Nanocristale de SiGeSn cu proprietati de stocare de sarcina la nanoscala – SIGESNANOMEM


Project Director: Dr. Ana Maria Lepadatu

ID-ul Proiectului: 19 din 1/05/2018 (PN-III-P1-1.1-TE-2016-2366)

Director de Proiect: Dr. Ana-Maria Lepadatu

Tipul proiectului: National

Programul de incadrare al proiectului: Programul 1 - Dezvoltarea sistemului național de cercetare-dezvoltare, Subprogramul 1.1 - Resurse umane : Proiecte de cercetare pentru stimularea tinerelor echipe independente

Finantare: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii - UEFISCDI

Contractor: INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR

Status: In progress

Data de inceput: Miercuri, 1 Mai 2019

Data finalizarii: Vineri, 30 Aprilie 2021

Rezumatul Proiectului SIGESNANOMEM:

In acest proiect ne propunem sa obtinem materiale nanostructurate pe baza de nanocristale (NC) de SiGeSn imersate in matrice oxidica, cu proprietati de stocare de sarcina utile pentru aplicatii de memorii nevolatile. Materialul propus este complet nou, dincolo de nivelul actual al tehnologiei, neexistand raportari in literatura. Scopul proiectul va fi atins prin 5 obiective specifice: O1) obtinerea de capacitori cu trei straturi cu poarta flotanta din NC de  SiGeSn imersate in matrice oxidica (SiO2, HfO2) prin pulverizare cu magnetron urmata de nanostructurare prin tratament termic; O2) caracterizarea morfologica si structurala a structurilor cu trei straturi  pe baza de NC in scopul optimizarii parametrilor tehnologici; O3) investigarea proprietatilor electrice si de stocare de sarcina si corelarea acestora cu structura si morfologia; O4) evaluarea parametrilor de memorie ai capacitorilor cu NC de SiGeSn in functie de morfologia si compozitia lor; O5) diseminarea rezultatelor. Pentru realizarea proiectului vom folosi abordarea cu trei straturi pentru structurile de memorie de tip capacitor MOS cu poarta flotanta pe baza de NC de SiGeSn cu rol de noduri de stocare de sarcina, NC fiind separate unele de altele, avand dimensiune si concentratie optime si fiind potrivit pozitionate la distanta tunelabila fata de substratul de Si. In plus, distributia spatiala a NC de SiGeSn in poarta flotanta va fi optimizata pentru obtinereaunei matrici bidimensionale. Proprietatile de memorie (fereastra de memorie si retentia) vor fi controlate prin varierea compozitiei si dimensiunii NC si prin obtinerea unui oxid tunel de foarte buna calitate si de grosime optima. Expertiza inalta si complementara a membrilor echipei va asigura implementarea proiectului intr-o tematica la limita cunoasterii stiintifice si tehnologice. Rezultatele stiintifice originale vor fi publicate in 5 lucrari in reviste cotate ISI de mare impact si vor fi prezentate la conferinte internationale de prestigiu.

Obiectivele proiectului: 

Obtinerea de materiale nanostructurate pe baza de NCs din sistemul SiGeSn cu proprietati de stocare de sarcina, prin modificarea morfologiei structurilor  cu trei straturi si a compozitiei NCs. Proiectul vizeaza realizarea unui capacitor MOS cu 3 straturi cu poarta flotanta din NCs de SiGeSn in morfologie 2D.

Dr. A.M. Lepadatu - Director Proiect

Dr. I. Stavarache

Dr. V.A. Maraloiu

Dr. A. Slav

Dr. C. Palade

Rezumat Etapa II / 2020

In Etapa II au fost realizate si caracterizate complex structuri de memorie cu 3 straturi de tip capacitor MOS, HfO2 de poarta / poarta flotanta din NC SiGeSn in HfO2 / HfO2 tunel / p-Si substrat in care poarta flotanta este formata din nanocristale de SiGeSn (NC SiGeSn) cu rol de centri de stocare de sarcina, imersate in HfO2. Straturile au fost depuse prin pulverizare cu magnetron si au fost nanostructurate prin tratamente termice rapide (RTA). S-au efectuat investigatii complexe de compozitie, morfologie si structura prin microscopie electronica de transmisie (TEM), spectroscopie Raman si difractie de raze X (XRD). Structurile de memorie au fost caracterizate din punct de vedere al proprietatilor electrice si de memorie care la randul lor au fost corelate cu morfologia si structura.

