1 «Μνήμες με νανοκρυσταλλίτες πυριτίου » Δρ. Α. Σαλωνίδου Σχολική Σύμβουλος Φυσικών Ραδιοηλεκτρολόγων, Α ΄ Αθήνα ς ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ 2008

2 ΗΜΙΑΓΩΓΙΚΕΣ ΜΝΗΜΕΣ Εισαγωγή / Α.Σαλωνίδου ΠΤΗΤΙΚΕΣ ΜΗΠΤΗΤΙΚΕΣ μνήμες ανάγνωσης- εγγραφής (RWM ή RAM) Μη πτητικές NVRWMΜνήμες μόνο ανάγνωσης (ROM) Στατικές (SRAM) Δυναμικές (DRAM) EPROM EEPROM FLASH Προγραμματιζόμενες κατά την κατασκευή τους (PROM)

3 Poly-Si SiO 2 gate SiO 2 Si-substrate Source Drain Συμβατικό MOSFET αιωρούμενης πύλης

4 FLOATING GATE MEMORY Floating gate πύλη απαγωγόςπηγή n+n+ n+n+ υπόστρωμα G D S 20V 0V 5V SS SD DD 10V->5V-5V-2.5V έγχυση φορέων Μετά την αφαίρεση της τάσης Μετά τον προγραμματισμό παγιδευμένο φορτίο στην FG υψηλότερο V T πάχη οξειδίου 100nm προγραμματισμός V ανάγνωση 3-5 V Χρόνος πρόσβασης 58nsec Χρόνος διαγραφής 4sec Χρόνος προγραμματισμού/λέξη 5μsec Κύκλοι εγγραφής/διαγαφής

5 Μη πτητική μνήμη νανοκρυσταλλιτών FG Nc memory ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ  Λεπτό tunneling οξείδιο  Υψηλότερες ταχύτητες  Χαμηλότερη κατανάλωση ισχύος  Μεγαλύτερη αξιοπιστία Η εξέλιξη της τεχνολογίας CMOS μείωση των διαστάσεων των τρανζίστορ [μήκος του καναλιού < 35nm (SIA roadmap)] αύξηση της πυκνότητας ολοκλήρωσης χαμηλότερες τάσεις λειτουργίας χαμηλή κατανάλωση ισχύος χαμηλό ρεύμα διαρροής δια μέσου του διηλεκτρικού (< A/cm 2 ) μεγάλο χρόνο διατήρησης των αποθηκευμένων δεδομένων (~10 έτη) Εισαγωγή / Α.Σαλωνίδου

6 Silicon Nanocrystal MOSFET Si-nc gate Si-substrate Source Drain

7 ΦΥΣΙΚΗ ΗΜΙΑΓΩΓΩΝ ΧΑΜΗΛΩΝ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ Εκτεταμένος τρισδιάστατος ημιαγωγός Si (bulk) E g =1.1eV Νανοκρυσταλλικό πυρίτιο Eg + ΔΕ confinement Κβαντικός εντοπισμός (Quantum confinement) Ε g (d)= ,34/d 1,37 (eV) Wang and Zunger Ec Ev Εισαγωγή / Α.Σαλωνίδου

8 Φόρτιση- «Φραγή» Coulomb Charging / Coulomb blockade sourcedrain Control gate Χωρίς πόλωση Φραγή εισαγωγής του επόμενου ηλεκτρονίου Με πόλωση Ενέργεια φόρτισης E c =e 2 /2C Εισαγωγή / Α.Σαλωνίδου

9 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΣΕ ΛΕΠΤΟ ΟΞΕΙΔΙΟ Τεχνικές εμφύτευσης Τεχνικές εναπόθεσης

10 ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΝΑΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ ΣΕ ΛΕΠΤΟ ΟΞΕΙΔΙΟ Εναπόθεση α-Si με LPCVD και οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία  Θερμική οξείδωση για την ανάπτυξη λεπτού οξειδίου πυριτίου (tunneling) πάνω στο υπόστρωμα.  Εναπόθεση λεπτού υμενίου άμορφου πυριτίου με διαδικασία χημικής εναπόθεσης ατμών με χαμηλή πίεση (LPCVD).  Οξείδωση και ανόπτηση του άμορφου πυριτίου για τη δημιουργία του στρώματος των νανοκρυσταλλιτών και του οξειδίου ελέγχου. Τεχνικές κατασκευής / Α.Σαλωνίδου

