Zukunftskonzepte für den Flash-Speicher: vom Multi-Nanoclusterspeicher zum Einzelnanocluster- Bauelement. Nanoday 2007

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1 Zukunftskonzepte für den Flash-Speicher: vom Multi-Nanoclusterspeicher zum Einzelnanocluster- Bauelement Robby Peibst, T. Dürkop, E. Bugiel und K.R. Hofmann Nanoday 2007

2 Gliederung 1. Einleitung 1.1. EEPROM: Funktionsweise und Grenzen 1.2. Der Nanoclusteransatz 1.3. Die zu lösenden Herausforderungen 2. Unsere Herstellungsmethode für Multiclusterspeicher 3. Messung und Modellierung der Speichereigenschaften 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher

3 Gliederung 1. Einleitung 1.1. EEPROM: Funktionsweise und Grenzen 1.2. Der Nanoclusteransatz 1.3. Die zu lösenden Herausforderungen 2. Unsere Herstellungsmethode für Multiclusterspeicher 3. Messung und Modellierung der Speichereigenschaften 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher

4 1. Einleitung - Grundsätzliches (E)EPROM : (Electrically)-Erasable-Programmable-Read-Only-Memory - nichtflüchtiger Speicher (auch ohne Betriebsspannung bleibt der Speicherzustand erhalten) - vielfältige Anwendungen (feste Programme für Mikroprozessoren, mobile Applikationen,...)

5 1. Einleitung Funktionsprinzip EEPROM MOS-Feldeffekttransistor: V g > V T Transferkennlinie Kanal Stromfluss von Source nach Drain ab einer genügend hohen Gatespannung (Schwellspannung)

6 1. Einleitung Funktionsprinzip EEPROM EEPROM: V g >> 0 zusätzliches Floating Gate E x Beladung durch Fowler-Nordheim-Tunneln oder heiße Elektronen bei hoher Gate-Spannung x

7 1. Einleitung Funktionsprinzip EEPROM EEPROM: E - Ladungen verbleiben nach Abschalten von V g auf dem Floating Gate - Ladungen repräsentieren Speicherzustand x

8 1. Einleitung Funktionsprinzip EEPROM EEPROM: Auslesespannung - die Schwellspannung wird durch die Ladung auf dem FG verschoben - diese Verschiebung wird ausgelesen

9 1. Einleitung Das Problem wir sind hier Prognose ITRS Quelle:

10 1. Einleitung Das Problem skalieren, skalieren, skalieren... Half Pitch [nm] 1/ 2 aller 2 Jahre Quelle:

11 1. Einleitung Das Problem Das Problem bei dünnen Tunneloxiddicken: Defekt Wahrscheinlichkeit für Elektronentunneln über Defekte ins Substrat steigt Speicherdauer bzw. Zuverlässigkeit sinkt

12 1. Einleitung Der Nanoclusteransatz Erhoffte Lösung: Aufteilung des Floating Gates in diskrete, voneinander isolierte Speicherorte zusammenhängendes Floating Gate diskrete Nanocluster Hauptvorteil: Ein Defekt entlädt nur einen Cluster, Speicherinformation bleibt erhalten S.Tiwari, F.Rana, H.Hanfani, A.Hartstein, E.Crabbe, K.Chan, Appl. Phys. Lett. 68, 1377 (1996)

13 1. Einleitung Der Nanoclusteransatz Erhoffte Vorteile von Nanoclustern aus Germanium gegenüber Si-NC: E Si Nanocluster Ge Nanocluster x - längere Speicherzeiten durch tieferen Potentialtopf - Beladung durch direktes Tunneln, Entladung durch Bandoffset verhindert

14 1. Einleitung Die Herausforderungen aus materialwissenschaftlicher Sicht: Clusterherstellung - Selbstorganisation (Optimierung, Reproduzierbarkeit) bzgl. dem physikalischen Grundlagenverständnis: Be- und Entladeprozesse (Einfluss des Bandaligments, von Quantenconfinement, von Coulomb-Blockadeeffekten, von Grenzflächenzuständen,...) aus ingenieurswissenschaftlicher Sicht: Speicherkenngrößen (Schreibzeit, Schwellspannungsverschiebung, Speicherzeit, Löschzeit, maximale Zyklenzahl)

