ID-ul Proiectului: 203PED din 23/08/2017 (PN-III-P2-2.1-PED-2016-0273)
Director de Proiect: Dr. Magdalena Lidia Ciurea
Tipul proiectului: National
Programul de incadrare al proiectului: Programul 2 - Cresterea competitivitatii economiei romanesti prin cercetare, dezvoltare si inovare: Proiect experimental - demonstrativ
Finantare: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii - UEFISCDI
Contractor: Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor
Status: In progress
Data de inceput: Wednesday, 23 August, 2017
Data finalizarii: Friday, 28 December, 2018
Rezumatul Proiectului MemoGenyAl: 

In acest proiect propunem o noua solutie pentru fabricarea unui demonstrator pentru un dispozitiv de memorie de tip capacitor, cu poarta flotanta pe baza de nanocristale (ncs) de Ge cu rol de noduri de stocare de sarcina, avand parametri de memorie tintiti, adica fereastra de memorie de 2-4 V si parametri de retentie buni (capacitate constanta pentru timp >10000 s (conditii standard), scadere a capacitatii <20 % in primele 300-400 s). Pornind de la TRL 2, demonstratorul va fi dezvoltat pana la TRL 3 (demonstrarea conceptului proiectului). Pentru acest scop propunem obiectivele: (i) depunerea prin pulverizare cu magnetron a structurii cu 3 straturi, oxid poarta/ Ge sau Ge-oxid/ oxid tunel/ p-Si substrat, folosind diferite abordari noi; (ii) formarea stratului intermediar, Ge ncs-oxid, cu morfologie controlata si pozitionat adecvat; (iii) obtinerea de probe test, contact fata/ Al2O3/ strat Ge ncs-oxid/ dublustrat (Al2O3/SiO2) tunel/ p-Si/ contact spate, complet caracterizate; (iv) fabricarea demonstratorului,  dispozitiv de memorie (capacitor) cu poarta flotanta avand parametri tintiti si testat functional conform TRL 3. Pentru aceasta, parametrii tehnologici vor fi corelati cu morfologia in diferite etape tehnologice, probele test se vor obtine folosind diferite abordari si vor fi complet caracterizate pentru dezvoltarea ulterioara a demonstratorului la nivel TRL 3. Rezultatele proiectului vor fi diseminate catre o audienta larga, cele stiintifice -in mediul academic (2 lucrari la conferinte internationale, seminarii; 1 lucrare ISI), iar cele tehnologice prin cerere de brevet. Prin realizarea demonstratorului – dispozitivul de memorie cu proprietati tintite, echipa proiectului isi va creste competenta in domeniul memoriilor cu poarta flotanta pe baza de Ge ncs, vizibilitatea la nivel european si international si capacitatea de a oferi noi solutii agentilor economici interesati, pentru imbunatatirea parametrilor demonstratorului si dezvoltarea lui ulterioara.

Obiectivele proiectului: 

Scopul proiectului este fabricarea unui dispozitiv de memorie cu poarta flotanta pe baza de nanocristale de Ge (contact / oxid de poarta / nanocristale de Ge imersate in oxid / oxid tunel / placheta de Si / contact) cu urmatoarele proprietati de memorie: fereastra de memorie de 2-4 V si caracteristici de retentie bune, si anume capacitanta constanta pentru mai mult 104 s si scaderea capacitantei cu mai putin de 20 % in primele 300 – 400 s. Pornind de la TRL2, dispozitivul / demonstratorul va fi dezvoltat pana la TRL 3.

Echipe: 
  • Dr. Magdalena Lidia Ciurea - Director Proiect
  • Dr. Sorina Lazanu
  • Dr. Valentin Serban Teodorescu
  • Dr. Ionel Stavarache
  • Dr. Catalin Palade
  • Tehnician Elena Stan

REZUMATUL RAPORTULUI STIINTIFIC SI TEHNIC FINAL

Proiectul MemoGenyAl are ca scop fabricarea unui capacitor de memorie cu poarta flotanta pe baza de nanocristale de Ge folosind oxid tunel cu dublu strat de SiO2 si Al2O3.

