Utilization of nano-clusters in MOSFET-Gate-Insulators for the realization of non-volatile and volatile tunnel-memories
Final Report Abstract
Während der abschließenden Projektperiode wurden folgende Erkenntnisse hinsichtlich der Entstehung der Germanium-Nanocluster im Si02 und deren elektrischen Eigenschaften in MOSFET-Tunnelspeicherelementen gewonnen: - Mechanismen der Clusterformierung: Auf Basis umfangreicher TEM- Untersuchungen sowie eines thermodynamischen Modells konnten die treibenden Mechanismen der Formierung von Ge-Nanocluster aus einer dünnen in Si02 eingebetteten amorphen Ge-Ausgangsschicht identifiziert werden. - Prozessintegration: Unsere Cluster-Herstellungmethode ist aufgrund der Vereinbarkeit des Temperaturbugets der Clusterformierung und der Implantaktivierung im Prinzip CMOS-kompatibel, was durch Integration in einen Standard-Transistorprozess zur Herstellung von Speicher-Teststrukturen demonstriert wurde. - Bestimmung der Speicherkenngrößen: Der Be- und Entladevorgang der Nanocluster mit Löchern und Elektronen konnte erstmals in Transistor-Teststrukturen mit hoher Zeitauflösung (1 mu s) experimentell analysiert werden. Es wurden sowohl n-Kanal, als auch p-Kanal-Speicherelemente untersucht, um Elektronen- und Löcherbeladung aus einer Inversionsschicht und aus einer Akkumulationsschicht zu realisieren. Die Tunneloxiddicken wurden variiert, wobei sich die Untersuchungen auf den Bereich des direkten Tunnels konzentrierten. Es ergaben sich Schreibzeiten in der Größenordnung von 100ps-1ms sowie Speicherzeiten von 100ms-900s. Im Gegensatz zu theoretischen Vorhersagen waren keine signifikanten Unterschiede zwischen Elektronen- und Löcherspeicherzeiten nachweisbar, d.h. eine wesentlich längere Löcherspeicherzeit wurde nicht beobachtet. Die wahrscheinlichste Erklärung hierfür ist ein Kompensationsstrom aus dem Substrat der die Speicherzeit limitiert. Dies ist eine Konsequenz des direkten Tunnelbetriebes der Bauelemente und könnte durch den Übergang zu dickeren Tunneloxiden und Fowler-Nordheim Tunneln vermieden werden. Elektronen wurden wesentlich länger in den Clustern gespeichert, als von der Theorie vorhergesagt. Dies ist wahrscheinlich auf ein Trapping der Ladungsträger in Ge/Si02-Grenzflächenzuständen zurückzuführen. - Aufklärung des Speicherortes der Ladungsträger: Auf Basis einer neu entwickelten Kleinsignalmessmethode in Kombination mit einem Shockley-Read-Hall-Modell konnte eine hohe Konzentration von Zuständen an der Grenzfläche Ge-NC/Si02-Matrix nachgewiesen werden, in denen der Großteil der Ladungsträger gespeichert wird. Dieses Ergebnis ist konsistent mit der offensichtlichen Dominanz nichtstrahlender Rekombinafionsprozesse nach optischer Anregung sowie mit den strukturellen Eigenschaften der Ge-NC/Si02-Matrix-Grenzfläche. Für Speicheranwendungen ist die hohe Ge/Si02-Grenzflächenzustandsdichte sehr vorteilhaft. - Nachweis einer erhöhten Trapkonzentration im Tunneloxid und an der Tunneloxid/Substrat-Grenzfläche: Anhand von frequenzabhängigen Charge-Pumping-Messungen konnte eine im Vergleich zu Referenzproben ohne Ge-NC mäßig erhöhte Volumenkonzentrationen von Traps im Tunneloxid nachgewiesen werden. Mit der Leitwert-Methode konnte gezeigt werden, dass sich auch die Dichte der Grenzflächenzustände zwischen Tunneloxid/Substrat bei den Nanoclusterproben erhöht. Beide Beobachtungen können mit einer Eindiffusion von GeO in das Si02 während der Clusterformierung erklärt werden. Die Erhöhung der Dichte dieser Traps ist allerdings moderat und könnte durch geeignete Gegenmaßnahmen weiter reduziert werden. - Templated Self-Organization: Um Fluktuation der strukturellen Clusterparameter zu unterdrücken, wurde die Herstellungsmethode