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新型纳米硅量子点浮栅存储器和硅基阻变存储器的研究

发布时间:2017-08-25 22:13

  本文关键词:新型纳米硅量子点浮栅存储器和硅基阻变存储器的研究


  更多相关文章: 浮栅存储器 纳米硅量子点 SiO_x阻变材料 硅悬挂键


【摘要】:随着集成电路工艺的飞速发展,器件的特征尺寸在不断地减小,到2020年器件的特征尺寸将会下降到10nm,传统的集成电路工艺正面临着尺寸效应带来的挑战。浮栅存储器的隧穿层尺寸的减小使其电荷保持特性和耐受性受到了冲击,为此人们一方面对闪存技术进行改进,推出了基于分立电荷存储技术的新型纳米硅浮栅存储器,另一方面采用新的存储技术替代闪存技术,推出了新型的非易失性存储器,其中阻变存储器则由于具有单元面积小和读写速度快等优势成为了其中最具潜力的候选者。本文首先对我们小组在上海中芯国际0.13μm标准CMOS工艺线上制备的纳米硅量子点浮栅存储单管的存储特性和关键工艺结构参数之间的关系进行了深入的研究,在获得具有优良存储特性单管的基础上进行了8Kb NOR功能存储芯片的设计工作。同时开展了亚氧化硅SiOx薄膜的优化阻变特性的研究工作,通过后续工艺热处理技术改进了ITO/SiOx/p-Si/Al结构器件的阻变特性,并对其物理机制进行了细致的分析。具体内容如下:我们小组在中芯国际0.13μm标准CMOS工艺线上成功制备了栅长和栅宽分别为0.176μm和0.16μm的纳米硅量子点浮栅存储器单元和8Kb矩阵。通过对纳米硅浮栅存储器单管的优化存储特性与关键工艺结构的研究,获得了制备具有优良存储特性的纳米硅浮栅存储器单管的重要工艺参数,制备出的纳米硅量子点浮栅存储器单管具有较低的工作电压(7V)和较快的读写速度(us),擦写寿命高达107,并拥有较小的亚阈值摆幅(0.14V/decade)和截止电流(200fA),综合存储器特性达到了国际领先水平。基于此性能优秀的存储单元,我们小组与上海微系统所合作共同设计了容量为8Kb的NOR功能存储芯片,采用128根字线和64根位线组成的8Kb NOR型架构,对存储芯片进行单比特(bit)操作。为了消除8Kb存储单元阵列中的串扰影响,我们优化得到了各单元在擦写时的最佳工作电压。考虑到灵敏放大器对电流的要求,我们提出了各单元在读操作时的最佳工作电压参数,为8Kb的NOR功能存储芯片的外围电路设计提供了重要的参考。同时我们开展了SiOx薄膜优化阻变特性的探究,采用不同温度热退火处理的SiOx(x=1.3)薄膜作为ITO/SiOx/Si/Al结构的阻变层,发现:在电极尺寸相同的条件下,随着退火温度的增加,该结构的高低阻态比显著提高,最高可达109;在相同的退火条件下,随着电极尺寸的减小,器件的高低阻态比也变大。X射线光电子能谱(XPS)和电子顺磁共振能谱(EPR)的分析表明:不同退火温度下形成的不同价态硅悬挂键是形成低阻态下细丝通道的主要来源;高阻态下薄膜电阻等效为体电阻随电极面积的减小而增大。椭偏的测试结果表明:经过热退火处理的SiOx薄膜折射率的增大是导致高阻态下器件电阻增大的原因。
【关键词】:浮栅存储器 纳米硅量子点 SiO_x阻变材料 硅悬挂键
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP333
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-9
  • 第一章 绪论9-22
  • 1.1 引言——微纳电子技术的发展9-10
  • 1.2 Flash存储器所面临的挑战及改进方案10-18
  • 1.2.1 传统浮栅存储器所面临的挑战11-13
  • 1.2.2 新型浮栅存储器——纳米硅量子点浮栅存储器13-14
  • 1.2.3 基于新型存储技术的非易失性存储器——阻变存储器14-18
  • 1.3 本论文的主要研究内容18-19
  • 参考文献19-22
  • 第二章 0.13μm工艺线上纳米硅浮栅存储器的制备与器件物理研究22-34
  • 2.1 引言22-23
  • 2.2 0.13μm CMOS工艺线上制备的纳米硅量子点浮栅存储单管的结构与器件特性23-32
  • 2.2.1 栅长为0.17μm的纳米硅量子点存储器单管的制备与结构表征24-27
  • 2.2.2 栅长为0.17μm的纳米硅量子点存储器单管的器件特性27-32
  • 2.3 本章小结32
  • 参考文献32-34
  • 第三章 8Kb NOR功能纳米硅量子点浮栅存储器芯片的设计34-44
  • 3.1 引言34-35
  • 3.2 8Kb纳米硅量子点浮栅存储器芯片的外围电路及NOR型架构设计35-37
  • 3.3 8Kb纳米硅量子点浮栅存储器芯片的工作参数选取37-42
  • 3.3.1 8Kb NOR功能纳米硅量子点浮栅存储阵列中操作电压的选取37-39
  • 3.3.2 8Kb NOR功能纳米硅量子点浮栅存储芯片外围读电路的设计39-42
  • 3.4 本章小结42
  • 参考文献42-44
  • 第四章 亚氧化硅(SiO_x)薄膜材料优化阻变存储特性的研究44-59
  • 4.1 引言44-45
  • 4.2 亚氧化硅SiO_x薄膜的制备和表征45-51
  • 4.2.1 亚氧化硅(SiO_x)薄膜的制备45-47
  • 4.2.2 SiO_x薄膜的XPS分析47-49
  • 4.2.3 SiO_x薄膜的EPR分析49-51
  • 4.3 ITO/SiO_x/Si/AL结构的制备和电学特性分析51-56
  • 4.3.1 ITO/SiO_x/Si/AL结构的制备51
  • 4.3.2 ITO/SiO_x/Si/AL结构的I-V特性分析51-52
  • 4.3.3 优化阻变特性与退火温度的关系52-54
  • 4.3.4 电极尺寸对SiO_x薄膜阻变特性的影响54-56
  • 4.4 本章小结56-57
  • 参考文献57-59
  • 第五章 总结与展望59-61
  • 硕士期间发表的学术论文61-62
  • 致谢62-63

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