11 ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ SiO 2 α-Si SiO 2 Al Α. ΟΞΕΙΔΩΣΗ Β. ΕΝΑΠΟΘΕΣΗ α-Si Γ.ΟΞΕΙΔΩΣΗ α-Si - ΑΝΟΠΤΗΣΗ Si-υπόστρωμα nc-Si Τεχνικές κατασκευής / Α.Σαλωνίδου

12  Οι συνθήκες εναπόθεσης του υλικού (πίεση, θερμοκρασία, χρόνος, ρυθμός)  Ο χρόνος και η θερμοκρασία οξείδωσης  Η θερμοκρασία ανόπτησης Παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος και την πυκνότητα των νανοκρυσταλλιτών Τεχνικές κατασκευής / Α.Σαλωνίδου

13 Εικόνες μικροσκοπίας TEM εγκάρσιας διατομής ASP1 SiO 2 6nm – α-Si 9nm 5nm 20nm p-type υπόστρωμα + οξείδιο(6nm)+στρώμα α-Si (300mTorr-580ºC) χωρίς οξείδωση Δομικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

14 Bottom oxide Control oxide 5nm Tunneling oxide ~3.5nm Control oxide Εικόνες μικροσκοπίας ΤΕΜ σκοτεινού πεδίου εγκάρσιας διατομής δείγμα ASP3 δείγμα ASP4 Δομικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

15 Εικόνες TEM κάτοψης σκοτεινού πεδίου (α), (β), (γ) για το δείγμα ASP4 που υποβλήθηκε σε επεξεργασία με HF και (δ) για το δείγμα L 21, χωρίς επεξεργασία με HF πριν από την εναπόθεση LPCVD αβ δ γ (900ºC-20min) Δομικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

16 Διάταξη νανοκρυσταλλιτών Control oxide tunneling oxide gate 3.5nm

17 TEM σκοτεινού πεδίου εγκάρσιας διατομής p-type υπόστρωμα + οξείδιο(60 Ǻ)+στρώμα nc-Si (300mTorr-580ºC)+ οξείδωση(900ºC-20min)+ανόπτηση Asp7 (900ºC/1h) SiO 2 6nm - ncSi 3.9 nm - SiO 2 10 nm Asp8 (1100ºC/1h) Si SiO 2 nc-Si Si nc-Si SiO 2 5nm Δομικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

18 Μη πτητική μνήμη νανοκρυσταλλιτών Νανοκρυσταλλίτες πυριτίου σε πολύ λεπτά υμένια SiO 2 Χρησιμοποιήθηκαν λεπτά οξείδια (πάχους 3-4 nm) ως πρώτο στρώμα για την εναπόθεση συστοιχιών ημιαγώγιμων νανοκρυσταλ- λιτών που κατόπιν οξειδώθηκαν για να ληφθεί η δομή SiO 2 /Si QDs /SiO 2. -ηλεκτρικός χαρακτηρισμός με μετρήσεις I-V και C-V (Πηγή τάσης HP 4140B) (μετρητής HP4284A LCR) Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

19 Κατασκευή δομών MOS με ενσωματωμένους νανοκρυσταλλίτες n-τύπου υπόστρωμα Si με ειδική αντίσταση 5-10 Ω.cm ξηρή οξείδωση στους 850 ο C / 8min για οξείδιο πάχους 3.5nm Εμβάπτιση του δείγματος σε διάλυμα HF 0.05% (20sec) Εναπόθεση λεπτού στρώματος Si με διεργασία LPCVD 580 ο C /300mTorr. Ξηρή οξείδωση 900 ο C για 20min. Ανόπτηση των δειγμάτων 900 ο C ή 950 ο C ή 1000 ο C /1 h Εναπόθεση αλουμινίου πύλης Ανόπτηση με forming –gas (Η2 / Ν2) (350 ο C - 30 min) n-τύπου υπόστρωμα Si με ειδική αντίσταση 5-10 Ω.cm ξηρή οξείδωση στους 850 ο C / 8min για οξείδιο πάχους 3.5nm Εμβάπτιση του δείγματος σε διάλυμα HF 0.05% (20sec) Εναπόθεση λεπτού στρώματος Si με διεργασία LPCVD 580 ο C /300mTorr. Ξηρή οξείδωση 900 ο C για 20min. Ανόπτηση των δειγμάτων 900 ο C ή 950 ο C ή 1000 ο C /1 h Εναπόθεση αλουμινίου πύλης Ανόπτηση με forming –gas (Η2 / Ν2) (350 ο C - 30 min) Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

