Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και επίδραση ακτινοβολίας σε μη-πτητικές μνήμες μεταλλικών και ημιαγώγιμων νανοκρυστάλλων

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, μελετήθηκε η ενσωμάτωση νανοκρυστάλλων Pt και Au, ανάμεσα σε μήτρες μονωτικών (SiO2 tunnel oxide and ΗfΟ2 control oxide), για την εφαρμογή τους στην τεχνολογία των μη-πτητικών μνημών. Οι μεταλλικοί νανοκρυσταλλίτες παρουσιάζουν πλεονεκτήματα ως προς τους αντίστοιχους ημιαγώγιμους νανοκρυσταλλίτες Si ή Ge, που συνδέονται με την υψηλότερη πυκνότητα καταστάσεων γύρω από τη στάθμη Fermi και την ποικιλία έργων εξαγωγής. Η σύνθεση των νανοκρυστάλλων πραγματοποιήθηκε με τη μέθοδο της ιοντοβολής (sputtering). Μελετήθηκαν παράμετροι (χρόνος εναπόθεσης, ροή αδρανούς αερίου, μέγεθος ζώνης συσσωμάτωσης) με τις οποίες μπορεί κανείς να αναπτύξει μεταλλικούς νανοκρυσταλλίτες σε μήτρα SiO2, ώστε να κατασκευαστούν λειτουργικά κύτταρα μνήμης. Με τη συνδρομή του μικροσκοπίου ΤΕΜ, μελετήθηκαν δομικά οι εναποτιθέμενοι νανοκρυσταλλίτες. Τα πειράματα απέδειξαν ότι η αύξηση του χρόνου εναπόθεσης οδηγεί αφενός σε μεγαλύτερου μεγέθους νανοκρυστάλλους και αφετέρου στο σχηματισμό νησίδων, οι οποίες μπορούν να ανταλλάσουν φορτία μεταξύ τους (Pt nanocrystals). Ο μεγαλύτερος χρόνος εναπόθεσης οδηγεί, επίσης, σε μεγαλύτερες επιφανειακές πυκνότητες, όπως και η υψηλότερη ροή αδρανούς αερίου. Με τη βοήθεια ηλεκτρικών μεθόδων χαρακτηρισμού, προσδιορίστηκε ο ρόλος των παραπάνω παραμέτρων στο παράθυρο μνήμης (σε συνεχή και παλμική λειτουργία), στους μηχανισμούς αγωγιμότητας, στην ικανότητα συγκράτησης αποθηκευμένου φορτίου και στη γήρανση σε συνθήκες παρατεταμένης λειτουργίας, με τα βέλτιστα αποτελέσματα να εμφανίζουν οι νανοκρύσταλλοι Au. Στα πλαίσια ενός κοινού ευρωπαϊκού προγράμματος μεταξύ ESA – Micron – ΕΜΠ, προμηθευτήκαμε από την εταιρεία Micron δισκίδια 8 inch, κατασκευασμένα με τις προδιαγραφές του τεχνολογικού κόμβου των 90 nm, σύμφωνα με το ITRS. Το βασικό στοιχείο των δισκιδίων, ήταν τρανζίστορ MOSFET με νανοκρυστάλλους Si, τοποθετημένα σε παράλληλες συστοιχίες (CAST). Κάθε CAST περιέχει συνολικά διαφορετικό αριθμό τρανζίστορ, με το μέγεθός του να κυμαίνεται από 16 kbit έως 16 Mbit. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός, μας αποκάλυψε τα πολύ καλά χαρακτηριστικά μνήμης των διατάξεων (ευδιάκριτο παράθυρο μνήμης, εξαιρετική αντοχή σε τεχνητή γήρανση και συγκράτηση φορτίου), μαζί με ορισμένες αδυναμίες (ακτινική εξάρτηση του παράθυρου μνήμης, υψηλά ρεύματα διαρροών πύλης σε CAST με μεγάλο αριθμό τρανζίστορ). Με σκοπό να μελετήσουμε την επίδραση των ενεργητικών σωματιδίων της κοσμικής ακτινοβολίας, διαφόρων προελεύσεων (γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, ηλιακές εκλάμψεις, στεμματικές εκτοξεύσεις μάζας, ηλιακοί άνεμοι, μαγνητικές καταιγίδες), ακτινοβολήσαμε μαζί μη-πτητικές μνήμες MOS & MOSFET, με εμφυτευμένους νανοκρυστάλλους Au & Si, αντίστοιχα. Η διαρκής μείωση των διαστάσεων των μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων, με τη συνεπακόλουθη αύξηση της πολυπλοκότητά τους, σε συνδυασμό με τη διαχρονική επιθυμία της ανθρωπότητας για πληροφόρηση και κατανόηση του διαστημικού περιβάλλοντος (μέσω δορυφόρων και διαστημικών σταθμών), καθιστά επιβεβλημένη τέτοιου είδους μελέτη. Η μελέτη των φαινομένων ολικής δόσης ιονισμού (TID), ύστερα από την ακτινοβόληση των διατάξεών μας με ακτίνες – γ (60Co), ενέργειας 1 – 2 MeV, και δέσμη πρωτονίων, ενέργειας 8 MeV, μας αποκάλυψε την ανεκτή συμπεριφορά τους σε συνήθεις δόσεις ακτινοβολίας. Ύστερα από την ταχύτατη επανασύνδεση των παραγόμενων από την ακτινοβολία, ζευγών ηλεκτρονίων/οπών, οι μηχανισμοί που καθορίζουν τις απώλειες φορτίου είναι η φωτοεκπομπή και η εξουδετέρωση (ουδετεροποίηση) του φορτίου των νανοκρυστάλλων, από φορείς που επιβίωσαν από την επανασύνδεση και παγιδεύτηκαν στο οξείδιο. Σε ακραίες δόσεις παρατηρήθηκε ολική απώλεια φορτίου και αντιστροφή της κατάστασης προγραμματισμού (bit flip), ωστόσο χωρίς κάποια θωράκιση ή βελτιωμένο σχεδιασμό των περιφερειακών κυκλωμάτων, που τροφοδοτούν με τάση τα κύτταρα μνήμης, αυτά θα τεθούν εκτός λειτουργίας πιο σύντομα, προτού η ακτινοβολία πλήξει τα κύτταρα μνήμης. Η μελέτη των μεμονωμένων επιδράσεων (SEE), μετά από ακτινοβόληση με δέσμη ιόντων 63Cu+7, ενέργειας 30 MeV, έδειξε τις καταστροφικές διαθέσεις των βαρέων ιόντων. Η ακτινοβόληση έγινε με τέτοια δόση, ώστε να εξασφαλίσουμε μόνο μία κρούση με κάθε κύτταρο μνήμης, και τα αποτελέσματα έδειξαν μεγάλες μετατοπίσεις της τάσης κατωφλίου, από τις περιοχές που διείσδυσαν τα ιόντα. Οι απώλειες φορτίου αποδίδονται στο σχηματισμό ενός μεταβατικού αγώγιμου μονοπατιού στο οξείδιο πύλης, που εκφορτίζει μερικά ή ολικά τους νανοκρυστάλλους. Αξίζει να σημειώσουμε την εξαιρετική συμπεριφορά των μη-πτητικών μνημών με νανοκρυστάλλους σε σχέση με τις συμβατικές μνήμες αιωρούμενης πύλης, στην επίδραση ακτινοβολίας.