15 Gliederung 1. Einleitung 1.1. EEPROM: Funktionsweise und Grenzen 1.2. Der Nanoclusteransatz 1.3. Die zu lösenden Herausforderungen 2. Unsere Herstellungsmethode für Multiclusterspeicher 3. Messung und Modellierung der Speichereigenschaften 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher

16 2. Unser Herstellungsansatz - Prinzip Zwei - Schritt - Prozess zur Clusterherstellung SiO 2 - Deckoxid (PECVD) amorphe Germaniumschicht (PECVD) SiO 2 - Tunneloxid (thermisch) Vorteile: 1. Schritt: PECVD Abscheidung einer geschlossenen Ge- Schicht Si-Substrat 2. Schritt: Clusterformierung während Temperung (Endotaxie) Ge - Nanocluster - definierte vertikale Position der Cluster im Gatestack - In-situ Abscheidung von Deckoxid vermeidet Oxidation der Ge-Schicht T.Dürkop, E.Bugiel, I.Costina, A.Ott,, K.R.Hofmann, Mater.Sci.Eng.B (2007) in press

17 2. Unser Herstellungsansatz - Prinzip HRTEM - Querschnittsaufnahmen

18 2. Unser Herstellungsansatz - Schichtabscheidung Gelöste Probleme bei der PECVD Germaniumabscheidung damit TEM Querschnitt so etwas nicht passiert: Dann ist sogar die Draufsicht mit REM Herstellung von Supergittern möglich! - Optimierung der Standardparameter (Druck, Gasfluss, Temperatur, RF,...) - Verbesserung des Basisdruckes (besonders H 2 O) - Belegung der Kammer mit Ge (als H 2 O-Getter) und SiO 2 (Elektrostatik)

19 2. Unser Herstellungsansatz - Clusterformierung Untersuchung der Mechanismen der Clusterformierung Ziel: Aufklärung der treibenden Mechanismen und deren Temperatur- und Zeitabhängigkeiten zwecks (1) Optimierung der strukturellen Parameter (d nc ~5nm, n~10 12 cm -2 ) (2) Definition eines Prozessfensters (Reproduzierbarkeit!) Phasenübergang chemische Reaktion Diffusion Oberflächenminimierung Definition: 5 nm Ansatz: X-TEM Aufnahme, Temperung 700 C

20 2. Unser Herstellungsansatz - Clusterformierung 180s@700 C 5s@1020 C 20s@1020 C 1.Schritt: Keimbildung (Rekristallisation) 950 C 2.Schritt: Clusterwachstum / Clusterreifung

21 2. Unser Herstellungsansatz - Clusterformierung 1. Phase - Keimbildung scheinbar klassische thermisch aktivierte Rekristallisation E A ~1,1eV

22 2. Unser Herstellungsansatz - Clusterformierung 2. Phase - Clusterwachstum / Reifung L S REM-Aufnahme Verdacht: Clusterreifung (Ostwaldreifung) diffusionslimitiert Analyse der Zwischenclusterabstände über radiale Verteilungsfunktion Widerlegung der Hypothese: keine Temperaturabhängigkeit der NC-Abstände

23 2. Unser Herstellungsansatz - Clusterformierung Ergebnisse der Untersuchung des Clusterformierungsprozesses: Rekristallisation dominiert die erste Phase der Keimbildung, Reifung die zweite Phase maximale Clusterdichte beim Übergang zwischen beiden Phasen Strukturelle Parameter optimal bei: 10s Temperzeit bei 950 C d nc = 5,4 nm n = cm -2

24 Gliederung 1. Einleitung 1.1. EEPROM: Funktionsweise und Grenzen 1.2. Der Nanoclusteransatz 1.3. Die zu lösenden Herausforderungen 2. Unsere Herstellungsmethode für Multiclusterspeicher 3. Messung und Modellierung der Speichereigenschaften 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher

25 3. Elektrische Messungen und Modellierung Elektronenspeicherung Löcherspeicherung Hysterese durch Beladung der Cluster mit positiven u. negativen Ladungsträgern

26 3. Elektrische Messungen und Modellierung Messgröße für quantitative Charakterisierung: Q nc (t) bei konst. Be/Entladespannung (aus C(t)-Messungen) Simulation: Q t rel nc () t = A nc Jtunnel ( t ) dt 0 (numerische Lösung) Vergleich liefert Aussagen über Bandaligment, Barrierenhöhen, effektive strukturelle Parameter,... V.Beyer, J.von Borany, M.Kilmenkov, Journal of Applied Physics 101, (2207)

