基于HfO2電荷俘獲層氧缺陷存儲(chǔ)特性研究.pdf

1、半導(dǎo)體器件尺寸隨著制造工藝和集成電路技術(shù)迅速發(fā)展而持續(xù)的等比例縮小，隧穿氧化層厚度也隨之不斷減薄，致使泄漏電流增大;存儲(chǔ)單元間隔不斷減小，浮柵與控制柵間耦合降低，導(dǎo)致相鄰浮柵串?dāng)_增強(qiáng)，傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器難以達(dá)到對(duì)存儲(chǔ)器保持特性的要求，故難以實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)發(fā)展所需的高密度存儲(chǔ)?；谶^渡金屬氧化物的高k俘獲層電荷俘獲型存儲(chǔ)器，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，繼承了傳統(tǒng)浮柵結(jié)構(gòu)，完全兼容傳統(tǒng)的CMOS工藝，并且利用其中的相互隔離的電荷陷阱實(shí)現(xiàn)分立式電荷

2、存儲(chǔ)，從而消除了相鄰浮柵串?dāng)_和SILC效應(yīng)，有效抑制了浮柵結(jié)構(gòu)的電荷泄漏。由于過渡金屬氧化物（如HfO2、ZrO2等）具有相對(duì)較高的介電常數(shù)、較好的熱穩(wěn)定性和寬的禁帶，作為俘獲層具有較好的俘獲電荷效率，并且該類存儲(chǔ)器具有較大的存儲(chǔ)窗口，因而引起了人們的廣泛研究。在對(duì)CTM研究中，研究者主要針對(duì)存儲(chǔ)器性能進(jìn)行改善和通過第一性原理計(jì)算從微觀闡明與存儲(chǔ)器性能相關(guān)的特性。然而，關(guān)于HfO2中與氧缺陷相關(guān)的CTM俘獲層電荷俘獲、保持和擦寫速度等特

3、性的微觀內(nèi)在機(jī)理研究較少。本文主要運(yùn)用第一性原理計(jì)算，對(duì)HfO2俘獲層中的氧缺陷特性以及工藝制造過程中引入的雜質(zhì)Al對(duì)氧缺陷特性的影響進(jìn)行了深入的研究。主要內(nèi)容包括：
　?、抨U述了各類改進(jìn)型和新型非易失性存儲(chǔ)器概念，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，說明了CTM研究背景及意義，介紹了CTM存儲(chǔ)器原理以及第一性原理基本概念。通常采用存儲(chǔ)窗口的大小、擦寫速度的快慢，以及耐受性和保持特性來表征存儲(chǔ)器的基本性能，而這些特性是由材料的內(nèi)在機(jī)理所決定的。第

4、一性原理計(jì)算可以研究晶體的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、電子布局、能帶、態(tài)密度、光學(xué)特性（如:介電函數(shù)，反射，折射率），以及摻雜對(duì)晶體的影響等，通過這些計(jì)算的結(jié)果可以反映存儲(chǔ)器擦寫速度、保持特性等性能。系統(tǒng)的了解材料的特性，有助于工藝制造過程中對(duì)各種元素化學(xué)配比的控制。
　?、蒲芯苛烁遦材料HfO2中氧空位缺陷本身及其所引起的晶格結(jié)構(gòu)變化造成的對(duì)俘獲層性能的影響。通過注入電荷進(jìn)入帶缺陷的超胞體系來仿真存儲(chǔ)器件的P/E操作，得出氧空位缺陷間距影響電荷

5、俘獲的程度很小，基本上可以忽略，而氧空位缺陷數(shù)影響則較大，且高配位價(jià)氧空位缺陷俘獲電子能力大。態(tài)密度分析結(jié)果也顯示高配位價(jià)氧空位缺陷引入深缺陷能級(jí)的量子態(tài)數(shù)大，且受缺陷間距離的影響小，俘獲電子的幾率大。高配位價(jià)的氧空位缺陷能夠產(chǎn)生更多的態(tài)密度（Density of states，DOS）和更小的能級(jí)偏移，說明引入深缺陷能級(jí)量子態(tài)數(shù)更多，且數(shù)據(jù)保持特性更好;氧空位缺陷引起的晶格結(jié)構(gòu)變化使電荷局域能也明顯增大，說明對(duì)電荷俘獲的能力增強(qiáng)。由此

6、通過改進(jìn)工藝，增大高配位價(jià)的氧空位缺陷濃度，則能夠更好地改善CTM存儲(chǔ)器的電荷存儲(chǔ)特性。
　　⑶研究了HfO2中間隙氧缺陷對(duì)俘獲層特性產(chǎn)生的影響，針對(duì)不同位置的間隙氧缺陷形成難易程度進(jìn)行了研究，并與氧空位缺陷做了對(duì)比。發(fā)現(xiàn)氧化學(xué)勢(shì)增大時(shí)，間隙氧缺陷形成更容易;最容易形成間隙氧缺陷的位置上缺陷能夠產(chǎn)生靠近導(dǎo)帶底的施主能級(jí)和靠近價(jià)帶頂?shù)氖苤髂芗?jí)，因而對(duì)電子和空穴間都能夠俘獲，但俘獲電子的幾率比俘獲空穴的幾率要小，而且被俘獲的載流子主要

7、聚集在間隙氧原子附近;當(dāng)間隙氧缺陷之間的間距增大時(shí)，缺陷間相互作用由吸引逐漸變?yōu)榕懦饫^而減弱，造成受主能級(jí)數(shù)量與深度都發(fā)生明顯變化，量子態(tài)數(shù)顯著增加，從而有利于增大空穴隧穿氧化層電流。
　　⑷考慮到HfO2和Al2O3多層堆疊柵俘獲層中Al會(huì)導(dǎo)致相對(duì)Si發(fā)生導(dǎo)帶偏移，以及Al可以提高陷阱濃度等原因，制備過程中可以通過調(diào)整Al和Hf的濃度比例來調(diào)整帶隙，以改善HfO2俘獲層特性，故對(duì)Al替位Hf的HfO2超胞中含4價(jià)氧空位缺陷的特性