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InP纳米晶浮栅型存储器制备与仿真研究

InP纳米晶浮栅型存储器制备与仿真研究

作者：张贻贤华中科技大学

学位级别：硕士

随着半导体工艺节点的推进与器件特征尺寸的减小,传统浮栅存储器面临着器件漏电增大、电荷泄露严重和可靠性下降等问题。采用分立式电荷存储结构的纳米晶作为电荷存储层,纳米晶浮栅型存储器具有低工作电压、高擦写速度以及与CMOS工艺兼... 详细信息

随着半导体工艺节点的推进与器件特征尺寸的减小,传统浮栅存储器面临着器件漏电增大、电荷泄露严重和可靠性下降等问题。采用分立式电荷存储结构的纳米晶作为电荷存储层,纳米晶浮栅型存储器具有低工作电压、高擦写速度以及与CMOS工艺兼容等特点,得到了广泛的研究。本论文将结合理论仿真与实验制备两方面对InP纳米晶浮栅存储器进行研究。理论方面,根据纳米晶浮栅型存储器的电荷输运与隧穿机制,结合电子直接隧穿电流与阈值电压偏移的关系,建立了单层纳米晶浮栅存储器的保持特性模型。首先分别模拟了以Si、Ge和InP三种材料作为纳米晶存储层的器件保持特性曲线,仿真验证实验所采用的InP纳米晶的性能优势。并对InP纳米晶的密度与覆盖率、隧穿层材料与厚度等影响保持特性的因素进行了模拟。结果表明,相比传统纳米晶材料Si和Ge,InP由于其较窄的禁带宽度与更大的势垒高度,可以有效改善器件的电荷保持特性,并且更高的纳米晶覆盖率可以有效改善器件的保持特性。但是由于尺寸与密度的相互限制,实验制备中,需要重点折中调控InP纳米晶尺寸大小与分布密度。同时隧穿层厚度与材料对保持特性有明显影响,应采用高k材料并控制隧穿层厚度防止过薄。实验方面:(1)制备了以InP作为存储介质的Al/HfO/InP NCs/ZrO/Si结构的存储电容。研究了1.5min、2min和2.5min的淀积后退火时长对2nm、3nm和4nm厚度InP薄膜纳米晶生长情况的影响。结合电学特性与微观特征进行分析发现,对2nm InP存储层进行1.5min或2min的淀积后退火,对3nm InP进行1.5min退火,都可以形成尺寸合适密度大的纳米晶,在±8V的编程/擦除电压下,分别获得了4.5V、4.7V和4.9V的存储窗口,电荷流失比例为18.2%、22.4%和20.2%。(2)采用2nm ZnO/3nm ZrO双势垒隧穿层,采用2nm厚度InP薄膜进行2min淀积后退火形成InP纳米晶,制备了Al/HfO/InP NCs/ZnO/ZrO/Si结构的存储电容。实验表明,采用双势垒隧穿层结构的InP纳米晶存储电容,电荷存储性能优良,在±8V的编程/擦除电压下,获得了4.85V的存储窗口,双隧穿层结构提高了电荷注入效率与速度,±8V 100ns的编程/擦除操作即可产生3.3V的存储窗口。2nm ZnO的引入可以改善ZrO厚度从5nm减至3nm带来的电荷流失加剧问题,10年后电荷流失比例由3nm ZrO隧穿层样品的41.8%降低至29.7%。

关键词：纳米晶存储器 MATLAB 保持特性 InP 双势垒隧穿层

基于非易失存储器应用的钛基纳米晶制备工艺的研究

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基于非易失存储器应用的钛基纳米晶制备工艺的研究

作者：刘艳上海交通大学

学位级别：硕士

随着集成电路的技术节点不断向前推进,传统的浮栅存储器和SONOS存在着固有的局限性,而以利用硅材料或金属纳米晶制造的闪存存储器很容易克服这些的局限性,所以引起了大家的广泛注意。另外金属纳米晶具有态密度高、费米能级选择范围广以... 详细信息

