Δομή μη πτητικής μνήμης MOS με μεταλλικούς νανοκρυστάλλους ανοπτημένους με laser
Authors: Καστάνης Λουκάς 
Published: May 2021

Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι, η κατασκευή μη πτητικών μνημών αποθήκευσης δεδομένων. Μελετάται η ανάπτυξη μεταλλικών νανοκρυστάλλων υψηλής πυκνότητας ομοιογενώς διεσπαρμένων και ομοιόμορφου μεγέθους, με τη χρήση laser. Η προσπάθεια επίτευξης βέλτιστων χαρακτηριστικών των μεταλλικών νανοκρυστάλλων, επιτυγχάνεται μεταβάλλοντας συνδυαστικά, την ακτινοβολούμενη ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας, καθώς και τον αριθμό των παλμών του laser. Απώτερος σκοπός είναι, η κατασκευή διατάξεων Μετάλλου-Οξειδίου-Ημιαγωγού (MOS) που εμπεριέχουν τους νανοκρυστάλλους από μέταλλο στην διεπιφάνεια SiO2 και ενός διηλεκτρικού στρώματος υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Μελετάται η μεταβολή των χαρακτηριστικών αυτών των δομών πριν και μετά την ακτινοβόληση, επίσης, η λειτουργία τους ως στοιχεία μνήμης, η διατήρηση του ηλεκτρικού φορτίου συναρτήσει του χρόνου (retention) καθώς και η αντοχή (endurance) σε διαδοχικούς κύκλους προγραμματισμού-διαγραφής.Μεταλλικοί νανοκρύσταλλοι σχηματίζονται μετά από ανόπτηση με laser λεπτού μεταλλικού υμενίου, που έχει εναποτεθεί πάνω σε SiO2. Τα μέταλλα τα οποία μελετήθηκαν για την κατασκευή των νανοκρυστάλλων είναι, ο άργυρος (Ag) και ο χρυσός (Au). Η ανάπτυξη του λεπτού μεταλλικού στρώματος, έγινε σε θάλαμο υψηλού κενού, με την τεχνική της ιοντοβολής (Sputtering).Εξετάζεται η επιρροή των χαρακτηριστικών της δέσμης laser στα φυσικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά των νανοκρυστάλλων, που δημιουργούνται κατά την ανόπτηση. Στη συνέχεια, κατασκευάζονται δομές MOS οι οποίες περιέχουν τους κατασκευασμένους με laser νανοκρυστάλλους και διερευνάται η λειτουργία των δομών αυτών ως στοιχείων μνήμης. Η ανάπτυξη των νανοκρυστάλλων, αποτελεί βασικό στάδιο, για την κατασκευή διατάξεων ενός ηλεκτρονίου, οι οποίες είναι πιθανό να αποτελέσουν τη βάση της νανοηλεκτρονικής τεχνολογίας στο μέλλον.Η συγκεκριμένη μη πτητική μνήμη, βασίζεται στην αρχή λειτουργίας της μη πτητικής μνήμης αιωρούμενης πύλης (Floating gate). Η μνήμη αιωρούμενης πύλης αποτελείται, από την πλωτή πύλη (π.χ. poly-Si, μέταλλο), από ένα σχετικά παχύ στρώμα οξειδίου υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (οξείδιο ελέγχου), την αιωρούμενη πύλη και ένα λεπτό στρώμα διοξειδίου του πυριτίου (οξείδιο της σήραγγας) πάνω σε n-Si/p-Si. Στη μνήμη MOS με νανοκρυστάλλους από μέταλλο, οι νανοκρύσταλλοι είναι ενσωματωμένοι στη διεπιφάνεια του οξειδίου ελέγχου και του οξειδίου της σήραγγας, με το διπλό στρώμα των οξειδίων να δημιουργεί έντονο ηλεκτρικό πεδίο στο οξείδιο της σήραγγας, με συνέπεια να ελαττώνεται η τάση λειτουργίας της διάταξης. Ένα άλλο πλεονέκτημα της διάταξης με