In this thesis, the integration of metallic nanocrystals (Pt & Au – ncs) into thin layers of SiO2 (tunnel oxide) and HfO2 (control oxide), was studied, in order to explore their implementation in the technology of non-volatile memories. Metal nanocrystals present advantages in comparison with semiconductor nanocrystals, related with the higher density of states around the Fermi level and the diversity of work functions. The synthesis of nanocrystals was achieved by sputtering. Different parameters were studied (deposition time, flux of inert gas, size of aggregation zone), by them is feasible to fabricate metallic nanocrystals in an insulating matrix (SiO2), in order to produce functional memory cells. With the assistance of TEM microscope, the deposited nanocrystals were structural analyzed. The experiments showed that at elevated depositions time, bigger and elongated (not isolated) nanocrystals are formed, which can lead to charge exchange between them (Pt nanocrystals). The elevated deposition time, leads also to a higher surface density, like and a higher flux of inert gas. By the utilization of electrical characterization techniques, the influence of the above parameters was extracted, with respect to memory window (continuous and pulse function), on conductions mechanisms, on the capability to preserve the stored charge (retention) and on ageing effect at protracted conditions (endurance), with the optimum results achieving by Au nanocrystals. According to a common European project, among ESA – Micron – NTUA, we were supplied by the company 8 inch wafers, manufactured with the specifications of technological node of the 90 nm, according to the ITRS. The basic element of the wafers, were the transistor MOSFET with Si nanocrystals, connected in a parallel configuration (CAST). Each CAST consist of different number of transistors, with its dimension varies from 16 kbit to 16 Mbit. Electrical characterization showed the outstanding memory characteristics of the devices (distinct memory window, exceptional tolerance at artificial ageing and charge preservation time), with some weaknesses (radial dependence of memory window, high gate leakage current in CAST with large number of transistors). In order to study the effect of energetic particles of cosmic radiation, various origins (galactic cosmic rays, solar flares, coronal mass ejection, solar winds, magnetic storms), we irradiated both MOS & MOSFET non-volatile memories, with embedded Au & Si nanocrystal, respectively. The permanent reduction of dimensions of microelectronic systems with the concomitant increase in complexity, in combination with the diachronic desire of humanity for information and comprehension of space environment (through satellites and space stations), renders imposed such type study. The study of total ionizing dose effects (TID), after the irradiation of our devices with γ – rays (60Co), with energy between 1 – 2 MeV, and proton beam, with energy 8 MeV, revealed their acceptable behavior at normal irradiation doses. Afterwards the extremely fast recombination of radiation-induced electron/holes, the mechanisms that define charge losses are photoemission and neutralization of the nanocrystals charge, by carriers which survived form recombination and trapped in the oxide. At extreme irradiation doses, total charge loss was observed with reversion of the programming state (bit flip), however without any shielding or improvement design of peripheral circuitry, which supply with bias the memory cells, they will fail very soon, before the radiation hits the memory cells. The study of single-event effects (SEE), after irradiation with copper ions beam (63Cu+7), with energy 30 MeV, showed the devastating disposals of heavy ions. The irradiation dose was chosen, in order to assure only one hit with every memory cell, and the results revealed large displacements of threshold voltage, from the irradiated regions. The charge losses are attributed to the formation of a transient conductive path, in the gate oxide, which discharge partially or totally the nanocrystals. It’s worth of note the outstanding improvement of non-volatile memories with nanocrystals over the conventional floating-gate memories, in terms of radiation tolerance.