随着集成电路的技术节点不断向前推进,传统的浮栅存储器和SONOS存在着固有的局限性,而以利用硅材料或金属纳米晶制造的闪存存储器很容易克服这些的局限性,所以引起了大家的广泛注意。另外金属纳米晶具有态密度高、费米能级选择范围广以及无多维载流子限制效应等优越性,所以金属纳米晶闪存储器在下一代闪存器件中具有很好的应用前景。对纳米晶存储器来说,如何得到均匀的,密度,大小合适的纳米晶是关键。本文就是致力于一种Ti基纳米晶金属纳米晶制备的研究。重点阐述了如何利用简单的气相沉积(PVD,CVD)法获得均匀,高密度的金属纳米晶。另外,对于均匀性,尺寸要求严格的纳米晶,如何检测也是关键,本文除了利用传统的SEM和TEM方法检测到了Ti基纳米晶,还首次利用Quantox机台对Ti基纳米晶的电学隔离和存储特性进行检测,这为今后实际生产过程中,纳米晶的选择和在线测控提供了一种简单的方法。本文所制备的纳米晶和对纳米晶的检测方法有望进一步的应用在今后纳米晶存储器的生产中。

关键词：浮栅存储器 SONOS 纳米晶存储器气相沉积 PVD CVD 纳米晶 SEM TEM

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纳米晶非挥发性存储器研究进展

微纳电子技术 2007年第5期44卷 225-230页

作者：管伟华刘明龙世兵李志刚刘琦胡媛贾锐中国科学院微电子研究所纳米加工与新器件集成技术实验室北京100029

介绍了纳米晶非挥发性存储器的发展状况和基本工作原理,比较了纳米晶非挥发性存储器所涉及到的各种不同的电荷输运机制,系统介绍了纳米晶非挥发性存储器在纳米晶材料设计、纳米晶晶体生长控制方法、隧穿/控制介质层工程和新型存储器器... 详细信息

介绍了纳米晶非挥发性存储器的发展状况和基本工作原理,比较了纳米晶非挥发性存储器所涉及到的各种不同的电荷输运机制,系统介绍了纳米晶非挥发性存储器在纳米晶材料设计、纳米晶晶体生长控制方法、隧穿/控制介质层工程和新型存储器器件结构等方面的一些最新研究进展,对纳米晶非挥发性存储器的研究趋势进行了展望。

关键词：纳米晶非挥发性存储器分立电荷存储纳米晶存储器

电子在镍纳米晶中的直接隧穿及其在MOS结构中的存储(英文)

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稀有金属材料与工程 2012年第1期41卷 1-4页

作者：倪鹤南吴良才宋志棠惠唇上海交通大学上海200030 绍兴文理学院浙江绍兴312000 中国科学院上海微系统与信息技术研究所上海200050

研究了镍纳米晶镶嵌在 MOS(金属—氧化物—半导体)电容结构中应用于非挥发性存储器的可行性。制备了镶嵌在氧化层中的镍纳米晶。采用电子束蒸发方法,再经过快速退火工艺,得到平均尺寸 7 nm,密度 1.5×1012/cm2的镍纳米晶。电容随频率变... 详细信息

研究了镍纳米晶镶嵌在 MOS(金属—氧化物—半导体)电容结构中应用于非挥发性存储器的可行性。制备了镶嵌在氧化层中的镍纳米晶。采用电子束蒸发方法,再经过快速退火工艺,得到平均尺寸 7 nm,密度 1.5×1012/cm2的镍纳米晶。电容随频率变化曲线发现明显的峰,测试分析了电容-电压和电导-电压特性。结果表明电子通过直接隧穿停留在镍纳米晶中,并且存储在 MOS 结构中。

关键词：纳米晶存储器镍纳米晶 MOS 结构电荷存储特性

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嵌入式闪存器件技术进展

微纳电子技术 2013年第5期50卷 269-275,305页

作者：陈相银霍宗亮刘璟王永谢常青刘明中国科学院微电子研究所北京100029

首先介绍了嵌入式闪存器件的基本工作原理,并根据具体的技术特点和应用整理归纳出了嵌入式闪存器件的三种主流单元结构:单晶体管器件结构、分裂栅器件结构和选择晶体管加存储晶体管的两管器件结构,然后详细分析和比较了这三种器件结构... 详细信息