weiterentwickelt. Die Erzeugung lateral und vertikal angeordneter, gleichartiger Cluster konnte demonstriert werden. Die Ergebnisse der abschließenden Projektperiode legen nahe, dass Ge-Nanocluster- Speicherelemente mit sehr dünnem Tunneloxid, die auf direktem Tunneln basieren, als nichtflüchtige Speicher (Speicherzeiten -IO Jahre) nicht verwendet werden können. Dies ist mit Si-Nanoclustern jedoch auch nicht möglich. . Die geringere Bandlücke von Ge, der Valenzbandoffset zwischen Cluster und Substrat, und insbesondere die hohe Ge/Si02-Grenzflächenzustandsdichte versprechen jedoch Vorteile für Ge-Nanocluster gegenüber Si-Nanoclustern in Speicherelementen mit dickem Tunneloxid, die auf Fowler-Nordheim-Tunneln basieren. Hierfür muss eine Entladung durch Fowler-Nordheim-Tunneln zwischen den Clustern und der Gateelektrode dadurch vermieden werden, dass die elektrische Feldstärke im Deckoxid gegenüber jener im Tunneloxid abgesenkt wird. Dies kann z.B. durch die Verwendung von high-/k-Dielektrika für das Deckoxid realisiert werden. Weiterhin könnte die Eindiffusion von GeO in das Tunneloxid unterbunden werden, wenn der Ge-Ausgangschicht ein geringer Si- Anteil beigefügt wird, der das GeO während der Temperung reduziert. Im Hinblick auf die Skalierbarkeit des Nanoclusterkonzeptes müssen die Fluktuationen der strukturellen Clusterparameter minimiert werden. Hierfür haben wir mit dem Konzept der „Templated Self-Organizafion" einen neuen Ansatz gefunden. Die weitere Untersuchung dieser Methode, auch für über die Flash-Speicher hinausgehende Anwendungen, und ihre Übertragbarkeit auf andere Materialsysteme ist unserer Ansicht nach ein sehr vielversprechendes Forschungsthema.
Publications
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PE-CVD Fabrication of Germanium Nanoclusters for Memory Applications, European Materials Research Society Spring Meeting, Strassbourg, France (2007)
T. Dürkop, E. Bugiel, I. Costina, A. Ott, R. Peibst, K.R. Hofmann
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SiO2-Schichtsysteme mit kontrolliert eingebetteten Ge-Nanoclustern, Workshop der Arbeitsgruppe „Materialien für nichtflüchtige Speicher" der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde, Erlangen, Germany (2007)
T. Dürkop, R. Peibst, E. Bugiel, K. R. Hofmann
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PE-CVD Fabrication of Germanium Nanoclusters for Memory Applications, Materials Science and Engineering B 147(2008) 213
T. Dürkop, E. Bugiel, I. Costina, A. Ott, R. Peibst, K.R. Hofmann
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PECVD grown Ge nanocrystals embedded in SiO2: from disordered to templated self-organization, International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices, Natal, Brazil (2008)
R. Peibst, T. Dürkop, E. Bugiel, N. Koo, T. Mollenhauer, M.C. Lemme, H. Kurz, K. R. Hofmann
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Write and retention characteristics of electrons and holes in MOS field-effect transistors with Ge nanocrystal floating gate, Workshop on Dielectrics in Microelectronics, Berlin, Germany (2008)
M. Erenburg, R. Peibst, E. Bugiel and K. R. Hofmann
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Driving mechanisms for the formation of nanocrystals by annealing of ultrathin Ge layers in SiO2, Physical Review B 79 (2009) 195316
R. Peibst, T. Dürkop, E. Bugiel, A. Fissel, l. Costina, K. R. Hofmann
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PECVD grown Ge nanocrystals embedded in SiO2: from disordered to templated self-organization, Microelectronics Journal 40 (2009) 759
R. Peibst, T. Dürkop, E. Bugiel, N. Koo, T. Mollenhauer, M.C. Lemme, H. Kurz, K.R. Hofmann