27 3. Elektrische Messungen und Modellierung Beladungsprozess Löcher Experiment Simulation

28 3. Elektrische Messungen und Modellierung Entladungsprozess Messwerte Löcher Elektronen Simulation starke Abweichung von Simulation u. Experiment

29 3. Elektrische Messungen und Modellierung Ursachen für Abweichung Entladeexperiment / Simulation: Quantenconfinement (Danke an J. Hübner u. M. Oestreich für die PL-Untersuchungen) Grenzflächenzustände Ge-Cluster / SiO 2 Bandoffset zwischen Cluster u. Substrat komplexere quantenmechanische Rechnungen notwendig, z.b. J.S. de Sousa, V.N.Freire, J.P.Leburton, APL 90, (2007)

30 Gliederung 1. Einleitung 1.1. EEPROM: Funktionsweise und Grenzen 1.2. Der Nanoclusteransatz 1.3. Die zu lösenden Herausforderungen 2. Unsere Herstellungsmethode für Multiclusterspeicher 3. Messung und Modellierung der Speichereigenschaften 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher

31 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher Grenzen von Multiclusterspeichern Gatefläche Transistor 1 Gatefläche Transistor 2 40 nm 12 Cluster, <d nc > ~ 5,4nm 12 Cluster, <d nc > ~ 5,4nm

32 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher Grenzen von Multiclusterspeichern 30 nm 4 Cluster, <d nc > ~ 5,5nm 5 Cluster, <d nc > ~ 6nm

33 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher Grenzen von Multiclusterspeichern 20 nm 2 Cluster, <d nc > ~ 6nm 4 Cluster, <d nc > ~ 6,7nm

34 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher Bei fortschreitender Skalierung Erhöhung der Schwankungen der - Clusteranzahl in den Transistoren - durchschnittlichen Clustergröße und damit der speicherbaren Ladungsmenge sowie Tunnel- und Deckoxiddicken Wünschenswert wäre deshalb - definierte Clusteranzahl und Größe - laterale Positionierung der Cluster, besonders bzgl. Kontakten 20 nm Templated Self-Organisation

35 4. Der Weg zum Einzelclusterspeicher Kombination von Nanostrukturierung und Selbstorganisation so ungefähr sehen die REM-Aufnahmen aus... In Zusammenarbeit mit AMO GmbH Aachen 20nm 100nm 20 nm Ge - Nanocluster... und die gibt s nach der Patentierung, sorry Ergebnis: gleichartige Cluster an definierten lateralen Positionen

36 Zusammenfassung CMOS-kompatibler Prozess zur Herstellung von Germanium- Nanocluster in SiO 2 mit definiertem Abstand zum Substrat wurde entwickelt Schichtabscheidung wurde optimiert (Supergitter machbar) Mechanismen der Clusterformierung wurden untersucht, hohe Clusterdichten und kleine Clusterdurchmesser erreicht Be- und Entladeprozess wurde zeitaufgelöst und temperaturabhängig untersucht Vergleich mit Simulationen ermöglicht Interpretation der Messergebnisse Methode zur Herstellung gleichgroßer Cluster an definierter lateraler Position wird entwickelt ( Templated Self Organisation )

37 Zusammenfassung Vielen Dank an: -Tobias Dürkop für die gute Zusammenarbeit. Alles Gute für dein weiteren Weg! - und natürlich an Sie für Ihre Aufmerksamkeit!

38 Zusammenfassung CMOS-kompatibler Prozess zur Herstellung von Germanium- Nanocluster in SiO 2 mit definiertem Abstand zum Substrat wurde entwickelt Schichtabscheidung wurde optimiert (Supergitter machbar) Mechanismen der Clusterformierung wurden untersucht, hohe Clusterdichten und kleine Clusterdurchmesser erreicht Be- und Entladeprozess wurde zeitaufgelöst und temperaturabhängig untersucht Vergleich mit Simulationen ermöglicht Interpretation der Messergebnisse Methode zur Herstellung gleichgroßer Cluster an definierter lateraler Position wird entwickelt ( Templated Self Organisation )