首先介绍了嵌入式闪存器件的基本工作原理,并根据具体的技术特点和应用整理归纳出了嵌入式闪存器件的三种主流单元结构:单晶体管器件结构、分裂栅器件结构和选择晶体管加存储晶体管的两管器件结构,然后详细分析和比较了这三种器件结构的优缺点。接着进一步重点介绍嵌入式闪存器件近年来的最新发展,列举了传统浮栅器件在65 nm技术代的先进解决方案,并讨论了融合分立电荷陷阱存储概念的新型SONOS和纳米晶存储技术,介绍了该类型技术较之传统浮栅结构的突出优势以及目前的研究进展。最后,对嵌入式闪存技术在32 nm以下节点将遭遇的瓶颈以及进一步发展方向进行分析和展望,给出了可能的解决方案。

关键词：嵌入式闪存片上系统(SoC) 分裂栅存储器电荷陷阱存储器纳米晶存储器

高介电薄膜材料的原子层沉积技术制备、表征及其在微电子领域的应用研究

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高介电薄膜材料的原子层沉积技术制备、表征及其在微电子领域的应...

作者：付盈盈南京大学

学位级别：硕士

随着微电子行业的发展,集成度不断提高、器件尺寸持续减小,使得许多传统微电子材料与技术面临巨大挑战。原子层沉积(Atomic layer deposition, ALD)技术可以对膜厚进行精确控制,在深亚微米集成电路和纳米结构的制备上显示出巨大的应用... 详细信息

随着微电子行业的发展,集成度不断提高、器件尺寸持续减小,使得许多传统微电子材料与技术面临巨大挑战。原子层沉积(Atomic layer deposition, ALD)技术可以对膜厚进行精确控制,在深亚微米集成电路和纳米结构的制备上显示出巨大的应用前景。原子层沉积使用的反应前驱体需要满足特定的要求,目前ALD的前驱体还是相当缺乏的,因此发展适合微电子工业应用的金属有机源前驱体及其相关材料的生长工艺是当前ALD技术发展的一个重要方向。随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管器件尺寸的按比例缩小,栅氧化介质层越来越薄,从而导致大隧穿电流与器件失效等问题,用高介电材料(high-K)替代传统的Si02栅介质成为最新微电子技术发展的亮点。为了突破器件微型化引起的性能下降,采用具有高迁移率的半导体材料替代Si成为制备高性能金属-氧化物-半导体场效应晶体管器件的又一个富有吸引力的解决方案。在非挥发性存储器中,浮栅型器件由于其具有快的操作速度、长的保持时间、低功耗、高可靠性等优势越来越受到关注。自1995年提出纳米晶存储器概念以来,纳米晶电荷俘获型存储器以其在器件缩小方面的优势成为研究热点。因此,本文关注于高介电薄膜材料的原子层沉积(ALD)技术制备、表征及其在微电子领域的应用,首先验证了南京大学国家“863"计划新材料MO源研究开发中心等合成的多种ALD金属有机前驱体的生长特性,研究了新型半导体材料GaAsi的表面预处理方法及ALD在其上沉积high-K材料的界面与电学特性,对采用ALD制备的HfO2/Hf-La-O (HLO)/Al2O3/Si的纳米晶存储器的结构和存储性能进行了表征。主要成果如下： 1、采用南京大学MO源中心等合成的金属有机胺源前驱体Hf(NMeEt)4(或Hf(NMe2)4、 Zr(NMeEt)4、 La[N(SiMe3)2]3和Gd[N(SiMe3)2]3LD系统上分别沉积了Hf02、Zr02、La203和Gd203薄膜,验证了这些自制的金属有机源作为ALD前驱体的可行性。其中Hf(NMe2)4、 Hf(NMeEt)4和Zr(NMeEt)4源的工作温度较低,分别为75℃、120℃和110℃,ALD-工-作窗口分别为200-250℃,250-300℃和200-250℃,沉积速率约为0.9-l A/cycle,薄膜厚度与循环次数呈线性关系,薄膜在Si、GaAs和Ge上有优异的平整性,厚度-3-10nm的薄膜,粗糙度RMS值在0.2-0.5nm之间。在4英寸Si片上沉积的HfiO2薄膜,有较好的均匀性,标准偏差仅为1.4%。Gd[N(SiMe3)2]3和La[N(SiMe3)2]3源的工作温度较高,分别为175℃、173℃,沉积薄膜表面粗糙度相对较大,Gd203薄膜RMS为1.08nm,La203薄膜的RMS为1.45nm。后者与La源较高的沉积速率(2.6A/cycle)有关。 2、采用化学溶液法-H28O4溶液、HCl溶液、HBr溶液和NH40H溶液对GaAs衬底进行表面清洗再S-钝化,通过比较不同预处理后的表面平整性、界面结构、电学性质可知：HBr溶液预处理方法得到的GaAs表面最为平整,RMS值为0.5nm,Al2O3/GaAs界面上含有较少的Ga和As的本征氧化物,显示明显改进的界面质量,生长的栅介质层具有最佳的综合电学性能：较高的积累态电容,较小的电容回滞,较小的漏电流密度。即用HBr溶液联合(NH4)2S溶液对GaAs衬底进行表面预处理是较好的选择。 3、比较了S-钝化GaAs衬底不同ALD脉冲处理情况(未经前驱体脉冲处理、TMA脉冲处理、TMA+TDMAH脉冲处理)对GaAs/Al2O3/HfO2纳米叠层界面结构、组成和电学性质的影响。实验表明,TMA+TDMAH联合脉冲比单独的TMA脉冲处理,可以更有效地除去GaAs表面的本征氧化物,降低界面层厚度(仅为0.2nm),改善电学性能,这可以用配位体交换作用机制予以解释。在优化的TMA+TDMAH脉冲预处理工艺后,GaAs/lnm-Al2O3/2.8nm-HfO2/Pt样品展示出较好的电学性能,积累态电容为2.29μF/cm2,电容等效厚度(CET)为1.5nm。 4,用ALD方法制备了以high-κ纳米晶作为存储介质的纳米晶存储器Hf02/HLO/Al2O3/Si,此堆垛结构700℃、800℃退火后中间HLO层形成了纳米晶颗粒,尺寸约为3nm,同时作为阻挡层的Hf02也已结晶。电学测试表明：存储窗口与所加电压成线性关系,不随频率变化。同700℃退火相比,800℃退火的样品展示了较大的存储窗口(±11V间扫描时存储窗口为9V)和相对较好的保持特性,这与高温退火产生了较多的体缺陷陷阱和较少的界面陷阱有关。存储在纳米晶中的电荷密度大约为2.5×1013/c