Proiectul a fost realizat in doua etape si s-a desfasurat pe perioada a 18 luni.

Obiectivele proiectului au fost urmatoarele: ◦ Depunerea prin pulverizare cu magnetron (MS) a unei structuri cu 3 straturi oxid de poarta / strat de Ge sau de Ge-oxid / oxid tunel – substrat de p-Si, folosind mai multe abordari noi; ◦ Formarea stratului intermediar nanocristale (NC) Ge – oxid cu morfologie controlata (dimensiunea si concentratia NC Ge) si pozitionarea corecta a acestui strat in raport cu substratul; ◦ Dezvoltarea probelor test contact fata / Al2O3 / strat intermediar cu NC Ge in oxid / dublu-strat tunel (Al2O3/SiO2)/ p-Si / contact de spate cu proprietati de memorie controlate de morfologie, probele test fiind complet caracterizate; ◦ Obtinerea demonstratorului de dispozitiv de memorie nevolatila (MNV) de tip capacitor, cu parametri tintiti (ΔV = 2 – 4 V si retentie buna, adica o scadere a capacitatii cu mai putin de 20 % in primele 300 – 400 s urmata de o valoare constanta timp de cel putin 104 s), in acord cu TRL 3.

In Etapa 1 / 2017 am realizat doua structuri de tip capacitor: i) Al2O3 / Ge / (Al2O3/ SiO2) tunel / Si depusa prin MS pe suport mentinut la temperatura camerei (structura S1Ge) si ii) Al2O3 / GeSiO2 / (Al2O3/ SiO2) tunel / Si depusa prin MS pe suport cald (structura S2GeSiO2). Pentru nanostructurare, probele S1Ge au fost tratate termic rapid (RTA) la 800 si 900 °C, iar in probele S2GeSiO2 formarea de nanocristale se realizeaza in timpul depunerii pe suport incalzit. Morfologia si structura pentru cele doua tipuri de probe prezinta anumite caracteristici asemanatoare, in sensul ca in toate structurile se formeaza o structura de tip Al2GeO5 cu distributii spatiale dependente de temperatura RTA sau de modul in care se realizeaza formarea nanocristalelor (depunere pe suport cald). Caracteristicile capacitate - tensiune (C V) masurate pe cele doua tipuri de capacitori S1Ge si S2GeSiO2 prezinta histerezis cu sens de parcurs antiorar, cu fereastra de memorie dependenta slab de frecventa de masura. Cele mai bune probe s-au dovedit a fi structurile de tip capacitor S2GeSiO2 depuse pe suport incalzit pentru care caracteristicile C V au fereastra de memorie de cel putin 1 V.

In Etapa 2 / 2018 au fost realizate structuri test MNV, de tip capacitor cu 3 straturi, Al2O3 / Ge / (Al2O3/ SiO2) tunel / (100) Si-p in care oxidul tunel este dublu strat (Al2O3/SiO2). 3

Structurile au fost depuse prin MS (intr-un singur proces de depunere), si apoi au fost nanostructurate prin tratament termic rapid, RTA, la temperaturile de 800 si 900 °C.

Morfologia structurii Al2O3/Ge/Al2O3/Si tratata RTA la 800 oC (HRTEM) pune in evidenta formarea unor semisfere de diametre intre 10 si 30 nm, pe partea interioara a stratului de mijloc/intermediar, la interfata cu oxidul tunel Al2O3. Unele dintre aceste semisfere prezinta cristalinitate pe partea lor interioara, si anume se evidentiaza prezenta unor NC de aluminati de germaniu, bogati in Ge.

