以電漿製備Ni奈米顆粒與其在HfO2/Ni/SiO2堆疊上之電容效應

Abstract

在快閃記憶體的可能應用中，成功開發電子迴旋共振化學氣相沉積(ECR-CVD)氫電漿處理以形成鎳奈米懸浮閘顆粒的製程，其目的為降低製程溫度、提高顆粒密度及改善顆粒尺寸均勻性問題。首先，在7.5 nm厚 SiO2之矽晶片上鍍上非揮發性記憶體之懸浮閘材料(Ni)。接著在經由改變不同氫電漿參數，如時間、偏壓、微波功率、溫度等，對Ni/SiO2/Si堆疊結構進行ECR-CVD氫電漿處理。然後，將某些已經過處理之堆疊，鍍上控制氧化層HfO2及鋁閘極，來形成Al/HfO2/Ni/SiO2/Si/Al堆疊。使用場發射掃描式電子顯微技術、原子力顯微技術、高解析度穿透式電子顯微技術、X光電子能譜技術及電容電壓量測系統等，去探討經過每個製程步驟後試片的結構及性質。從實驗結果，可獲得下列結論。 對電漿蝕刻溫度的影響而言，蝕刻的溫度(300oC ~ 470oC)對鎳奈米顆粒的尺寸均勻性並未造成明顯的影響，但較低溫度形成的鎳奈米顆粒密度會稍微提高(高達6.0×1011 /cm2)，且可減少對穿隧層產生的可能性破壞或是反應形成矽化物。換句話說，製程溫度(300oC)遠低於文獻上提過的溫度(~500oC)。 關於電漿蝕刻時間對於鎳奈米顆粒密度及尺寸均勻性而言，電漿主要可熔化鎳薄膜以形成奈米尺寸的島狀物；然而蝕刻時間拉長時，會使得較多的小島狀物聚集成較大的顆粒，或是蝕刻時間太久(~10分鐘)，鎳原子被轟離基材表面，因而造成顆粒密度的下降。目前，若要產生最佳鎳奈米顆粒密度所需之最佳蝕刻時間約為3分鐘。換句話說，相對地可儲存的電子電荷密度可達4.5×1012 cm-2，在掃描偏壓為±12 V時電容記憶視窗開了4.5 V。