关键词：原子层沉积技术金属有机源前驱体高介电薄膜材料 GaAs 金属-氧化物-半导体场效应晶体管纳米晶存储器

新型非易失性存储器的原子层沉积技术制备及其存储性能的研究

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新型非易失性存储器的原子层沉积技术制备及其存储性能的研究

作者：曹正义南京大学

学位级别：硕士

近年来,随着半导体技术和IT技术的发展,半导体存储器产业取得长足的进步。其中闪存存储器因其优异的性价比,获得广泛应用。然而,目前闪存存储器已经接近它工作原理的物理极限尺寸,面临着存储密度、功耗和可靠性方面的一系列挑战。为了... 详细信息

近年来,随着半导体技术和IT技术的发展,半导体存储器产业取得长足的进步。其中闪存存储器因其优异的性价比,获得广泛应用。然而,目前闪存存储器已经接近它工作原理的物理极限尺寸,面临着存储密度、功耗和可靠性方面的一系列挑战。为了解决这些问题,多种新型非易失性存储器,成为研究的热点。纳米晶存储器采用分立式电荷存储单元,因可靠性程度高、较快读取速度、较大存储密度突出优点,正日益成为下一代非易失存储器研究的重点。而阻变存储器(resistance random access memory, RRAM))结构简单,操作电压低,可缩微性强,半导体工艺兼容性好,也是新型非易失性存储器的有力竞争者。在关注新型存储器结构和存储材料的同时,发展与半导体工艺兼容的新型存储器制备工艺也十分关键。原子层沉积(Atomic layer deposition, ALD)作为一种新型薄膜沉积技术,它的原理是使用气态反应物在衬底表面发生化学吸附反应,具有自限制性与自饱和性的特点,保证了沉积的均匀性和三维贴合性。近些年,ALD在半导体、纳米技术、新能源等领域展现出广阔的应用前景和巨大的发展优势。因此,本论文采用适合大规模生产的ALD技术,制备了两种新型非易失性存储器：Ti-A1-O纳米晶存储器和HfO/TiO/HfO叠层阻变存储器,并对沉积工艺、存储器件的微观结构以及存储特性进行了深入的研究。主要进展如下：1、采用ALD技术,制备一种以A1O作隧穿层和阻挡层,Ti-Al-O复合薄膜作为电荷俘获层的纳米晶存储器,对不同温度下退火的Ti-Al-O纳米晶存储器的界面微结构和电荷存储性能进行了表征。高分辨透射电镜照片表明：800℃退火的AlO/Ti-Al-O/AlO/Si样品界面清晰,每层厚度分别为11.7 nnm/10.4nm/2.9 nm,且有约为3 nm的纳米晶在Ti-Al-O电荷存储层析出;而900℃退火样品,由于严重的互扩散,电荷俘获层与阻挡层的界面已经无法区分,隧穿层变薄只有2.3 nm,Ti-Al-O层析出的纳米晶增大为10 nm。对应的电学测试证实纳米晶存储器的存储性能与纳米晶的数量和存储器界面微结构直接相关。800℃退火的样品表现出较大的存储窗口,±6 V扫描时存储窗口为4.8 V,900℃样品居中,存储窗口为2.8 V,700 ℃样品存储窗口最小仅为0.7 V,与其没有足够的纳米晶生成有关。同时800 ℃退火样品也展示出最佳的开关速度,最大的电荷存储密度,±6 V电压扫描时为1.63×1013/cm2,优异的抗疲劳特性,经过105次的写入/擦除操作后,室温和80℃下器件的存储窗口没有明显的改变。X射线光电子能谱(XPS)研究了800℃退火样品AlO/TAO/AlO/Si的能带排列图,表明Ti-Al-O电荷存储层与A1O隧穿层/阻挡层之间形成了1.49 eV和1.15 eV深的量子势阱,有利于电荷的存储和保持。目前800℃退火样品的保持特性还有待于进一步优化。2、采用ALD技术在Si/SiO/Ti/Pt和Si/TiN衬底上制备了HfO/TiO/HfO叠层结构的阻变存储器件,重点研究了Pt和TiN底电极对叠层结构阻变特性的影响,并对阻变机理予以了解释。电学测试表明：Pt/HfO/TiO/HfO/Pt和TiN/HfO/TiO/HfO/Pt叠层结构均表现为双极型阻变。低阻态时,导电机制遵循欧姆定律,符合导电细丝理论中的氧空位迁移模型;高阻态为陷阱控制的空间电荷限制电流传导模型。XPS结果显示HfO比TiO薄膜中具有更高的氧空位浓度,有利于HfO/TiO/HfO叠层结构中导电通道的形成。同时,叠层结构自身所具有电场调制的特点,可以减小阻变存储器在阻变过程中生成导电细丝的随机性,有效提高了器件的稳定性。两种结构均显示了较好的抗疲劳特性和数据保持能力。然而,不同底电极Pt和TiN对forming电压的极性、高低阻态比值以及阻变操作电压的分散性产生明显的影响。Pt衬底的RRAM需要一个+7 V的forming电压,set电压为+2V,reset电压为-0.8 V,高低阻值比达到105以上;而TiN衬底的forming电压为-4V,且极性相反,set电压为-1.5 V,reset电压为1.5 V,高低阻值比仅为102。与Pt衬底的RRAM相比,TiN衬底上不同阻变存储单元具有更好的开关电压一致性,且同一存储单元,多次开关操作电压分布也相对较为集中。造成这种差异最重要的原因,是由于导电细丝的形成,明显被绝缘层中初始氧空位的分布所影响。TiN电极是一种亲氧性的电极,临近TN底电极的HfO薄膜中存在着大量的氧空位,容易形成氧空位导电通道,具有较好的阻变参数一致性。考虑电极和叠层结构对阻变效应的调控作用,为阻变存储器件结构设计提供了新思路。

关键词：原子层沉积纳米晶存储器阻变存储器非易失性存储器