Am masurat caracteristicile de memorie C V si capacitate – timp, C – t, pentru evaluarea proprietatilor de retentie ale probelor proaspat depuse, ale celor tratate termic prin RTA la 800 si respectiv la 900 oC. Caracteristicile C-V ale celor 3 tipuri de probe prezinta bucle de histerezis, dintre acestea evidentiindu-se ca avand cele mai bune proprietati de memorie, structurile test de MNV de tip capacitor cu 3 straturi tratate la 900 oC. Pe baza parametrilor tehnologici folositi in obtinerea acestor structuri, am definit si fabricat demonstratorul. Ca urmare, demonstratorul - capacitor cu 3 straturi de MNV (RTA 900 oC) are urmatoarele proprietati si parametri:

- Caracteristicile C-V sunt stabile, au bucla de histerezis cu fereastra de memorie de 1,25 V;

- Proprietatile de retentie sunt foarte bune, si anume se inregistreaza o scadere a capacitatii cu 15 % in caracteristica C-t la 108 s.

 

Demonstratorul fabricat a fost testat functional, si corespunde cerintelor TRL 3.

Pagina web a proiectului de la adresa: http://infim.ro/project/dispozitiv-de-memorie-tip-capacitor-cu-poarta-flotanta a fost periodic actualizata si finalizata.

Obiectivele si rezultatele prevazute in contract au fost integral realizate.

 

 

REZUMATUL ETAPEI II

Proiectul MemoGenyAl are ca scop fabricarea unui capacitor de memorie cu poarta flotanta pe baza de nanocristale de Ge folosind oxid tunel cu dublu strat de SiO2 si Al2O3.

In Etapa 2 / 2018 (etapa finala) au fost realizate structuri test de memorie nevolatila, MNV, de tip capacitor cu 3 straturi, Al2O3 / Ge / (Al2O3/ SiO2)tunel / (100) Si-p in care oxidul tunel este dublu strat (Al2O3/SiO2). Structurile au fost depuse prin pulverizare cu magnetron (intr-un singur proces de depunere), si apoi au fost nanostructurate prin tratament termic rapid, RTA, la temperaturile de 800 si 900 °C.

Morfologia structurii Al2O3/Ge/Al2O3/Si tratata RTA la 800 oC (HRTEM) pune in evidenta formarea unor semisfere de diametre intre 10 si 30 nm, pe partea interioara a stratului de mijloc/intermediar, la interfata cu oxidul tunel Al2O3. Unele dintre aceste semisfere prezinta cristalinitate pe partea lor interioara, si anume se evidentiaza prezenta unor NC de aluminati de germaniu, bogati in Ge.

Am masurat caracteristicile de memorie capacitate – tensiune, C V, si capacitate – timp, C – t, pentru evaluarea proprietatilor de retentie ale probelor proaspat depuse, ale celor tratate termic prin RTA la 800 si respectiv la 900 oC. Caracteristicile C-V ale celor 3 tipuri de probe prezinta bucle de histerezis, dintre acestea evidentiindu-se ca avand cele mai bune proprietati de memorie, structurile test de MNV de tip capacitor cu 3 straturi tratate la 900 oC. Pe baza parametrilor tehnologici folositi in obtinerea acestor structuri, am definit si fabricat demonstratorul. Ca urmare, demonstratorul - capacitor cu 3 straturi de MNV (RTA 900 oC) are urmatoarele proprietati si parametri:

- Caracteristicile C-V sunt stabile, au bucla de histerezis cu fereastra de memorie de 1,25 V;

- Proprietatile de retentie sunt foarte bune, si anume se inregistreaza o scadere a capacitatii cu 15 % in caracteristica C-t la 108 s.

 

Demonstratorul fabricat a fost testat functional, si corespunde cerintelor TRL 3.

Pagina web a proiectului de la adresa: http://infim.ro/project/dispozitiv-de-memorie-tip-capacitor-cu-poarta-flotanta/a fost periodic actualizata si finalizata.

Dupa cum rezulta din prezentul raport, obiectivele si rezultatele prevazute pentru Etapa 2 au fost integral realizate. Mentionam ca am publicat 2 lucrari ISI in loc de 1 lucrare ISI si 1 comunicare la conferinta.

