基于电子束共蒸发法制备高K介质层中的硅纳米晶的物性及存储器应用研究

硅基纳米晶材料是当今纳米领域的研究热点，在半导体非挥发存储器以及未来的硅基光电应用领域产生了深远的影响。硅纳米晶应用于半导体存储器领域是目前最为活跃的研究方向之一。然而，如何在高介电常数材料中制备高密度的硅纳米晶，这种高介电常数材料对硅纳米晶的生长和物性的影响，以及硅纳米晶的物性与存储器的存储特性相互影响的物理机理还缺乏系统的研究，但这却是硅纳米晶材料在存储器应用领域最关键的环节。本项目拟建立硅纳米晶在高介电常数介质中的物性与存储特性的物理模型；研究硅纳米晶的生长机理及其对光学特性的影响；深入研究高介电常数介质中硅纳米晶的电荷存储机理等。最终分析内在规律，提高纳米晶浮栅存储器的存储特性。工艺上，创新的研发了电子束共蒸发法在高介电常数介质中制备高密度叠层硅纳米晶。本项目研究成果对提高纳米晶浮栅非挥发存储器的存储特性具有重要意义。

硅纳米晶在高介电常数材料(如：氧化铪等)中的制备和物性在近几年仍然是功能材料领域的研究热点。硅纳米晶/高k介质薄膜的应用非常广泛，包括：微电子非挥发存储器、光电太阳能电池等，在上述领域均产生了革命性的突破。目前，存储器领域的“电荷俘获浮栅存储器，CTM”和太阳能电池领域的“宽能谱上下转换多结太阳能电池，ECPV”等领域都用到了硅纳米结构，因此，深入研究硅纳米晶的制备和物性有利于我国半导体产业的发展和进步。本项目在硅纳米晶在高k介质中的制备和物性方面，针对关键科学问题：纳米晶在高k介质层的物性以及对存储器的存储特性的影响的机理加以深入研究。项目按期开展并顺利执行，具体研究包括：电子束共蒸发法成功制备硅纳米晶在高介电常数(氧化铪)薄膜材料，硅纳米晶/高k氧化铪浮栅面密度高达：6.5×1012 cm-2；研究了硅纳米晶在氧化硅、氧化铪介质中的物性，光电特性和电荷存储机理，研究发现：硅纳米晶在氧化硅、氧化铪介质中的形成会造成拉曼光谱的移动，从而计算出硅纳米晶的大小为：~4nm（氧化硅介质），~2.4nm（氧化铪介质）；硅纳米晶的物性对存储器的存储特性的影响。最终表明：硅纳米晶的面密度和直径均会对存储特性产生影响，最大可编程的阈值窗口可达到：3.94 V(高k介质：HfSi4O¬2)。上述结果表明硅纳米晶/高k介质氧化铪浮栅材料可满足在浮栅非挥发存储器方面的应用。此外，根据国际国内形势的发展需要，本项目还在上述基础上拓展了硅纳米晶和微纳结构在存储器、太阳能电池等领域的研究，为继续全面系统的开展硅微纳结构的材料特性和应用奠定了基础。