基于自组装金属纳米晶MOS电容存储效应及其机理的研究

论文摘要

相对于传统的FLASH存储器而言,基于纳米晶（NCs）的非易失性存储器（NVM）因其离散俘获陷阱中心存储行为及对局部氧化层缺陷具有极大的免疫能力而被广泛研究,是新一代非易失存储器的最佳候选者。由于半导体纳米晶存储器很难控制俘获陷阱的能级和密度以保证器件的可靠性,金属纳米晶存储器件具有更高的编程／擦除（P/E）效率、更低的操作电压、更高的存储能力和更长的保持时间,而且制备工艺相对简单、可控性好及生长方法多样。本文综合考虑了硅表面势、热激发和库仑阻塞效应建立了瞬态电学模型,模拟了金属纳米晶存储器的载流子（电子和空穴）注入和释放过程。研究结果表明,对于厚度为2.27nm隧穿氧化层即可保证10年以上的保持时间,编程和擦除时间在±10V栅压下分别达到4.35和21.4μs。镶嵌有金属纳米晶MOS电容器的平带电压偏移量△VFB和电荷密度Qnc极大地依赖于起始扫描电压（VG）和扫描速率dV/dt,随着起始扫描电压从±2V增加到±6V,存储窗口大小从0.86V稳定增加到8.30V。当外加电压的扫描速率从10V/s降低到0.0001V/s时,存储窗口从0.11V增加到5.77V,△VFB和Qnc将达到一个饱和状态。假定扫描速率足够慢,在不同操作模式（编程和擦除操作）下,△VFB随着脉冲时间的增加迅速达到最大值,意味着电子和空穴在短时间内都具有较大载流子注入。采用磁控溅射和快速热退火（RTA）,在不同退火温度下对相同初始薄膜厚度镍薄膜退火30s,制备了基于镍纳米晶粒的金属-氧化层-半导体（MOS）电容器。获得镍纳米晶粒最佳表面形貌和最大晶粒密度时的优化退火温度为700℃,镍纳米晶粒大小均匀且相互离散,平均直径和密度分别为16.7nm和1.28×1011cm-2。MOS电容的电荷存储效应由高频电容-电压（C-V）测试所确定,随着退火温度的增加,其存储窗口先增加后减少,最大电荷存储效应也在700℃时获得。在±8V的扫描电压范围下,存储窗口为2.02V,具有最小的漏电流（1×10-9A/cm2）和较好的绝缘性能。采用一种基于磁控溅射的简单方法,在不同衬底温度（250/275/300/325℃）下制备镶嵌自组装纳米晶粒的MOS电容,其电荷注入与释放特性和存储效应也由高频C-V测试确定,随着生长温度的增加,其存储窗口先增加到最大值再降低,衬底温度为300℃时其MOS结构的存储窗口（2.78V）最大。与快速热退火法所形成的MOS器件相比较,在相同的扫描电压范围（±6V,存储窗口为1.26V）而言,此淀积自组装制备的MOS电容具有更强的电荷存储能力,且热功耗更低。另外,研究了不同操作电压和脉冲时间下器件的平带电压偏移量,当操作电压增加到±10V时出现了较大的平带电压偏移量,这表明器件发生了大量的载流子（电子和空穴）注入现象。再者,当脉冲积累时间增加到5.0s,△VFB迅速增加到饱和值,但再延长脉冲时间其值增加量非常小

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ABSTRACT

1. 绪论

1.1 引言

1.1.1 SONOS存储器

1.1.2 纳米晶存储器

1.2 金属纳米晶存储器的结构及工作原理

1.2.1 读出机制

1.2.2 编程、擦除机制

1.2.3 保存机制

1.3 金属纳米晶存储器的制备工艺

1.3.1 快速热退火

1.3.2 淀积自组装法

1.3.3 混合淀积法

1.3.4 离子注入法

1.4 研究意义及主要内容

2. 镍金属纳米晶MOS电容存储机制的理论模拟

2.1 瞬时电学模型

2.1.1 库仑阻塞与量子限制效应

2.1.2 MOS结构中各层电场强度与电压

2.1.3 电荷注入机制

2.1.4 电荷移除机制

2.1.5 电学性质

2.2 模拟结果讨论

2.2.1 存储特性

2.2.2 C-V曲线模拟

2.2.3 脉冲

2.3 小结

3. 快速热退火法制备镍金属纳米晶

3.1 前言

3.1.1 磁控溅射原理及设备介绍

3.1.2 快速升温炉

3.1.3 真空镀膜

3.1.4 薄膜物性表征

3.1.5 MOS结构电学性质

3.2 镍纳米晶MOS电容的制备

3.2.1 基片预处理

3.2.2 样品制备过程

3.3 实验结果分析

3.3.1 不同退火条件对镍纳米晶表面形貌的影响

3.3.2 C-V曲线和电荷存储特性

3.3.3 I-V曲线

3.4 小结

4. 淀积自组装法制备镍金属纳米晶

4.1 淀积自组装法制备金属纳米晶

4.1.1 机理研究

4.1.2 实验方案

4.2 实验结果研究

4.2.1 扫描电压范围对C-V曲线和存储窗口的影响

4.2.2 生长温度对C-V曲线和存储窗口的影响

4.2.3 脉冲操作对C-V曲线和存储窗口的影响

4.3 小结

5. 结论

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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