 

 

REZUMATUL ETAPEI I

Proiectul MemoGenyAl are ca scop fabricarea unui capacitor de memorie cu poarta flotanta pe baza de nanocristale de Ge folosind SiO2 si Al2O3 pentru oxid tunel si oxid de poarta intr-o configuratie multistrat.

Etapa 1/2017 are ca obiectiv principal obtinerea parametrilor tehnologici pentru realizarea probelor test in corelatie cu morfologia. Acest obiectiv a fost realizat in cadrul urmatoarelor activitati: ● Depunerea de probe test, Al2O3 poarta/ Ge-Al2Osau Ge-SiO2 sau Ge/ dublu-strat tunel (Al2O3/SiO2)/ p-Si, pe substrat de Si incalzit prin pulverizare cu magnetron (MS); ● Nanostructurarea Ge; ● Testarea morfologiei si structurii; ● Depunerea de contacte electrice si testare; ● Crearea paginii web a projectului; ● Corelarea si integrarea rezultatelor.

In aceasta etapa au fost realizate doua structuri de tip capacitor: i) Al2O3 / Ge / (Al2O3/ SiO2) tunel / Si depusa prin MS pe suport mentinut la temperatura camerei (structura S1Ge) si ii) Al2O3 / GeSiO2 / (Al2O3/ SiO2) tunel / Si depusa prin MS pe suport cald (structura S2GeSiO2).

Pentru nanostructurare, probele S1Ge au fost tratate termic RTA la 800 si 900 °C, iar  in probele S2GeSiO2 formarea de nanocristale se realizeaza in timpul depunerii pe suport incalzit.

Morfologia si structura pentru cele doua tipuri de probe prezinta anumite caracteristici asemanatoare, in sensul ca in toate structurile se formeaza o structura de tip Al2GeO5 cu distributii spatiale dependente de temperatura RTA sau de modul in care se realizeaza formarea nanocristalelor (depunere pe suport cald).

Caracteristicile C – V masurate pe cele doua tipuri de capacitori S1Ge si S2GeSiO2 prezinta histerezis cu sens de parcurs antiorar, cu fereastra de memorie dependenta slab de frecventa de masura. Cele mai bune probe s-au dovedit a fi structurile de tip capacitor S2GeSiO2depuse pe suport incalzit pentru care caracteristicile C – V au fereastra de memorie de cel putin 1 V.

Pagina web la adresa: http://infim.ro/project/dispozitiv-de-memorie-tip-capacitor-cu-poarta-flotanta a fost creata.

Dupa cum rezulta, rezultatele prevazute in planul de realizare pentru Etapa I au fost integral realizate, unele dintre ele fiind depasite (ex. # 1 lucrare acceptata pentru publicare).

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa I/2017 au fost integral realizate.

Publicatii: 
  • „Material parameters from frequency dispersion simulation of floating gate memory with Ge nanocrystals in HfO2”, C. Palade, A.M. Lepadatu, A. Slav, S. Lazanu, V.S. Teodorescu, T. Stoica, M.L. Ciurea, Appl. Surf. Sci. 428 (2018), 698.
  • „Memory capacitor with Ge nanoparticles in HfO2 for ionising radiation dosimetry”, C. Palade, A. Slav, A.M. Lepadatu, I. Stavarache, I. Dascalescu, T. Stoica, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, S. Lazanu, Applied Surface Science 428 (2018) 698–702.
  • „MOS DOSIMETER BASED ON Ge NANOCRYSTALS IN HfO2” C. Palade, A. Slav, A.M. Lepadatu, I. Stavarache, I. Dascalescu, O. Cojocaru, T. Stoica, M.L. Ciurea, S. Lazanu, IEEE Proc. CAS 2018, pp 106-109.
Dr. Magdalena Lidia Ciurea

National Institute of Materials Physics

ciurea@infim.ro