Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και μελέτη μεταλλικών νανοκρυστάλλων στη διεπιφάνεια SiΟ₂ / HfΟ₂ με εφαρμογή σε δομές στοιχείων μνήμης

Abstract

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής εργασίας είναι η ανάπτυξη μεταλλικών νανοκρυστάλλων μεγάλης πυκνότητας και ομοιόμορφου μεγέθους πάνω σε διηλεκτρικό στρώμα (SiΟ₂ ή HfΟ₂). Τα μέταλλα τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των νανοκρυστάλλων είναι το παλλάδιο (Pd), η πλατίνα (Pt), ο χρυσός (Au) και το βολφράμιο (W). Η ανάπτυξη γίνεται σε θάλαμο υψηλού κενού, με εξάχνωση, με τη βοήθεια κανονιών ηλεκτρονίων. Εξετάζονται οι συνθήκες ανάπτυξης καθώς και ο τρόπος με τον οποίο αυτές επηρεάζουν το μέγεθος και την πυκνότητα των νανοκρυστάλλων. Στη συνέχεια, κατασκευάζεται δομή Μετάλλου- Οξειδίου - Ημιαγωγού (MOS) η οποία περιέχει τους κατασκευασθέντες νανοκρυστάλλους και διερευνάται η λειτουργία αυτής ως στοιχείου μνήμης. Αποδεικνύεται ότι η συγκεκριμένη δομή πράγματι λειτουργεί ως στοιχείο μνήμης, εμφανίζοντας μια σειρά πλεονεκτημάτων έναντι των κλασικών μνημών τα οποία απορρέουν από το γεγονός ότι η λειτουργία της συγκεκριμένης δομής βασίζεται στη μετακίνηση και αποθήκευση εντός των νανοκρυστάλλων ενός πολύ μικρού αριθμού ηλεκτρικών φορτίων και όχι εκατοντάδων όπως συμβαίνει στις κλασικές μνήμες. Η ανάπτυξη των νανοκρυστάλλων αποτελεί βασικό στάδιο για την κατασκευή διατάξεων ενός ηλεκτρονίου οι οποίες θα αποτελέσουν τη βάση της νανοηλεκτρονικής τεχνολογίας στο μέλλον. Στο 1ο Κεφάλαιο της Διατριβής γίνεται σύντομη περιγραφή των υπαρχόντων δομών μνήμης καθώς και περιγραφή της λειτουργίας των δομών MOS με νανοκρυστάλλους ως στοιχεία μνήμης. Στο ίδιο κεφάλαιο αναφέρονται τα πλεονεκτήματα των δομών αυτών. Τέλος, τονίζονται τα πλεονεκτήματα χρησιμοποίησης μεταλλικών νανοκρυστάλλων έναντι των ημιαγώγιμων. Στο 2ο κεφάλαιο περιγράφονται οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή τόσο για την ανάπτυξη των νανοκρυστάλλων όσο και των δομών MOS που περιέχουν αυτούς. Γίνεται αναλυτική περιγραφή των συνθηκών ανάπτυξης ανάλογα με το υλικό από το οποίο αποτελούνται οι νανοκρύσταλλοι που αναπτύσσονται. Επίσης περιγράφεται αναλυτικά η παρασκευή του διηλεκτρικού στρώματος (SiΟ₂ ή HfΟ₂). Στο 3ο Κεφάλαιο πραγματοποιείται ο δομικός χαρακτηρισμός των αναπτυγμένων νανοκρυστάλλων καθώς και των δομών που περιέχουν αυτούς με χρήση μικροσκοπίου διέλευσης ηλεκτρονίων (ΤΕΜ), ενώ συσχετίζεται το μέγεθος και η πυκνότητα των νανοκρυστάλλων με τις συνθήκες ανάπτυξης. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφεται αναλυτικά η ηλεκτρική μελέτη των παρασκευασθέντων δομών. Αρχικά μελετώνται οι χαρακτηριστικές χωρητικότητας- τάσης (C-V) καθώς και διαγωγιμότητας- τάσης (G-V). Αυτές οι χαρακτηριστικές εμφανίζουν το φαινόμενο της υστέρησης γεγονός το οποίο αποδεικνύει ότι οι παρασκευασθείσες δομές λειτουργούν ως στοιχεία μνήμης. Εν συνεχεία, μελετάται ο χρόνος διατήρησης του ηλεκτρικού φορτίου στους νανοκρυστάλλους, η αντοχή των δομών αυτών σε διαδοχικούς κύκλους εγγραφής- διαγραφής, ο μηχανισμός εγγραφής της πληροφορίας καθώς και η τιμή της τάσης πύλης κατά την οποία πραγματοποιείται αυτή. Τέλος, αναφέρονται τα συμπεράσματα τα οποία προκύπτουν από την συγκεκριμένη μελέτη ενώ, αναφέρονται και μελλοντικές τάσεις στην έρευνα των συγκεκριμένων δομών ως στοιχείων μνήμης.