20 ΠΙΝΑΚΑΣ I ΔείγμαΣυνθήκες εναπόθεσης Si LPCVD πάνω σε SiO 2 πάχους 3.5 nm Ανόπτηση προ της οξείδωσης μέσα σε N 2 Θερμοκρασία και διάρκεια οξείδωσης Ανόπτηση μετά την οξείδωση μέσα σε N 2 Πάχη δημιουργούμενων στρωμάτων: SiO 2 /α-or nc-Si/ SiO 2 S1580 ο C/300mTorr/3min 900 ο C/5 min900 ο C/ 20min 900 ο C/ 1h3.5nm/ nc-Si 3.7nm/10nm S3S3580 ο C/300mTorr/3min 900 ο C/ 5 min900 ο C / 20min 1100 ο C/1h3.5nm/ nc-Si 3.9nm/10nm Ωμική επαφή Οξείδιο σήραγγας Ηλεκτρόδιο πύλης Al οξείδιο ελέγχου n-τύπου Si Νανοκρυσταλλίτες Si Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

21 Ηλεκτρικές Μετρήσεις – πειραματικά αποτελέσματα Ι-V χαρακτηριστικές Staircase J-V characteristics voltage step 0.1V. step delay time sec. voltage sweep 0 to 8V. Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

22 καμπύλη A = αρχική καμπύλη πριν την φόρτιση της δομής καμπύλες B και C =μετά από εφαρμογή τάσης -8V and 8V αντίστοιχα Φόρτιση των δομών ανόπτηση στους 900 o C Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός / Α.Σαλωνίδου

23 Ηλεκτρικές μετρήσεις χαρακτηριστικών I DS -V GS σε μνήμες νανοκρυσταλλιτών πυριτίου τύπου MOSFET gate Si-ncs Source Drain Control oxide Tunnel oxide ΔείγμαΣυνθήκες εναπόθεσης Si LPCVD πάνω σε SiO 2 πάχους 3.5 nm Ανόπτηση προ της οξείδωσης μέσα σε N 2 Θερμοκρασία και διάρκεια οξείδωσης Ανόπτηση μετά την οξείδωση μέσα σε N 2 Πάχη δημιουργούμενων στρωμάτων: SiO 2 /α-or nc-Si/ SiO 2 Κ8Κ8580 ο C/300mTorr/3min 900 ο C/10 min900 ο C/20min900 ο C/30min3.5nm/nc-Si 3.5nm/10nm ΠΙΝΑΚΑΣ Μνήμες νανοκρυσταλλιτών πυριτίου / Α.Σαλωνίδου

24 Χαρακτηριστική καμπύλη μεταφοράς του τρανζίστορ ύστερα από την εφαρμογή παλμών πλάτους +8/-7V και διάρκειας 100ms για λειτουργία W/E για το δείγμα Κ8 Χαρακτηριστικές W/E κάτω από συνθήκες πλήρους διαγραφής /εγγραφής της μνήμης για το δείγμα Κ8. Παράθυρο μνήμης 0.4 V Μνήμες νανοκρυσταλλιτών πυριτίου / Α.Σαλωνίδου

25 ΔΕ=E CB +E QC 3.5nm 1.5nm κανάλι SiO 2 Μονό στρώμα dots Si Διπλό στρώμα dots Si Si dot Πάνω Si dots Κάτω Si dotsΕΕ Ενεργειακό διάγραμμα ζωνών με χαμηλή τάση πύλης V G >0 για δομές (α) με μονό και (β) με διπλό στρώμα νανοκρυσταλλιτών. Νανοκρύσταλλοι Si Πάνω στρώμα Κάτω στρώμα Οξείδιο ελέγχου Οξείδιο σήραγγας Δομές με διπλά στρώματα nc-Si / Α.Σαλωνίδου

26 nc-Si(3nm)nc-Si(5nm) 20nm : Εικόνα μικροσκοπίας TEM σκοτεινού πεδίου εγκάρσιας διατομής του δείγματος L Δομές με διπλά στρώματα nc-Si / Α.Σαλωνίδου

