原子层淀积铂纳米晶及其存储效应研究

论文摘要

随着半导体工艺技术的不断发展,芯片的特征尺寸不断减小,传统的基于多晶硅浮栅快闪存储器正面临着严峻的挑战。而基于分离节点存储的金属纳米晶存储器,可以实现在较薄的隧穿层下具有良好的数据保持能力,以及低工作电压下的快速擦写功能,因此可望应用于下一代快闪存储器。本文基于原子层淀积技术,探索了原子层淀积铂纳米晶的工艺条件,并对原子层淀积的铂纳米晶进行快速热退火研究,最后研究了原子层淀积铂金属纳米晶的存储特性。具体内容包括以下三个部分：（1）采用（MeCp）Pt（CH3）3和O2作为反应源,探索了原子层淀积铂金属纳米晶的工艺条件（包括衬底温度、反应源脉冲时间、反应循环数）,并对其材料特性进行了表征分析。结果表明,本实验最适宜的衬底温度和前驱体（MeCp）Pt（CH3）3脉冲时间分别为300℃和1s。在上述条件下,当反应循环数到达70,所淀积的铂颗粒分离清晰、分布均匀、密度高（-2×1012cm-2）。随着反应循环数的不断增加,相邻铂纳米晶之间发生相连,并最终形成薄膜。此外,本文比较了在不同衬底表面（如单晶硅、Si02和A1203表面）原子层淀积铂纳米晶的生长特性,结果表明单晶Si表面不利于实现Pt的原子层淀积生长；Si02和A1203表面均支持Pt的原子层淀积生长,即Pt首先以纳米颗粒形式生长,然后逐渐相连形成薄膜；A1203表面比Si02表面更容易实现Pt的原子层淀积生长。（2）采用快速热退火的方法,对原子层淀积的铂纳米晶进行了不同条件下的后退火研究,探究了退火温度和退火时间对Pt纳米晶改性作用。结果表明,随着退火温度从700℃上升到900℃,颗粒尺寸逐渐增大,颗粒之间分离变得更清晰,外形愈加趋向球形,但颗粒密度从700℃退火后的9.94×1011cm-2逐渐减小到900℃退火后的8.31×1011cm-2。在800℃下退火时,随着退火时间从15s增加到60s,Pt纳米颗粒的尺寸也逐渐增大,但尺寸分布变得更加弥散,颗粒密度从9.29x1011cm-2降低到4.50×1011cm-2。此外,当退火温度升高到900℃时,Pt纳米颗粒中出现部分氧化态的Pt原子,这可能是由于高温下Pt纳米颗粒与A1203之间发生了界面反应。（3）采用原子层淀积的Pt金属纳米晶作为存储媒介,同时采用原子层淀积的A1203为隧穿介质层和电荷阻挡层,制备了MOS存储电容器,并对其存储特性进行了研究。结果表明,在+/-15V的电压扫描范围内,所得到的C-V滞回窗口达到10.2V,远远大于没有Pt纳米晶时的0.28V；+/-12V分别编程/擦除100μs后,所得到的存储窗口达到5.1V；当编程/擦除时间分别延长到1ms后,所得的存储窗口高达8.2V,其在室温下外推至十年后,仍有5.3V的大的存储窗口。上述结果揭示了该MOS结构具有良好的编程和擦除特性,以及优良的的电荷保持能力。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 FLASH存储单元的工作原理及可靠性
• 1.2.1 Flash存储单元的基本原理
• 1.2.2 Flash存储单元的编程和擦除机制
• 1.2.3 传统Flash存储单元的可靠性
• 1.3 金属纳米晶存储器工作原理及金属纳米晶的制备方法
• 1.3.1 金属纳米晶存储器的工作原理
• 1.3.2 金属纳米晶存储器中纳米晶的特性要求
• 1.3.3 金属纳米晶的制备方法
• 1.4 原子层淀积的基本原理及应用
• 1.4.1 原子层淀积技术的基本原理
• 1.4.2 原子层淀积技术的参量
• 1.4.3 原子层淀积金属薄膜及金属纳米颗粒介绍
• 1.5 本章小结
• 第二章 原子层淀积铂纳米晶及其性能表征
• 2.1 引言
• 2.2 实验方案
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 不同衬底温度对Pt纳米颗粒生长的影响
• 2.3.2 不同铂前驱体脉冲时间对Pt纳米颗粒生长的影响
• 2.3.3 不同反应循环数对Pt纳米颗粒生长的影响
• 2.3.4 不同衬底对Pt纳米颗粒生长的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 原子层淀积铂纳米晶的快速热退火研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验方案
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 退火温度对Pt纳米晶颗粒形貌的影响
• 3.3.2 退火温度对Pt纳米晶颗粒化学成分的影响
• 3.3.3 退火时间对Pt纳米晶颗粒形貌的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于原子层淀积Pt纳米晶的MOS电容存储效应研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验方案
• 4.3 实验结果及讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士阶段取得的学术成果
• 致谢