Astfel, in prezenta etapa s-au preparat diferite loturi de structuri pe baza rezultatelor din Etapa I / 2019, adica in Etapa II / 2020 parametrii tehnologici pentru preparare au fost rafinati, si anume compozitia stratului intermediar de SiGeSn-HfO2 (raportul vol. SiGeSn : HfO2), grosimile celor 3 straturi din structura si temperatura de tratament RTA. Pentru depunere s-a ales configuratia configuratia HfO2 de poarta / SiGeSn-HfO2 / HfO2 tunel / p-Si substrat tinand cont de rezultatele bune obtinute in Et. I privitoare la proprietatile de memorie. S-au depus 2 loturi de probe, lotul M1 similar cu cel din Et. I / 2019 si respectiv lotul M2, acesta din urma avand stratul intermediar si cel de poarta mai groase, pe cand stratul de HfO2 tunel este mai subtire.

Investigatiile XTEM au pus in evidenta formarea de NC SixGe1-x-ySny in poarta flotanta, NC sunt bogate in Ge, au continut foarte mic de Si (x = 5% Si), diametre de ~5 nm si structura cristalina a diamantului (structuri M1-RTA). 2 tipuri de NC SixGe1-x-ySny se gasesc in functie de pozitia acestora in stratul intermediar. Primul tip este caracterizat prin NC care sunt practic de Ge (y ~ 2% Sn) si sunt pozitionate in stratul intermediar. Al doilea tip se refera la NC GeSn cu continut y ~ 15% Sn si care se gasesc la marginea stratului intermediar. Investigatiile de imprastiere Raman au aratat de asemenea formarea de NC GeSn (y ~ 11 – 12% Sn, x = 5% Si) si de NC Ge in structurile M1 si M2 tratate RTA la 520 si 530 oC. Investigatiile XRD au aratat de asemenea formarea de NC GeSn. S-a aratat ca tratamentul RTA la 600 oC conduce la micsorarea continutului de Sn in NC datorita difuziei Sn la suprafata.

Din punct de vedere al proprietatilor de memorie (corelate cu cele de structura si de morfologie din caracterizarea complexa) am obtinut ca structurile cele mai bune (M1 si M2 din prezenta etapa) sunt cele tratate RTA la 520 si 530 oC. NC SiGeSn evidentiate (XTEM, Raman, XRD) in aceste structuri  sunt responsabile pentru bucla de histerezis CV cu sens anti-orar si cu fereastra de memorie ΔV in intervalul 3 – 4 V. Tratamentele RTA la temperaturi mai mari (550 – 600 oC) conduc la obtinerea de histereze deformate si cu fereastra de memorie mica, in jurul valorii 1 V.

Rezultatele (impreuna cu obiectivele si activitatile propuse) prevazute in Planul de Realizare pentru Etapa II referitoare la obtinerea de structuri de capacitori cu poarta flotanta din NC SiGeSn, caracterizate din punct de vedere al proprietatilor electrice si de memorie (caracteristici si parametri) si la diseminarea rezultatelor (3 lucrari ISI; participare cu 2 lucrari la conferinte internationale) au fost integral realizate.

In Etapa II / 2020 am trimis spre publicare o lucrare intr-o revista cotata ISI care se afla in proces de evaluare a manuscrisului revizuit (ulterior acceptata si publicata - Applied Surface Science 542, 148702 (2021)). Alte 2 lucrari se afla in curs de finalizare pentru a fi trimise spre publicare in reviste cotate ISI. Pagina web a proiectului https://infim.ro/en/project/sigesn-nanocrystals-with-charge-storage-properties-at-nanoscale-sigesnanomem/ a fost actualizata si este actualizata permanent.

 

Rezumat Etapa I / 2019

In Etapa I au fost realizate structuri test de memorie cu 3 straturi de tip capacitor MOS, HfO2 de poarta / NC SiGeSn - HfO2 poarta flotanta / HfO2 tunel / p-Si substrat in care poarta flotanta este formata din NC SiGeSn cu rol de centri de stocare de sarcina, imersate in HfO2. Straturile au fost depuse prin pulverizare cu magnetron si au fost nanostructurate prin tratamente termice rapide (RTA). Prepararea structurilor a presupus varierea compozitiei stratului intermediar, a conditiilor de depunere si a conditiilor de tratament RTA. S-au testat 2 tipuri de loturi, lotul M1 in care s-au depus succesiv straturile HfO2 de poarta / SiGeSn / HfO2 tunel pe plachete de p-Si si respectiv lotul M2 depus in configuratia HfO2 de poarta / SiGeSn-HfO2 / HfO2 tunel / p-Si substrat. Configurarea capacitorilor MOS s-a facut prin depunerea de electrozi de Al. S-au efectuat studii preliminare cu scopul optimizarii parametrilor tehnologici pentru obtinerea de structuri cu proprietati bune de memorie.

Investigatiile XRD au pus in evidenta formarea de NC SiGeSn cu structura diamantului si cu continut de 4,45:84,55:11 Si:Ge:Sn in structurile M1 (RTA 530 oC, 600 oC), in care stratul intermediar depus a fost doar de SiGeSn (8 – 10 nm). In structurile M2 nu s-au putut evidentia NC SiGeSn prin masurari XRD datorita limitarii metodei de a evidentia NC SiGeSn cu dimensiuni mici si separate intre ele in matricea de HfO2 in poarta flotanta de grosime mica (8 – 10 nm).

Am obtinut bucle de histerezis CV cu sens anti-orar si cu fereastra de memorie independenta de frecventa atat in capacitorii M1 cat si in capacitorii M2, ceea ce arata ca injectia purtatorilor de sarcina se face din substratul de Si prin stratul de HfO2 tunel si ca mecanismul de stocare de sarcina se realizeaza in NC SiGeSn. Cele mai bune caracteristici de memorie le-am obtinut pe capacitorii M2 depusi in configuratia HfO2 de poarta / SiGeSn-HfO2 / HfO2 tunel / p-Si substrat tratati termic RTA la 530 oC, obtinand ferestre mari de memorie de ≈3,9 V.

In Etapa I / 2019 am publicat o lucrare intr-o revista cotata ISI si am prezentat 4 lucrari la conferinte internationale. Am creat si actualizat pagina web a proiectului la adresa: https://infim.ro/en/project/sigesn-nanocrystals-with-charge-storage-properties-at-nanoscale-sigesnanomem/.

Dupa cum rezulta de mai sus, rezultatele prevazute in Planul de Realizare pentru Etapa I referitoare la obtinerea de structuri test de memorie cu 3 straturi, cu NC SiGeSn si la diseminarea rezultatelor – lucrare ISI trimisa spre publicare, participare cu lucrare la conferinta internationala si pagina web a proiectului au fost integral realizate.

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa I/2019 au fost integral realizate.

Lucrari publicate in reviste ISI:

  1. “Effects of Ge-related storage centers formation in Al2O3 enhancing the performance of floating gate memories”, authored by I. Stavarache, O. Cojocaru, V.A. Maraloiu, V.S. Teodorescu, T. Stoica, M.L. Ciurea, Applied Surface Science 542, 148702 (2021)
  2. “Orthorhombic HfO2 with embedded Ge nanoparticles in nonvolatile memories used for the detection of ionizing radiation”, C. Palade, A. Slav, A.M. Lepadatu, I. Stavarache, I. Dascalescu, V.A. Maraloiu, C.C. Negrila, C. Logofatu, T. Stoica, V. Teodorescu, M.L. Ciurea, S. Lazanu, Nanotechnology 30, 365604 (2019)
  3. “Quantum confinement in hydrogen-passivated GeSi nanocrystals” - manuscris in curs de finalizare pentru a fi trimis spre publicare la Journal of Physical Chemistry C
  4. “Ferroelectric phase formation by rapid thermal annealing of sputtered HfO2/Ge-rich Ge-HfO2/HfO2 stacks on Si” - manuscris in curs de finalizare pentru a fi trimis spre publicare intr-o revista cotata ISI

Lucrari prezentate la conferinte:

  1. „Advances in Ge nanocrystals-based structures for SWIR sensors and non-volatile memories”, C. Palade, A. Slav, A.M. Lepadatu, I. Stavarache, I. Dascalescu, O. Cojocaru, I. Lalau, S. Lazanu, C. Logofatu, T. Stoica, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, IBWAP 2019, 16-19 iulie 2019, Constanta (prezentare invitata)
  2. „Germanium nanocrystals in oxide matrix for non-volatile memories and ionizing irradiation sensors”, M.L. Ciurea, I. Stavarache, A. Slav, C. Palade, A.-M. Lepadatu, I. Dascalescu, I. Lalau, O. Cojocaru, V.S. Teodorescu, A.V. Maraloiu, S. Lazanu, T. Stoica, 3rd International Conference on Applied Surface Science (ICASS 2019), 17-20 iunie 2019, Pisa, Italia (poster)
  3. „New advanced materials based on SiGeSn nanocrystals in oxides for SWIR phototodetectors and non-volatile memory devices”, C. Palade, I. Stavarache, A.M. Lepadatu, A. Slav, S. Lazanu, T. Stoica, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, F. Comanescu, A. Dinescu, R. Muller, G. Stan, A. Enuica, M.T. Sultan, A. Manolescu, H.G. Svavarsson, EuroNanoForum 2019 (Nanotechnology and Advanced Materials Progress Under Horizon2020 and Beyond), 12-14 iunie 2019, Bucuresti (poster)
  4. „GeSnSiO2 layers with embedded GeSn nanocrystals for sensing in SWIR”, A. Slav, C. Palade, C. Logofatu, I. Dascalescu, A.M. Lepadatu, I. Stavarache, S. Iftimie, V. Braic, S. Antohe, S. Lazanu, V.S. Teodorescu, D. Buca, M.L. Ciurea, T. Stoica, M. Braic, EMRS 2019, 27-31 mai 2019, Nisa, Franta (prezentare orala)

PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2021 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved