To Gate-All-Around (2020) [12] Zahoor, F., Azni Zulkifli, T.Z & Khanday, F.A Resistive Random Access Memory (RRAM) (2019) [13] Shimeng Yu Resistive Random Access Memory (RRAM): From Devices to Array Architectures (2016) 36 Tiểu luận GVHD: TS Trần Hoàng Linh [14] Panda, D., Sahu, P.P & Tseng, T.Y A Collective Study on Modeling and Simulation of Resistive Random Access Memory (2017) [15] Ting-Chang Chang, Kuan Chang Chang, Simon M Sze, Tian-Jian Chu, TsungMing Tsai Resistance random access memory (2016) [16] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Thi Tran Anh Tuan, Dinh Viet Nga Modeling of planar carbon nanotube field effect transistor and three dimensional simulation of current-voltagen characteristics (2009) [17] Dinh Sy Hien, Nguyen Thi Luong, Thi Tran Anh Tuan, Dinh Viet Nga 3D Simulation of coaxial carbon nanotube field effect transistor (2009) [18] Nguyen Thi Luong Mô transistor ống nanô carbon đồng trục (2010) [19] Edis Osmanbasic How Do CNTFET Work, and Why Are They So Promising? (2020) 37 ... điện tử Do đó, vi? ??c phát triển NVM hệ cấp thiết nhớ flash ứng dụng rộng rãi phải đối mặt với giới hạn vật lý Trong số NVM hệ khác Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên điện trở (RRAM) ứng cử vi? ?n đầy hứa... 2011, tương thích với công nghệ sản xuất bán dẫn đại, dẫn tới tái xuất FeFET lĩnh vực vi mạch Ferroelectric Trong chất điện mơi bình thường, có điện trường tác dụng, điện tích dương âm bị dịch... monoclinic suốt trình ủ kết tinh Một pha monoclinic hình thành, vi? ??c chuyển tiếp sang pha khác có tính metastable điều khó xảy Trong suốt trình ủ kết tinh, nhiệt độ ủ, với nồng độ doping phù