钌金属纳米晶的制备及其在非挥发快闪存储中的应用

发布时间：2020-04-08 10:38

【摘要】： 随着半导体快闪存储器的特征尺寸不断缩小,传统的多晶硅浮栅存储器正面临着严峻的挑战。分离的金属纳米晶存储器以其独特的电荷存储结构,可以实现更好的数据保存特性和更薄的隧穿氧化层,由此带来更低的工作电压和更快的编程速度,可望应用于下一代存储器。因此,本论文基于钌纳米晶的电荷存储,采用金属溅射后退火和原子层淀积的方法制备钌纳米晶,并研究内嵌钌纳米晶的氧化铝介质MOS存储电容电学特性。具体内容如下: 采用离子束溅射的方法,在氧化铝介质表面形成薄的金属钌薄膜,在900℃下退火15s可以得到密度为1.6×10~(11)cm~(-2),平均直径约为20nm的钌纳米晶。SEM照片显示只有在不低于900℃的温度下退火才能形成纳米晶。随着退火温度的增加,纳米晶体积变大,密度降低,但退火时间对纳米晶形态的影响较为微弱。此外退火前钌金属薄膜的氧化程度对形成的钌纳米晶形态有很大的影响。XPS分析显示钌纳米晶主要由单质金属钌组成,并且在退火处理后部分氧化钌发生分解。 采用原子层淀积的方法,以RuCp_2和氧气为反应源,在300℃的衬底温度下生长钌纳米晶。比较研究在热生长的氧化硅和原子层淀积的氧化铝薄膜表面生长的钌纳米晶,结果表明氧化铝表面可以提供较高的纳米晶成核密度。当淀积循环数为200,我们在氧化铝表面得到密度为9×10~(10)cm~(-2),平均直径为14nm的钌纳米晶。随着生长的循环增加(400、600),纳米晶体积变大,密度变小,均匀性变差。在后续的高温退火处理中,钌纳米晶的体积变大,密度变小,是由于邻近的钌纳米晶出现合并,并缓慢形成球状纳米晶。XPS分析显示氧化钌存在于纳米晶表面,是由纳米晶与空气中的氧气接触缓慢氧化所至。 进一步,本论文采用原子层淀积的方法实现了氧化铝＼钌纳米晶＼氧化铝的新型叠层结构的生长,并对其电荷存储效应进行测试。结果显示,在较低的扫描电压范围下(-2.5-8V)该叠层结构已经表现出较大的存储窗口(3.4V),计算得出的俘获电荷密度为1.18×10~(13)cm~(-2)。在+10V/1ms的编程脉冲下得到3.2V的存储窗口,表现出较快的编程速度,计算得到电子平均隧穿注入速率为1.78×10~(-6)e/cm~2.ms。这些良好的电学特性源自金属钌较大的功函数以及较薄的隧穿氧化层使得直接隧穿成为主要的电荷隧穿机制。同时该结构具有较小的漏电流,在6V的栅压偏置下,只有1×10~(-6)Acm~(-2)。
【图文】：

闪存储器的研究进展作一介绍。1.2金属纳米晶存储器结构及工作原理图1.1是金属纳米晶存储器的基本结构，为一个金属一氧化物一半导体场效应晶体管(MOSFET)。电荷存储在由绝缘介质隔离的纳米晶上，这种分立结构的优点在于:即使隧穿氧化层某处存在缺陷导致该处的纳米晶与衬底沟道间形成电荷泄露通道，也不会影响到储存在其它纳米晶上的电荷，因此大大提高了电荷存储的寿命。正是由于上述特点，纳米晶存储器的电荷保存时间对隧穿氧化层厚度的依赖性有所降低，与传统的多晶硅浮栅存储器相比，可以在较小的隧穿层厚度条件下获得相当的电荷保存时间。当隧穿氧化层厚度小于3nm，沟道与纳米晶之间的电子传输以直接隧穿 (DirectTunneling)的方式进行，这种隧穿机制相对Fowler一Nordheim(F--N)隧穿只需要较小的电压即可实现〔1〕。这就意味着在器件小型化的过程中可以大幅度地减小工作电压

为了使闭值电压在编程和擦除状态下有较大的偏移，需要增加俘获电荷的密度。目前的研究方案有两种，即采用双层纳米晶结构和复合俘获层结构(纳米晶+电荷俘获介质层)，分别如图1.4和1.5所示。图1.4中双层纳米晶能提供更多的电荷势阱从而增加电荷的俘获数量，获得更大的存储窗口。由于上层的纳米晶体离沟道较远，电荷直接隧穿回衬底相对困难，同时由于库仑阻塞效应和能级量子化效应，，上下层纳米晶之间电荷的隧穿被抑制，电荷保持能力得以加强「13〕。Samanta等人比较研究了HfA10介质层中单层和双层Wu纳米晶的电荷存储效应，结果表明双层纳米晶表现出更大的存储窗口、更快的擦写速度和更好的数据保持能力「8〕。图1.5中的电荷俘获介质层通常是费米能级低于5102同时又含有大量陷阱的材料(如Si3N;)，可以提供额外的电荷陷阱，增加俘获电荷密度，增大擦写窗口。对于电荷俘获介质层中的电荷，其传输机制可能是Poole--Frenkel
【学位授予单位】：复旦大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TP333

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本文编号：2619243