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《南京大学》 2013年
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纳米硅量子点MOS结构及纳米硅量子点非挥发性浮栅存储器的研究

钱昕晔  
【摘要】:微电子学在当今新技术革命中占有核心地位,大规模集成电路的普遍使用既是微电子学发展的重要成果,也是其重要标志。然而随着器件尺寸的不断缩小,使得传统的微电子器件的基本运行方式变得越来越不适用,电荷的量子化,能量的量子化效应在此类器件中起到举足轻重的作用,传统的微电子工艺也受到了严重的挑战。为了迎接这些挑战,科学家和企业家不约而同地将目光瞄向了新一代的电子器件—纳米电子器件的研发,从而使微电子器件进入了纳米电子学的范围。而纳米器件则是大规模集成电路向"速度更快"、"体积更小"、“功耗更低”目标发展的重要前提或基础,它代表着整个信息技术材料的发展方向。随着功能镶嵌型集成电路的发展和信息功能数字化的需求,半导体存储器在大规模集成电路中所占的比例越来越高,因此研制出性能更佳的存储器对纳米电子学及信息技术的发展具有重大影响和意义。本文致力于研究和制备基于纳米硅量子点的非挥发性浮栅存储器。为了使该存储器的有关性能不仅能达到集成电路的实际设计要求,而且能达到国际当前水平,首先以半导体量子结构的有关量子限制效应、库仑阻塞效应、单电子共振隧穿等理论模型为指导,利用Layer-by-Layer技术结合等离子氧化的方法,在PECVD系统中制备了 Si02/nc-Si/Si02不对称双势垒结构,并且用I-V测试方法研究了其电学特性,首次在I-V曲线上同时观察到由于量子限制效应和库仑阻塞效应所引起的电子充电峰和空穴充电峰,理解了电荷在纳米硅量子点中的输运和存储机制。为了更进一步证实纳米硅量子点的存储功能,我们使用原子力显微镜(AFM)中的开尔文探针力显微技术(KPFM),通过电势图的扫描,直接观察到电子和空穴注入到硅量子点中引起的表面电势差变化。在此基础上制备出SiNx/nc-Si/SiO2浮栅MOS结构,研究了含有nc-Si量子点MOS结构的存储特性,证明了 MOS结构C-V特性曲线中平带电压的移动确实是由于nc-Si量子点的电荷存储功能引起的。同时研究了退火对C-V特性的改善作用,从而为基于纳米硅量子点非挥发性浮栅存储器的制备奠定了理论和实验的基础。为了将nc-Si量子点的电荷存储特性成功的应用到MOSFET浮栅存储器中:在国家重大基础研究项目的支持下,我们通过与华晶微电子公司合作,成功地探索出制备超薄隧穿氧化层、纳米硅量子点以及控制层的关键工艺,并根据华晶现有的5英寸标准CMOS工艺流水线设计出一套光刻掩膜版和工艺流程,制备出具有源漏结构的nc-Si量子点浮栅存储器MOSFET结构。经过实验室的严格测试,证明该结构具有良好的电学特性和擦写与保存功能。同时,为了检验存储器单管在存储矩阵中的实际功能,还将nc-Si量子点存储器单管排列成NOR功能的4×4矩阵存储原型器件,经过测试,证明其在NOR结构矩阵中可以有效地进行读写和擦除操作。为了寻找纳米硅量子点存储器的最佳结构参数,本文对存储器的三层核心结构:超薄隧穿氧化层厚度、量子点的尺寸、控制层厚度进行了研究,深入理解了nc-Si量子点存储器的器件特性与核心结构的结构参数之间的依赖关系:当隧穿层约为2.5nm时虽然存储速度比较快,但电荷容易泄漏,器件不能够保持足够大的电荷存储窗口。隧穿层4.5nm时虽然电荷的保持时间增加了,但电荷存储窗口比较小,电荷写入和擦除速度也比较慢,而3.5nm左右的隧穿层既能保证擦写窗口和速度也可以有效的保存存储的电荷;30nm的SiNx控制层不但可以保证较大的存储窗口和较快的擦写速度,并且作为电荷阻挡层,阻止了存储在nc-Si量子点中的电荷从栅极泄漏出去;纳米硅量子点的尺寸为15nm时既能使nc-Si量子点存储器得到较好的阈值电压单分散性,同时也能使nc-Si量子点存储器有较大电荷存储窗口和较快的电荷擦写速度。为了把华晶5英寸流水线上制备的nc-Si量子点存储器的栅长进一步缩小,以适应大规模集成电路集成度提高对器件尺寸的要求,我们对栅长1μm阿和3μm的nc-Si量子点存储器与其电学特性之间的关系进行了深入研究,从而为改善纳米硅量子点存储器的器件性能指明了方向。为进一步提高存储器单管各方面的器件特性,本文从理论和实验两个方面研究了经过氮化处理后的nc-Si量子点存储器的有关电学性能的改善,搞清楚了nc-Si量子点经过氮化处理后,钝化了 nc-Si量子点表面的悬挂键,并且大大降低了 nc-Si/SiNx界面处的界面态密度,增大了栅极电压对MOSFET器件的控制能力,这不仅增大了器件的存储窗口,而且也增加了器件的擦写速度。同时,对nc-Si量子点进行氮化处理时,在隧穿层SiO2和nc-Si量子点之间增加了一层SiNx势垒,这层SiNx势垒可以有效地降低电荷泄漏回衬底沟道中的几率,并且使nc-Si量子点之间相互独立,减少了电流的横向侧漏,延长了存储器的保持时间。在上述对华晶5英寸CMOS流水线上制备的nc-Si量子点存储器器件特性改善研究的基础上,我们得到国家重大基础研究项目的持续支持,在上海中芯国际(SMIC)的0.13μm、8英寸标准CMOS工艺流水线上制备出栅长为0.176μm的纳米硅量子点浮栅存储器。经过严格测试,并且与国际上报导的nc-Si量子点浮栅存储器的器件特性进行比较,证明了我们应用了 nc-Si量子点氮化技术制备的nc-Si量子点浮栅MOSFET非挥发性存储器的器件性能达到了国际当前水平。其亚阈值摆幅小于0.15V/decade,已经很接近理论极限值0.06V/decade;开关比On/Offratio大于106,可以准确的识别存储态与擦除态;擦写脉冲电压为±7V/1ms,远低于传统的多晶硅浮栅存储器15V的操作电压,大大降低了功耗;存储窗口大于1.5V,超过电路设计要求的最低0.5V的存储窗口;保持时间达到10年以上。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TN386;TP333

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