高k柵堆棧電荷陷阱型MONOS存儲器的研究.pdf

1、電荷陷阱型存儲器作為傳統(tǒng)懸浮柵Flash存儲器的后時代應(yīng)用,目前所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)是在不斷縮小的工藝節(jié)點要求下,實現(xiàn)在降低工作電壓的同時,獲得大的存儲窗口、快的編程/擦除速度、好的疲勞特性以及10年數(shù)據(jù)保持力。對于Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon(MONOS)型存儲器,使用高k材料替代傳統(tǒng)的SiO2和Si3N4,對其阻擋層、電荷存儲層和隧穿層各功能層從材料、結(jié)構(gòu)及制備工藝等方面進行優(yōu)化,是改善和提高電荷陷

2、阱型存儲器性能的主要途徑。本論文即圍繞上述內(nèi)容開展研究工作。在實驗方面,對多種高k介質(zhì)材料作為電荷存儲層進行了研究比較,并設(shè)計制備了新型雙存儲層結(jié)構(gòu)、高k/低k雙隧穿層結(jié)構(gòu),對制備工藝進行了優(yōu)化,以獲得存儲窗口、編程/擦除速度、數(shù)據(jù)保持力和疲勞特性之間的較好折衷;在理論方面,建立了MONOS存儲器編程狀態(tài)下的電子保持特性模型。
　　在電荷存儲層高k介質(zhì)材料以及制備工藝方面,開展了以下研究工作:①通過在La基氧化物中添加過渡金屬Hf

3、、Ti、Y,形成La系二元混合金屬氧化物作為MONOS存儲器的電荷存儲層。實驗發(fā)現(xiàn),氮化的LaHfO(LaHfON)由于N的引入增加了電荷陷阱密度,提高了陷阱的電荷俘獲效率,同時強的Hf-N、La-N鍵的形成以及好的LaHfON/SiO2界面質(zhì)量增強了介質(zhì)穩(wěn)定性,有利于電荷的保持;La基氧化物中摻Y(jié)比摻Ti更有利于增加存儲層的電荷陷阱密度,提高電荷俘獲效率,并在淀積后的退火處理過程中能更有效地抑制存儲層與SiO2界面附近過渡層的形成,從

4、而減少了淺能級陷阱或缺陷的產(chǎn)生,使存儲器在獲得大的存儲窗口和快的電荷注入速度的同時,也具有好的的疲勞特性和電荷保持力;②采用GdO作為電荷存儲層,研究濺射過程中不同氣體環(huán)境(N2或O2)以及淀積后不同熱退火處理工藝對介質(zhì)薄膜質(zhì)量和存儲性能的影響。實驗結(jié)果表明,N引入GdO介質(zhì)中導(dǎo)致大量電子陷阱產(chǎn)生,大大增加了存儲窗口,且通過5500C/2min的NH3退火處理,能夠有效抑制存儲層/SiO2界面附近淺能級陷阱的產(chǎn)生,調(diào)整存儲層中陷阱分布,

5、可獲得存儲窗口、編程/擦除速度以及疲勞和電荷保持特性之間的較好折衷。
　　在新型柵堆棧結(jié)構(gòu)方面:①提出了Au/HfAlO/AlN/(HfON/SiO2)/Si多層?xùn)哦褩＝Y(jié)構(gòu):采用k值相差較大的高kHfON介質(zhì)層與SiO2結(jié)合形成HfON/SiO2雙隧穿層結(jié)構(gòu),提高了電荷注入效率和速度;具有深能級陷阱的AlN作為電荷存儲層提供了優(yōu)良的電荷俘獲能力和電荷存儲穩(wěn)定性;高功函數(shù)的Au電極以及具有合適k值和勢壘高度的HfAlO阻擋層能夠有效

6、減少擦除期間來自控制柵的電子注入以及保持期間存儲層中電荷的泄漏,縮短擦除時間,提高數(shù)據(jù)保持力;②從帶隙工程出發(fā),提出并制備了由高k介質(zhì)TiON/HfON組成的雙存儲層結(jié)構(gòu),利用淀積后快速熱退火過程中Ti、Hf元素的互擴散,形成Ti、Hf含量漸變的Hf1-xTixON混合層,從而形成從隧穿層到阻擋層帶隙逐漸增加的錐形能帶結(jié)構(gòu)(禁帶寬度隨Ti含量的增加而單調(diào)減小)。Hf1-xTixON混合層具有高的電荷陷阱密度,其錐形能帶結(jié)構(gòu)形成的多能級陷

7、阱分布有利于提高陷阱俘獲電荷的能力和電荷注入效率,從而獲得大的存儲窗口和快的編程/擦除速度。另外,存儲層錐形能帶結(jié)構(gòu)與隧穿層之間較高的勢壘高度能有效阻擋陷阱電荷的逸出,從而提高了電荷保持力。
　　在理論模型研究方面,以陷阱至導(dǎo)帶(TB)隧穿作為存儲電子的泄漏機制,采用類三角形陷阱能級分布,并考慮陷阱空間分布分別為均勻分布或局域分布兩種情況,建立了MONOS型存儲器編程狀態(tài)下的電子保持特性理論模型。通過將模擬仿真結(jié)果與實驗測量數(shù)據(jù)進