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自上世纪40年代晶体管诞生以来,微电子器件的尺寸在不断地减小,时至今日已进入到了纳米电子器件的时代。纳电子器件并不仅仅是器件尺寸的减小,器件的量子效应使其工作原理完全不同于传统的微电子器件。在这一尺度上制造出的计算机的性能,将比使用微米电子技术呈指数提高,这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻的革命。纳米硅量子点浮置栅存储器是纳电子器件的一种,其广泛的应用前景引起了全世界研究者的关注。在此背景下,本论文围绕纳米硅量子点浮置栅存储器的电学特性及制备方法展开了研究工作。
本文首先对纳米硅(nc-Si)量子点浮置栅MOSFET的关键部分SiO2/nc-Si/SiO2非对称势垒浮栅MOS结构进行了研究,以更好地理解nc-Si量子点浮置栅存储器。用氧化工艺结合PECVD技术制备了具有不同隧穿氧化层的SiO2/nc-Si/SiO2非对称势垒浮栅MOS结构,并使用椭圆偏振仪、Raman散射谱、AFM、TEM等实验手段证实了nc-Si晶粒的存在并获得了样品的结构参数,使用电容电压法(C-V)和电流电压法(I-V)对结构的电学特性进行了研究。利用具有4.5nm隧穿层的样品研究了结构的存储特性,从C-V和I-V曲线计算出了电荷存储密度,结果显示每个nc-Si存储了一个载流子。从3nm隧穿层的样品的I-V曲线观测到了载流子的共振隧穿形成的电流峰,通过计算峰间距并与量子限制模型和库仑阻塞模型相比较,结果显示实验结果与理论计算相一致。这表明样品的电流峰与nc-Si的量子限制效应和库仑阻塞效应相关。
为了制作出nc-Si量子点浮置栅MOSFET以研究它的存储特性,首先利用了本实验室内和南京大学电子系微加工中心的设备进行了流片实验,摸索出了光刻版图和工艺流程。在此基础上,我们根据华晶5英寸流水线的现有条件,与华晶合作对光刻版图和工艺流程进行了改进。经过常规硅栅MOSFET的成功流片实验,验证了版图和工艺流程的可行性。利用华晶流水线上的设备进行了关键工艺的单项实验,实验结果显示利用华晶设备制备的样品能够达到要求,从而确保了nc-Si量子点浮置栅MOSFET的关键部分能在华晶流水线上实现。对在华晶流水线上制作的nc-Si量子点浮置栅MOSFET原型器件进行了测量,观察到了MOSFET的转移特性与输出特性曲线。对样品进行了写入与保持测试,观察到了由电荷存储和泄漏引起的阈值电压的移动。实验结果表明研制的器件显示了来源于nc-Si的电荷储存效应,且器件有利于电子的注入;但是器件的电荷存储时间较短,有待进一步改进。nc-Si量子点浮置栅MOSFET原型器件的成功流片为其阵列的实现铺平了道路。