27 SiO 2 0.1V 0.45V κανάλι πύλη Z.A. SiO 2 0.6V 0.2V κανάλι πύλη Z.A. (α) Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών της δομής (δείγμα L) χωρίς αρχική πόλωση (β) Διάγραμμα ενεργειακών ζωνών της δομής μετά την φόρτιση με θετική τάση πύλης 8V. Στην περίπτωση αυτή στην ενέργεια της στάθμης του νανοκρυσταλλίτη προστίθεται η ενέργεια φόρτισης Δομές με διπλά στρώματα nc-Si / Α.Σαλωνίδου

28 Παράθυρο μνήμης για το δείγμα Pc2 Ολίσθηση της τάσης επιπέδων ζωνών σαν συνάρτηση του χρόνου ύστερα από την εφαρμογή στιγμιαίας τάσης –8V στο δείγμα Pc2 Διάγραμμα διατήρησης φορτίου για το δείγμα L (κύκλοι) με διπλό στρώμα νανοκρυσταλλιτών σε σύγκριση με το δείγμα S1 με ένα μόνο στρώμα νανοκρυσταλλιτών (κλειστά τετράγωνα). Δομές με διπλά στρώματα nc-Si / Α.Σαλωνίδου

29 Αποτελέσματα-. συμπεράσματα Με την τεχνική της χημικής εναπόθεσης Si από ατμό ακολουθούμενη από ανόπτηση και οξείδωση σε υψηλή θερμοκρασία κατασκευάστηκαν δισδιάστατες σειρές νανοκρυσταλλιτών πυριτίου ενσωματωμένες μέσα στο οξείδιο πύλης πυκνωτών MOS και τρανζίστορ MOSFET. ¨Έγινε δομικός χαρακτηρισμός με μικροσκοπία ΤΕΜ και εκτεταμένες ηλεκτρικές μετρήσεις με σκοπό τον πλήρη χαρακτηρισμό τους. Μετρήθηκε η μεταβολή της τάσης κατωφλίου της δομής κάτω από συνθήκες φόρτισης του στρώματος νανοκρυσταλλιτών της πύλης, καθώς και το παράθυρο μνήμης που παρουσιάζουν οι δομές αυτές. Το παράθυρο μνήμης που παρουσίασαν οι διατάξεις αυτές ήταν ικανοποιητικό με τιμή περίπου 0.5V. για βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών λειτουργίας των μνημών κατασκευάστηκαν δομές με διπλό στρώμα νανοκρυσταλλιτών ενσωματωμένο στο οξείδιο πύλης με πολύ καλά αποτελέσματα στην συγκράτηση του αποθηκευμένου φορτίου. Η προτεινόμενη διαδικασία για την κατασκευή νανοκρυσταλλιτών Si ανάμεσα σε πολύ λεπτά στρώματα SiO 2 είναι μια απλή και αξιόπιστη διαδικασία

30 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Salonidou Α., Nassiopoulou A. G., Giannakopoulos K., Travlos A., Ioannou-Sougleridis V.and Tsoi E. (2004) “Growth of two-dimensional arrays of silicon nanocrystals in thin SiO2 layers by Low Pressure Chemical Vapor Deposition and high temperature annealing / oxidation. Investigation of their charging properties.” Nanotechnology Tsoi E, Normand P, Nassiopoulou A G, Ioannou-Sougleridis V., Salonidou A and Giannakopoulos K, (2005) «Silicon nanocrystal memories by LPCVD of amorphous silicon, followed by solid phase crystallization and thermal oxidation», Second Conference on Microelectronics, Microsystems and Nanotechnology, Journal of Physics, Conference Series Nassiopoulou A.G., (2004) Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, edited by N.S. Nalwa, vol. 9 ( ) Davies John, (1998) “The Physics of Low-Dimensional Semiconductors”, Cambridge University Press Kelly M. J., (1996) “Low-Dimensional Semiconductors, Materials, Physics, Technology, Devices”, Oxford University Press Silicon Storage Technology Inc., “FLASH MEMORY 1998 DATA BOOK”, pp (6.1) – (6.42)

31 « Μνήμες με νανοκρυσταλλίτες πυριτίου » ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ 2008 Α. Σαλωνίδου