钌金属纳米晶的制备及其在非挥发快闪存储中的应用

摘要

随着半导体快闪存储器的特征尺寸不断缩小,传统的多晶硅浮栅存储器正面临着严峻的挑战。分离的金属纳米晶存储器以其独特的电荷存储结构,可以实现更好的数据保存特性和更薄的隧穿氧化层,由此带来更低的工作电压和更快的编程速度,可望应用于下一代存储器。因此,本论文基于钌纳米晶的电荷存储,采用金属溅射后退火和原子层淀积的方法制备钌纳米晶,并研究内嵌钌纳米晶的氧化铝介质MOS存储电容电学特性。具体内容如下:
　　 采用离子束溅射的方法,在氧化铝介质表面形成薄的金属钌薄膜,在900℃下退火15s可以得到密度为1.6×1011cm-2吨,平均直径约为20nm的钌纳米晶。SEM照片显示只有在不低于900℃的温度下退火才能形成纳米晶。随着退火温度的增加,纳米晶体积变大,密度降低,但退火时间对纳米晶形态的影响较为微弱。此外退火前钌金属薄膜的氧化程度对形成的钌纳米晶形态有很大的影响。XPS分析显示钌纳米晶主要由单质金属钌组成,并且在退火处理后部分氧化钌发生分解。
　　 采用原子层淀积的方法,以RuCp2和氧气为反应源,在300℃的衬底温度下生长钌纳米晶。比较研究在热生长的氧化硅和原子层淀积的氧化铝薄膜表面生长的钌纳米晶,结果表明氧化铝表面可以提供较高的纳米晶成核密度。当淀积循环数为200,我们在氧化铝表面得到密度为9×1010cm-2,平均直径为14nm的钌纳米晶。随着生长的循环增加(400、600),纳米晶体积变大,密度变小,均匀性变差。在后续的高温退火处理中,钌纳米晶的体积变大,密度变小,是由于邻近的钌纳米晶出现合并,并缓慢形成球状纳米晶。XPS分析显示氧化钌存在于纳米晶表面,是由纳米晶与空气中的氧气接触缓慢氧化所至。
　　 进一步,本论文采用原子层淀积的方法实现了氧化铝\钌纳米晶\氧化铝的新型叠层结构的生长,并对其电荷存储效应进行测试。结果显示,在较低的扫描电压范围下(-2.5-8V)该叠层结构已经表现出较大的存储窗口(3.4V),计算得出的俘获电荷密度为1.18x1013cm-1。在+10V/lms的编程脉冲下得到3.2V的存储窗口,表现出较快的编程速度,计算得到电子平均隧穿注入速率为1.78×10-6e/cm2.ms。这些良好的电学特性源自金属钌较大的功函数以及较薄的隧穿氧化层使得直接隧穿成为主要的电荷隧穿机制。同时该结构具有较小的漏电流,在6V的栅压偏置下,只有1×10-6Acm-2。