μεταλλικούς νανοκρυστάλλους, είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί μεγάλη ποικιλία από μέταλλα. Τα μέταλλα έχουν μεγάλη ποικιλία στα έργα εξόδου, κάτι που επιτρέπει την μεταβολή του βάθους του φρεατίου δυναμικού, συνεπώς της παγίδευσης των φορτίων εντός των νανοκρυστάλλων. Τα χαρακτηριστικά της υστέρησης και ο χρόνος συγκράτησης φορτίου (retention) βελτιώνονται, εάν χρησιμοποιηθούν μέταλλα με μεγάλο έργο εξόδου.Στη διατριβή παρουσιάζονται τα βήματα κατασκευής της μνήμης. Με ξηρή οξείδωση του πυριτίου κατασκευάζεται SiO2. Τα οξείδια υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς, Y2O3 και Al2O3, κατασκευάζονται με τις μεθόδους, RF Magnetron Sputtering και της εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD), αντίστοιχα. Η εναπόθεση αυτών των στρωμάτων γίνεται σε χαμηλή θερμοκρασία, για να αποφευχθεί η διάχυση των μεταλλικών νανοκρυστάλλων, καθώς και για αποφυγή της επίδρασης της ανάπτυξης των διηλεκτρικών αυτών στρωμάτων στη μορφολογία που έχει επιτευχθεί αρχικά με το laser.Οι μνήμες έχουν δομή n-Si(100)/SiO2/μεταλλικοί νανοκρύσταλλοι (NCs)/οξείδιο υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς/μέταλλο-πύλη. Επίσης κατασκευάστηκαν δείγματα αναφοράς που δεν περιέχουν νανοκρυστάλλους (MOS), για να διαβεβαιωθεί ότι η υστέρηση και τα χαρακτηριστικά μνήμης που μετριούνται οφείλονται στην παρουσία των νανοκρυστάλλων. Τα δομικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των δομών έχουν μελετηθεί εκτενώς, με σκοπό να διερευνηθεί η αποτελεσματικότητα της μεθόδου ανόπτησης με laser, για την παραγωγή διατάξεων μνήμης που βασίζονται σε μεταλλικούς νανοκρυστάλλους. Συγκεκριμένα, η ανόπτηση του λεπτού μεταλλικού στρώματος γίνεται με laser φθοριούχου κρυπτού (KrF), με μήκος κύματος 248nm που βρίσκεται στο βαθύ υπεριώδες, για να επιτευχθούν ομοιόμορφα κατανεμημένοι νανοκρύσταλλοι με μέση διάμετρο ~17nm. Καλύτερα αποτελέσματα για τους νανοκρυστάλλους χρυσού ελήφθησαν με τη χρήση ακτινοβολούμενης ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας 200-500mJ/cm2 και με μικρό αριθμό παλμών laser (1-6). Ο δομικός χαρακτηρισμός, με χρήση μικροσκοπίου SEM και ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός με μετρήσεις (C-V) και (I-V), αποκάλυψε καλή συμπεριφορά σε φόρτιση/εκφόρτιση και παράθυρο μνήμης γύρω στα 4V και 14V, για δομές με οξείδιο φραγής Y2O3 και Al2O3 αντίστοιχα. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έδειξε ότι η ανόπτηση με laser, είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνική για την κατασκευή διατάξεων μνήμης.Από τον ηλεκτρικό και δομικό χαρακτηρισμό των δομών που μελετήθηκαν, αποδεικνύεται ότι πράγματι λειτουργούν ως στοιχεία μνήμης, εμφανίζοντας μεγάλα παράθυρα μνήμης, καλά αποτελέσματα στην συγκράτηση του ηλεκτρικού φορτίου, όπως και σε διαδοχικούς κύκλους προγραμματισμού-διαγραφής. Έναντι των συνηθισμένων μνημών, οι δομές αυτές εμφανίζουν σημαντικά πλεονεκτήματα, τα οποία απορρέουν από το γεγονός ότι η λειτουργία τους βασίζεται στη μετακίνηση και αποθήκευση εντός των νανοκρυστάλλων ενός πολύ μικρού αριθμού ηλεκτρικών φορτίων και όχι εκατοντάδων, όπως συμβαίνει στις συνηθισμένες μνήμες.Στο 1ο Κεφάλαιο της Διατριβής, γίνεται σύντομη περιγραφή των υπαρχόντων δομών μνήμης, καθώς και η περιγραφή της λειτουργίας των δομών MOS με νανοκρυστάλλους ως στοιχεία μνήμης. Επίσης, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των δομών αυτών. Τέλος, τονίζονται τα πλεονεκτήματα εφαρμογής ανοπτημένων με laser μεταλλικών νανοκρυστάλλων, έναντι άλλων μεθόδων κατασκευής.Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική περιγραφή του τρόπου κατασκευής των διατάξεων μνήμης, των πειραματικών διατάξεων και των συνθηκών που χρησιμοποιήθηκαν, τόσο για την ανάπτυξη των νανοκρυστάλλων, όσο και των δομών MOS που περιέχουν νανοκρυστάλλους στην διεπιφάνεια των οξειδίων(SiO2/Y2O3 ή SiO2/Al2O3). Επίσης, παρουσιάζεται η θερμική οξείδωση για να παραχθεί ένα λεπτό στρώμα SiO2 καθώς και η εναπόθεση στρωμάτων Y2O3 και Al2O3.Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζεται ο δομικός χαρακτηρισμός των νανοκρυστάλλων, καθώς και των δομών που κατασκευάστηκαν. Ο δομικός χαρακτηρισμός έγινε με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου διέλευσης (ΤΕΜ). Επίσης γίνεται συσχέτιση του μεγέθους και της πυκνότητας των νανοκρυστάλλων, σε συνάρτηση με τις συνθήκες κατεργασίας με το laser. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των παρασκευασθεισών δομών. Αρχικά μελετώνται οι χαρακτηριστικές χωρητικότητας-τάσης (C-V), καθώς και αγωγιμότητας-τάσης (G-V). Οι ληφθείσες χαρακτηριστικές, εμφανίζουν το φαινόμενο της υστέρησης, γεγονός το οποίο αποδεικνύει ότι οι συγκεκριμένες δομές λειτουργούν ως στοιχεία μνήμης. Επιπλέον, μελετάται ο χρόνος συγκράτησης του ηλεκτρικού φορτίου στους νανοκρυστάλλους, η αντοχή των δομών αυτών σε διαδοχικούς κύκλους προγραμματισμού-διαγραφής, ο μηχανισμός εγγραφής της πληροφορίας, καθώς και η τιμή της τάσης πύλης κατά την οποία πραγματοποιείται.Σημαντικό αποτέλεσμα αυτής της εργασίας ήταν η επιτυχής κατασκευή νανοκρυστάλλων Au με χρήση laser, για να χρησιμοποιηθούν ως κέντρα παγίδευσης φορτίου σε δομές Si/SiO2 /Au NCs/Y2O3 ή Al2O3/Au ή Al. Η χρήση Al2O3, λεπτότερου αρχικού στρώματος Au προς ανόπτηση (3nm), χαμηλής ακτινοβολούμενης ενέργειας ανά μονάδα επιφάνειας (300mJ/cm2) και 6 παλμών laser, δίνει βέλτιστα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και χαμηλά ρεύματα διαρροής. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός έδειξε ότι η υψηλή ποιότητα και η ομοιογένεια των κατασκευασμένων με laser νανοκρυστάλλων, επιτρέπει τη χρήση τους σε διατάξεις μνήμης τύπου Flash.