Capacitor-like floating gate memory device with Ge nanocrystals: new solution based on Al2O3 – MemoGenyAl


Project Director: Dr. Magdalena Lidia Ciurea
Project ID: 203PED from 23/08/2017 (PN-III-P2-2.1-PED-2016-0273)
Project Director: Dr. Magdalena Lidia Ciurea
Project Type: National
Project Program: PED
Funded by: Romanian National Authority for Scientific Research, UEFISCDI
Contractor: National Institute of Materials Physics
Project Status: In progress
Start Date: Wednesday, 23 August, 2017
End Date: Friday, 28 December, 2018
MemoGenyAl Project Abstract:
The project proposes a new solution for fabrication of the demonstrator for a capacitor-like floating gate memory device based on Ge nanocrystals (ncs) as charge storage nodes, having targeted memory parameters of 2-4 V memory window and good retention characteristics (constant capacitance for more than 10000 s (standard conditions), capacitance decrease <20 % in the first 300-400s). Starting from TRL 2, the demonstrator will be developed up to TRL 3 (proof of concept). In this aim, we propose the objectives: (i) deposition by magnetron sputtering of the trilayer structure, gate oxide/ Ge or Ge-oxide layer/ tunnel oxide/ p-Si substrate, by using different novel approaches; (ii) formation of the Ge ncs-oxide intermediate layer with controlled morphology and proper position; (iii) developing the test samples of top contact/ Al2O3/ Ge ncs-oxide layer/ tunnel (Al2O3/SiO2) stack/ p-Si/ bottom contact completely characterized; (iv) obtaining the demonstrator for new capacitor-like floating gate memory device with targeted parameters, functionally tested according to TRL 3. For achieving these objectives, technological parameters will be correlated at different stages with morphology, test samples will be fabricated using different approaches and completely characterized for further developing the demonstrator according to TRL 3. The project results will be disseminated to target audience, scientific results to the academic world (2 papers at international conference, seminars and 1 ISI paper) while technological results will be the object of a patent application. By achieving the demonstrator for this new memory device with targeted properties, the project team increase their competences in the field of floating gate memory devices based on Ge ncs, will be more visible at European and international level and will be more capable to offer new solutions to interested actors from industry for improving the parameters of demonstrator and to further develop it.
Project Objectives: 

The project scope is to fabricate capacitor-like floating gate memory device based on Ge nanocrystals (top contact/ gate oxide/ Ge ncs in oxide layer/ tunnel oxide/ Si wafer/ bottom contact), having targeted memory parameters of 2-4 V memory window and good retention characteristics, i.e. constant device capacitance more than 104 s (standard conditions) and capacitance decrease less than 20 % in the first 300-400 s.). Starting from TRL 2, the device/ demonstrator will be developed up to TRL 3.

Team: 
  • Dr. Magdalena Lidia Ciurea - Project Director
  • Dr. Sorina Lazanu
  • Dr. Valentin Serban Teodorescu
  • Dr. Ionel Stavarache
  • Dr. Catalin Palade
  • Technician 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 (– 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 – 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 – 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, – 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.

ISI Publications: 
  • „Effects of Ge-related storage centers formation in Al2O3 enhancing the performance of floating gate memories”, I. Stavarache, O. Cojocaru, V.A. Maraloiu, V.S. Teodorescu, T. Stoica, M.L. Ciurea, Appl. Surf. Sci. 542, 148702 (2021).
  • „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, 698 (2018).
  • „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


PROJECTS/ NATIONAL PROJECTS


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved