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Hans Journa l of Nanotechnology
纳米技术
, 2011, 1, 49-55
http://dx.doi.org/10.12677/nat.2011.13010
Published Online November 2011 (http://www.hanspub.org/journal/nat)
Copyright © 2011 Hanspub
Nat
Simulation of Memory Characteristics of
Metal Nanocrystals
Bei Wang, Peihong Cheng, Shihua Huang
*
Department of Physics, Zhe
jiang Normal University, Jinhua
Email:
huangshihua@zjnu.cn
Received: Oct. 9th, 2011; revised: Nov. 7th, 2011; accepted: Nov. 8th, 2011.
Abstract:
Using a transient electrical model, the charging,
discharging and retentive processes in a metal
nanocrystal (NC) memory were simulated. In this
model, the impact of Si surface potential, Coulomb
blockade effect, quantum confinement effect and ther
mal activation were taken into account. The NC memory
with larger size can be programmed faster and has the longer retention time. The retention time increases with
the increase of nanocrystal size or tunneling dielectric thickness. The program time and erase time decrease
with the increase of the gate volta
ge or the decrease of tunneling dielectric thickness. For different metal
materials, the retention time, program speed and erase speed of metal NC memory are not the same. For Pt,
Au, Ni and Al, the retention time of Pt NC is the largest, and the program speed and erase speed of Al NC is
the fastest.
Keywords:
Metal Nanocrystal Memory; Quantum Confine Effect; Coulomb Blockade Effect; Si Surface
Potential; Thermal Activation
金属纳米晶存储器存储特性的模拟
王
蓓,程佩红,黄仕华
*
浙江师范大学物理系,金华
Email: huangshihua@zjnu.cn
收稿日期:
2011
年
10
月
9
日;修回日期:
2011
年
11
月
7
日;录用日期:
2011
年
11
月
8
日
摘
要:
采用一个简单的电学瞬态模型,在理论上模拟
Pt
、
Au
、
Ni
、
Al
金属纳米晶器件的数据保持、
读入和擦除过程。在这个模型中,考虑量子限制效应、库仑阻塞效应、
Si
衬底表面势以及热激发效应
的影响。随着纳米晶直径的增大,隧穿氧化层厚度的增大,保持时间会增大。反之随着栅极电压的增
大,隧穿氧化层厚度的减小,读入时间和擦除时间都会减小。在擦除过程中,当外加的反向偏压的绝
对值减少到一定值的时候,擦除时间会急剧增大,这是因为需要通过热激发参与才能完成隧穿。对于
不同的金属材料,由于它们的功函数不同,保持能力、读入速度和擦除速度相差较大。
Pt
纳米晶存储
器的数据保持能力最强,而
Al
纳米晶存储器的读入速度和擦除速度较快。
关键词:
金属纳米晶存储器;量子限制效应;库仑阻塞效应;
Si
衬底表面势;热激发
1.
引言
非挥发性存储器件是一种重要的存储器件,浮栅
结构是目前最普遍的非挥发存储器的器件结构,但是
随着集成电路中器件尺寸的不断缩小,这种结构存在
的主要局限性在于:一方面,隧穿氧化层必须很薄,
才能形成快速、有效的电荷传输通道,以满足高速的
写入
(P/E)
和擦除操作要求。另一方面,如此薄的隧穿
氧化层,浮栅中的电荷更容易回到沟道中而造成存储
器件的数据保持能力的退化,同时在反复的
P/E
操作
循环过程中产生大量的陷阱或缺陷,从而造成压感漏
电流的增加。因此,出于折衷考虑,传统浮栅存储器
中隧穿氧化层的厚度一般为
8 nm~11 nm
[1]
。另外,
王蓓等
金属纳米晶存储器存储特性的模拟
50
传统
Flash
存储器是采用多晶
Si
薄膜浮栅结构的
Si
基非挥发存储器,电荷被存储于连续的浮栅多晶
Si
层中并可以自由移动,因此,在隧穿氧化层中只要有
少量的缺陷,就极有可能产生漏电通道,从而导致整
个器件失效。解决常规浮栅器件在尺寸缩小方面的局
限性以及可靠性的问题,主要有两种方法:一是采用
高介电常数
(
高
K)
介质替代
SiO
2
隧穿氧化层和控制氧
化层;二是采用分布式离散电荷存储代替连续浮栅存
储,即采用包含很多离散电荷存储区域的薄膜来替代
连续浮栅。
Sandip Tiwari
在
1995
年首先提出并制备了
Si
纳
米晶体非挥发性存储器,电荷储存在非连续的、相互
隔离的纳米晶粒中,每个纳米晶粒只储存少量的电荷,
在整个纳米晶粒中存储的所有电荷共同控制着沟道
[2]
。
但随后的研究表明
[3]
,半导体纳米晶存储器依然存在
一些问题有待解决。由于量子限制效应,相对于块状
材料,半导体纳米晶能带隙会变宽,从而减小了有效
的势阱深度,影响了数据保持时间。其次,因为半导
体纳米晶存储器的数据保持能力的提高主要是利用纳
米晶表面或内部存在电荷陷阱或缺陷,而这些陷阱或
缺陷对后续退火工艺非常敏感,严重影响器件的工艺
稳定性。
Z. T. Liu
于
2002
年发现,利用金属纳米晶存
储器
(MNCM)
可有效地克服上述半导体纳米晶存储器
存在的问题
[4]
,主要因为:在费米能级附近具有更高
的态密度、与沟道具有更好的耦合作用、功函数可调,
以及由于载流子局域而微扰较小,可以得到更小尺寸
的纳米晶颗粒、较强的电荷保持性能、低压
P /E
操作
[4,5]
。当集成电路生产工艺节点进入
50 nm
以下,
MNCM
是被业界认为一种最可能取代传统浮栅结构
的非挥发性存储器件。
尽管
MNCM
的存储特性在实验研究已经很多报
道
[6,7]
,但是从理论上研究的还是比较少。在以前的理
论研究中,金属纳米晶的量子限制效应和库仑阻塞效
应通常被考虑,但是
Si
衬底的表面势和载流子的热激
发通常是被忽略
[8-11]
。事 实上,由 于在
MNCM
的充放
电过程中,
Si
衬底的能带弯曲是不同的,所以表面势
对隧穿氧化层的电压降有很大的影响。因此,为了精
确地计算充放电过程中的隧穿电流密度,
Si
衬底的表
面势应该被考虑。为了把透射系数转换成载流子的实
际隧穿电流,在势垒的另一边必须有可以被电子或空
穴占据的量子态。对于能量低于
Si
衬底的禁带宽度的
电子或空穴而言,直接隧穿是不允许的,这些电子或
空穴必须通过热激发到高于
Si
衬底的禁带宽度的相
应的可以被占据的量子态,然后隧穿到
Si
衬底,这个
热激发过程将减少隧穿电流。
本文在考虑了量子限制效应、 库仑阻 塞效应 、
Si
衬底表面势和热激发的情况下,提出了一个简单的瞬
态电学模型,从理论上模拟了
Pt
、
Au
、
Ni
、
Al
四种
MNCM
的存储特性。充放电、写入
/
擦除时间和电荷
保持时间等进行了计算,分析影响金属纳米晶的数据
保持能力、读入时间和擦除时间的主要因素,最后总
结出提高金属纳米晶存储特性的方法。
2.
理论模型
2.1.
量子限制效应和库仑阻塞效应的影响
对于金属纳米晶,量子限制效应使得电子所占据
的能级发生分裂,量子限制效应会导致金属纳米晶费
米能级增加,增加值
E
F
为:
4
3
F
F
E
E
N
(1)
式中,
E
F
为块状金属的费米能级,
N
是金属纳米晶中
自由电子的总数:
0
F
E
NNEd
E
(2)
自由电子能态密度
N
(
E
)
可表述为:
32
*
12
2
2
4
m
NE VE
h
(3)
其中
V
为金属纳米晶的体积,
E
为电子所处能级,
m
*
近似为自有电子质量。如果把金属纳米晶看作球形,
则
E
F
与金属纳米晶直径
d
nc
之间的关系如下:
23
2
312
2*
3
2
F
h
Ed
m
ncF
E
(4)
对于金属纳米晶,当电子或空穴注入纳米晶颗粒之
后,会在纳米晶表面形成电场,阻止后续电子或空穴的
注入,从而提高了金属纳米晶的费米能级,这一现象被
称为库仑阻塞效应。金属纳米晶中每注入一个电子或空
穴,引起电化学势的增加值
可由下式计算:
Cop
yright © 2011 Hanspub
Nat
王蓓等
金属纳米晶存储器存储特性的模拟
51
2
qC
(5)
式中
q
为单位电荷,
C
为金属纳米晶自身的电容量:
2
ox nc
Cd
(6)
而
ox
为金属纳米晶颗粒所处氧化层的介电常数。
当金属纳米晶的尺寸减小到纳米尺度时,量子限
制效应和库仑阻塞效应都是造成金属纳米晶器件隧穿
势垒减小的重要因素,它们对器件数据的擦除和保持
能力的影响是不能忽略的。金属纳米晶与隧穿氧化层
之间的势垒
b
为
0
(
bb F
N
)
E
(7)
式中
0
b
为不考虑量子限制效应和库仑阻塞效应时金
属纳米晶与隧穿氧化层之间的势垒。
2.2. Si
衬底表面势的影响
图
1
为
MNCM
结构示意图,根据高斯定理,隧
穿氧化层和控制氧化层的电场强度和电压降的关系如
下:
tox toxtox coxnc
EEQ
(8)
Gg
VVV
s
,
g
tox cox
VV V
(9)
式中
tox
是和
cox
分别是控制氧化层和隧穿氧化层的介
电常数,
E
tox
和
E
cox
分别是控制氧化层和隧穿氧化层的
电场强度,
Q
nc
是存储在金属纳米晶中的电荷密度,
V
G
是加在整个器件上的总栅极电压,
V
s
是
Si
衬底表
面势,
V
g
是加在栅极介电层上的有效电压降,
V
tox
和
V
cox
分别为控制氧化层和隧穿氧化层的电压。
从
(11)
和
(12)
可以得到:
/
nc
toxg
ox cox
Q
VkV
d
,
tox
tox cox
d
k
dd
(10)
式中
k
为耦合系数,
d
tox
和
d
cox
分别是隧穿氧化层和控
Figure 1. Schematic structure of MNCN
图
1. MNCM
结构示意图
制氧化层的厚度
层的界面处,连续性条件可
写为:
。
在
Si
衬底和隧穿氧化
Si Si
tox cox
EE
,
x
E
cb to
Eq
(11)
式中
b
是
Si
衬底和隧穿氧化层之间的势垒差,
Si
是
c
Si
Si
的
介电常数,
E
是
Si
衬底的导带底能量,
E
是
Si
衬底的表
面电场强度。
Si
衬底表面附近的电势
V
p
满足
下列泊松方程:
+
2
DA
2
Si
NN
d
d
p
p
p
qp
V
x
n
(12)
式中
和
+
D
N
A
N
分别为
Si
中电离施主和受主浓度,
p
p
分别
Si
读入过程
在数据读入的过程中,在栅极 加上正 向电压 ,
Si
衬底表面的
和
n
p
是
中电子和空穴浓度。在
Si
表面,
V
p
(0)
V
s
,
V
s
就是表面势。在远离半导体表面,
V
p
(
) = 0
。
2.3.
电子费米能级高于金属纳米晶的费米能
级,致使电子从
Si
衬底注入金属纳米晶中,能带结构
示意图如图
2
所示。依赖于隧穿电流密度大小的读入
时间满足下列方程
[12,13]
:
3
2
2
8
Si
D
T
ox b
qm
JE
hm
toxtox
(13)
其中
h
为普朗克常数,
m
和
m
是分别是
Si
衬底 和隧
tox
tox
Si ox
穿氧化层的有效质量,
为电子通过梯形隧穿氧化
层的隧穿几率。利用
Wentzel-kramers-Brillouin(WKB)
近似,
由式
(14)
给出
[13,14]
:
Figure 2. Schematic energy band diagram of MNCM during the
图
2. MNCM
charging processes
数据读入过程能带结构示意图
Cop
yright © 2011 Hanspub
Nat
王蓓等
金属纳米晶存储器存储特性的模拟
52
3/2
3/2
82
mqV
ex
p
3
ox bbtox
tox
tox
qh
E
(14)
金属纳米晶中的电荷密度与隧穿电流有如下关系:
t
(15)
式中
t
W
代表读入时间,
R
nc
=
0
d
nc
nc DT
QRJ
W
t
2
π
4
nc nc
dN
是纳米晶系
CM
中总电数,
N
nc
是纳米晶的密度。
MN
荷量随时间
的变化关系如下:
32
d
nc
Qq
2
32
32
exp
d3
2
82
3
ncnc Si
tox
ox
b
ox bbtox
tox
dNm
E
thm
mqV
qh E
(16)
读入时间在这里定义为
MNCM
中每个金属纳米晶注
2.4.
擦除过程
在数据擦除的过程中,在栅极 加上反 向电压 ,
Si
衬底
入一个电
子所用的时间。
表面的电子费米能级低于金属纳米晶的费米能
级,致使纳米晶颗粒上的电子隧穿至
Si
衬底上。擦除
过程可以分成两种情况:
1)
当
nc
g
bb
ox cox
d
Q
kq
V
,即栅极所加的反
向电压较大时,金属纳米晶的费米能级高于
Si
衬底表
面
的电子费米能级,可以直接隧穿氧化层至
Si
衬底
上,能带结构示意图如图
3
所示。
Figure 3. Schematic energy band diagram of MNCM during the
discharging processes (
g
nc
bb
Q
kq V
d
ox
cox
)
图
3. MNCM
数据擦
除过程能带
结构示意图
(
nc
g
bb
Q
kq V
nc
g
bb
ox cox
Q
kq V
d
ox
cox
d
)
2)
当, 极所加的反
向电压较小时,金属纳米晶的费米能级
的电子费米能级,电子需要再通过热激发过程之后,才
即栅
低于
Si
衬底表面
能隧穿氧化层至
Si
衬底上,能带结构示意图如图
4
所示。
考虑热激发效应以后,上述两种情况的擦除时间
归纳为:
32
d3
nc
th
2
32
32
d
2
82
exp
3
exp
ncnc nc
tox
ox
b
ox bbtox
tox
bb tox
QqdNm
E
m
mqV
qh E
H
kT
qV
(17)
式中,当
> 0
,
H
(
) = 1
;当
< 0
,
H
(
) = 0
,
T
为
温度。在这里,擦除时间定义为
MNCM
中每个纳米
过程中,栅极电压值为
0
,纳米晶
存储器件中会有部分电荷会通过热激发隧穿氧化层至
Si
衬底上 数据保持
晶颗粒转
移出一个电子所用的时间。
2.5.
保持过程
在数据保持的
,能带结构示意图如图
5
所示。 时
间定义为纳米晶存储器中
20%
的电荷隧穿势垒至于
Si
衬底所用的时间。保持时间可写为:
Figure 4. Schematic energy band diagram of MNCM during the
discharging processes (
gate
bb
ox
cox
d
nc
Q
kq V
)
图
4. MNCM
数据擦除过程能带结构示意图
(
nc
g
bb
ox cox
d
Q
kq
V
)
Cop
yright © 2011 Hanspub
Nat
王蓓等
金属纳米晶存储器存储特性的模拟
53
Figure 5. Schematic energy band diagram of MNCM during the
retentive processes
图
5. MNCM
数据保持过程能带结构示意图
32
qdNm
2
ox
32
32
d
d32
82
exp
3
exp
ncncnc nc
t
ox b
ox bbtox
tox
Q
E
thm
mqV
qh E
kT
(18)
3.
结果与讨论
.4 nm
、
d
cox
= 15 nm
,隧穿氧化层材
料为
SiO
的条件下,
Pt
、
Au
、
Ni
、
Al
四种金属纳米
晶的尺度与
寸
增 当
2
化层厚度对
MNCM
保持时间的影响。随着隧穿氧化层厚度的不断增加,
具有
3456789101112131415
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
11
图
6
为
d
tox
= 2
2
MNCM
数据保持时间的关系。当纳米晶
的尺
d
nc
比较小的时候,随着纳米晶尺寸的增大,保
持时间快速 加,而
d
nc
较大时,保持时间增加较为
缓慢。金属纳米晶的尺寸越小,量子限制效应和库仑
阻塞效应越明显,导致金属纳米晶与隧穿氧化层之间
的势垒变化越大,而
MNCM
的保持时间对这个势垒
变化非常敏感。当纳米晶的尺寸增加时,它与隧穿氧
化层之间的有效势垒高度增加,载流子的隧穿几率减
少,从而导致保持时间增大。对于相同的纳米晶尺寸
的
Pt
、
Au
、
Ni
和
Al
而言,
Pt MNCM
的保持时间最
长,
Al
的最短,这是因为
Pt
的功函数最大,有最大
的势垒高度。对于
d
nc
= 5 nm
、
d
tox
= 2.4 nm
、
d
cox
= 15 nm
的
MNCM
而言 ,
Pt
的保持时间约为
17
年,
Au
为
2
年,
Ni
为
1
个月,
Al
为
2
天。
图
7
为
d
nc
= 8 nm
和
d
cox
= 15 nm
、隧穿氧化层材
料为
SiO
的条件下,不同的隧穿氧
器件的数据保持时间快速增长。隧穿氧化层的厚度在
2.0 nm~2.8 nm
之间变化,对于
Pt MNCM
,数据保持
时间从
10
7
秒到
10
13
秒范围内变化。存储器的数据保
持时间对隧穿氧化层的厚度变化非常敏感,这是因为
载流子的隧穿几率随距离的增加而呈指数地减少。
与
SiO
2
介质相比,在物理厚度相同
(
也就是保持
高击穿电压和低泄漏电流不变
)
的情况下,高
K
介质
高介电常数和较低的势垒高度,因此如果用高
K
介质取代
SiO
2
作为存储器的隧穿氧化层,可以在编程
效率和保持特性之间做出更好的折衷选择,从而全面
提升存储器的性能。图
8
比较了
SiO
2
、
Al
2
O
3
、
HfO
2
、
Si
3
N
4
、
ZrO
2
五种不同介质作为隧穿氧化层对
MNCM
保持时间的影响。但是,从图中不能明显看出高
K
介
质的介电常数与存储器的保持时间的关系。这是因为,
由于以高
K
介质作为隧穿氧化层与
Si
衬底之间的势
10
d
tox
=2.4nm
Retention time (s)
Diameter of nanocrystal (nm)
Pt
Au
Ni
Al
Figure 6. Retention time for various nanocryst al materials and the
impact of the size of nanocrystal on retention performance
图
6. Pt
、
Au
、
Ni
、
Al
四种金属纳米晶的尺度与
MNCM
保持时间
的关系
1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.83.0
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
10
11
10
12
10
13
10
14
d
nc
=8nm
Reten tio n t i me (s )
Tunneling dielectric thickness (nm)
Pt
Au
Ni
Al
Figure 7. The dependence of retention time on tunneling dielectric
thickness for MNCM
图
7. Pt
、
Au
、
Ni
、
Al
四种金属纳米晶隧穿氧化层的厚度与
MNCM
保持时间的关系
Cop
yright © 2011 Hanspub
Nat
王蓓等
金属纳米晶存储器存储特性的模拟
54
5 1015202530
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
10
11
d
nc
=8nm
d
toc
=2.4nm
Retention t im e (s )
Permittivity of tunneling dielectric
Pt
Au
Ni
Al
Al
2
O
3
Si
O
2
Si
3
N
4
ZrO
2
HfO
2
Figure 8. The impact of tunneling dielectric and nanocrystal
material on the device
retention characteristic
图
8.
不同隧穿氧化层对
MNCM
保持时间的影响
垒高度较低,载流子的隧穿几率增加,从而导致保持
时间减少。另一方面,介电常数的增加,可以减少加
除时间的影响。当
V
G
= 8 V
,
d
nc
= 1.8 nm
时,
读入和擦
–8
10
–6
d
= 2.8 nm
时,读入和擦
10
秒。这说明读入和擦除时间对隧穿氧化层的厚度非常
度的增加,时间急剧增加。从
相同的情况下,读入时间比擦除时间大
一些,这
是由于金属纳米晶和衬底的势垒不对称所
擦除过程
变。
在隧穿氧化层上的电场,从而提高存储器的数据保持
性能。
图
9
为外加栅极总电压
(
V
G
)
对
Al MNCM
的读入
时间和擦
除时间分别为
10
和秒;
而当
V
G
= 8 V
,
nc
除时间分别为
10
–4
和
–2
敏感,随
着厚图
6
中可
以看出,在
V
G
Si
导致的。
对于 而言,当栅极电压减少到
–3 V
附近时,擦除时间增加得非常快,在这里有一个突变,
而对于读入过程则观察不到这种现象。在擦除过程中
观察到的时间突变,可以用热激发来解释。在擦除的
过程中,当加在栅极上的反向电压值较小的条件下,
随着栅极电压值的减小,擦除时间迅速增大。这是因
为栅极所加的反向电压较小时,金属纳米晶的费米能
级低于
Si
衬底表面的电子费米能级,电子需要再通过
热激发过程之后,才能隧穿方式隧穿至
Si
衬底。而发
生热激发的几率很小,导致最终成功隧穿氧化层的电
子数剧烈减小,致使隧穿电流减小,从而大幅度增大
了擦除时间。而在读入过程中,
Si
导带底能级始终大
于金属纳米晶的费米能级,因此不需要通过热激发参
与就能完成隧穿,因此读入过程中读入时间不存在突
10
9
10
11
10
13
10
15
-12-10-8 -6 -4 -2024681012
10
-9
10
-7
10
-5
10
-3
10
-1
10
1
10
3
10
5
10
7
Program time (s)
Gate voltage (V )
d
tox
=1.8nm
d
tox
=2.0nm
d
tox
=2.4nm
d
tox
=2.8nm
Erase
Wr
ite
10
-9
10
-7
10
-5
10
-3
10
-1
10
1
10
3
10
5
10
7
10
9
10
11
10
13
10
15
d
nc
=5nm
Figure 9. The dependence of program time on tunneling dielectric
thickness and gate voltage for MNCM
图
9.
不同隧穿氧化层厚度的
Al MNCM
的 栅极电压与读入和擦除
时间的关系
-12-10-8-6-4-20 2 4 6 81012
10
-8
10
-6
10
-4
10
-2
10
0
10
2
10
4
10
6
10
8
10
12
10
10
Program time (s)
Gate Voltage (V)
Pt
Au
Ni
Al
Erase
Write
10
-8
10
-6
10
-4
10
-2
10
0
10
2
10
4
10
6
10
8
10
10
10
12
d
nc
d
to
=5nm
x
=2nm
Figure 10. The impact of gate voltage and nanocrystal mat erial on
the device program characteristic
图
10.
四种金属纳米晶材料的
MNCM
的栅极电压与读入和擦除时
间的关系
时间和擦
除时间的影响。在相同的栅极电压下,
Al
纳
米晶
图
10
为
d
nc
= 5 nm
、
d
tox
(SiO
2
) = 2 nm
,
Pt
、
Au
、
Ni
、
Al
四种不同的金属纳米晶材料对
MNCM
的读入
器件
的读入和擦除时间比
Ni
、
Au
和
Pt
的要短。
这是因为
Pt
的功函数最大,相应的势垒高度也最大,
而
Al
的函数最小,相应的势垒高度也最小。当
V
G
=8
V
时,
Al
的读入时间和擦除时间为
0.1
s
和
10
s
,
Pt
的读入时间和擦除时间为
10
s
和
1 ms
,
Al
纳米晶
器件的读入速度和擦除速度是
Pt
纳米晶器件的
100
倍。对于以读入和擦除时间为主要考虑因素的纳米晶
存储器件,金属材料起着很大的影响。当存储器以数
据读入时间和擦除时间短为主要功能时,
Al
纳米晶存
Cop
yright © 2011 Hanspub
Nat
王蓓
等
金属纳米晶存储器存储特性的模拟
Copyright © 2011 Hanspub
Nat
55
塞效应、
Si
衬底
激发的情况下,提出了一个简单的瞬
理论上模拟了
Pt
、
Au
、
Ni
、
Al
四种
MN CM
的存
然科学基金
(61076055)
和金华
科技
参考文献
(References)
an. Fast and long retention-time
储器件相比其他
MNCM
占优势。
4.
结论
在考虑了量子限制效应、库仑阻
表面势和热
学模型,从
态电
储特性。模拟结果表明:随着纳米晶直径和隧穿
氧化层厚度的增大,保持时间会增大。而随着栅极电
压的增大,隧穿氧化层厚度的减小,读入时间和擦除
时间都会
减小。在隧穿氧化层厚度为
2.4 nm
,直径为
8 nm
的
Au
足够保证数据保持时间长达
10
年,
而在栅
极电压为
10 V
时,读入和擦除时间可以达到
0.1 ms
。
较大尺寸的纳米晶存储器件有着更长的保持时间和更
快的读入速度和擦除速度。对于不同的金属材料,由
于它们的功函数不同,保持能力、读入速度和擦除速
度是不一样的。
Pt MNCM
的数据保持能力最强,而
Al MNCM
的读入速度和擦除速度较快。在擦除过程
中,当外加的反向偏压的绝对值减少到一定值的时候,
擦除时间会急剧增大,这是因为需要通过热激发参与
才能完成隧穿,电子发生热激发效应的几率很小,使
得擦除时间发生突然增大的现象。在
Pt
、
Au
、
Ni
、
Al
四种
MNCM
中,当存储器以数据读入和擦除为主要
功能时,
Al
纳米晶存储器相比
Pt
、
Au
、
Ni
的占优势;
而当存储器以数据保持为主要功能时,
Pt
纳米晶存储
器占优势。通过对金属纳米晶材料、纳米晶的直径大
小以及隧穿氧化层厚度等物理量的改变,满足不同功
能
MNCM
的需求。当工艺节点向
50 nm
以下发展时,
MNCM
将是浮栅结构的有力竞争者,将会有良好的非
挥发存储应用前景。
5.
致谢
本文得到了国家自
计划项目
(2009-1-141)
的资助,特此致谢!
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