单层纳米晶颗粒膜的可控性制备与电荷存储特性研究

论文摘要

现如今,便携式移动电子产品在人们的日常生活中应用得越来越广泛,在这些产品内部,闪存发挥着重要的作用。未来闪存技术的发展要求可以概括为:储存容量更大,读写速度更快,数据安全性更高,操作功耗更小。在此背景下,使用分散的纳米晶代替目前连续的多晶硅,作为闪存结构单元中浮动栅的结构得到了人们极大的关注。由于纳米晶浮动栅具有许多优异的性能,使得它成为目前闪存技术研究的一个热点。根据金属薄膜在氧化物介质层上生长时采用岛状生长机制这一原理。本论文利用磁控溅射制膜方法,发展了一种简单的,通过控制薄膜初始沉积厚度来制备单层纳米晶颗粒膜的实验方法。利用这种方法在二氧化硅介质层中制备得到了尺寸均一,分布均匀的银、铜以及铁镍二元合金纳米晶。证实了利用岛状生长机制制备金属和合金纳米晶的实验可行性。除此之外,还使用交替溅射的方法在二氧化硅介质层中生长了钛酸锶钡纳米晶。通过对薄膜沉积过程中溅射参数的调节,实现了对银与铜纳米晶平均粒径和分布密度一定范围内的有效控制。实验结果表明,随着沉积过程中溅射功率增加,银和铜的纳米晶平均粒径增大,分布密度则不断减小。对纳米晶生长过程中衬底温度作用的研究中发现,在纳米晶生长过程中对衬底加热可以起到与退火处理类似的效果,从而省却了后续的退火工艺,简化了纳米晶制备的实验步骤。目前对纳米晶浮动栅微观结构与宏观电荷存储性能之间的关系缺乏一个系统的说明。本文分析讨论了纳米晶材料的选择,纳米晶粒径,分布密度,绝缘介质层的相对介电常数与纳米晶浮动栅电荷存储能力之间的关系。分析结果表明,对于单个纳米晶来说,选择大功函数的材料,增大纳米晶的粒径,选择相对介电常数较大的绝缘层包裹材料,对提高它的电荷能力是有利的。增加单个纳米晶的电荷存储量,提高浮动栅中纳米晶的分布密度,可以增加纳米晶浮动栅整体的电荷存储量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 闪存单元的工作原理与发展现状
• 1.3 未来闪存技术的发展方向
• 1.3.1 High-K 材料的使用
• 1.3.2 三维结构晶体管技术
• 1.3.3 纳米晶浮动栅存储器
• 1.4 纳米晶浮动栅研究现状
• 1.4.1 半导体材料纳米晶浮动栅
• 1.4.2 金属纳米晶浮动栅
• 1.4.3 其它纳米晶浮动栅材料
• 1.4.4 双层纳米晶浮动栅制备
• 1.5 本论文的主要研究内容与思路
• 第2章 单层银纳米晶、铜纳米晶颗粒膜制备
• 2.1 本章引言
• 2.2 实验过程
• 2.2.1 实验原理介绍
• 2.2.2 银薄膜发生交联时的临界厚度测定
• 2.2.3 银纳米晶平均粒径与分布密度控制
• 2.2.4 衬底加热温度的作用
• 2.3 铜纳米晶的制备与尺寸控制
• 2.4 本章小结
• 第3章 纳米晶浮动栅电荷存储能力讨论
• 3.1 本章引言
• 3.2 纳米晶材料选择对电荷存储能力的影响
• 3.2.1 直接隧穿电流的表达式
• 3.2.2 功函数对纳米晶电荷存储能力影响
• 3.3 纳米晶粒径，绝缘层介电常数对电荷存储能力的影响
• 3.3.1 纳米晶浮动栅结构与电荷存储量的关系
• 3.3.2 金属材料的介电常数
• 3.3.3 单个纳米晶存储的平均电荷量
• 3.3.4 单个纳米晶和纳米晶浮动栅电荷存储能力讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 铁镍二元合金纳米晶制备
• 4.1 本章引言
• 4.2 溅射法制备铁镍二元合金纳米晶
• 4.2.1 二元金属合金的功函数
• 4.2.2 铁镍合金功函数
• 4.2.3 铁镍合金纳米晶制备与成份偏离分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 交替溅射法制备BST 纳米晶颗粒膜
• 5.1 本章引言
• 5.2 制备BST 纳米晶颗粒膜
• 5.2.1 磁控溅射用BST 靶材的制备
• 5.2.2 BST 纳米晶制备与表征
• 5.3 本章小结
• 第6章 C-V 曲线测量原理与实验
• 6.1 本章引言
• 6.2 C-V 测量简介
• 6.2.1 栅极电容的组成
• 6.2.2 半导体空间电荷区电容
• 6.2.3 C-V 曲线分段物理意义
• 6.2.4 非理想情况下的C-V 曲线
• 6.3 C-V 曲线测量样品制备
• 6.3.1 硅片表面清洗
• 6.3.2 含银纳米晶的绝缘层制备过程
• 6.3.3 C-V 曲线测量结果分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果