在于分離電荷存儲的MOS結構存儲效應及機理研究.pdf

1、隨著半導體工藝技術的不斷發(fā)展,存儲單元特征尺寸不斷減小,傳統(tǒng)的多晶硅浮柵快閃存儲器正面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。而基于分離電荷存儲的非易失性存儲器,由于具有分散的電荷存儲陷阱,因此可以實現在較薄的隧穿層下良好的數據保持能力,以及低工作電壓下的快速擦寫功能,是下一代嵌入式快閃存儲器最理想的解決方案之一。本論文基于分離的電荷存儲方式,分別以介質陷阱和金屬納米晶為電荷存儲媒介,結合原子層淀積高介電常數介質和電荷隧穿層能帶設計,研究了其金屬一氧化物-硅(

2、MOS)結構的存儲效應和物理機制。具體內容包括以下幾個方面:
　　 采用高溫熱氧化的SiO2為電荷隧穿層,原子層淀積(ALD)的HfO2為電荷俘獲層,ALDAl2O3為電荷阻擋層,研究了基于SiO2\HfO2\Al2O3疊層介質的MIS結構存儲效應。結果表明,在+/-12V的電壓掃描范圍內,其C-V滯回窗口達到7.3V。經過5V和1ms的電壓脈沖編程后,其平帶電壓漂移+1.5V。此外,還進一步研究了時間和電壓對注入電荷量和電荷注

3、入速率的影響以及存儲電荷的保留特性,并從電荷注入和泄漏的機制進行分析。
　　 采用電子束蒸發(fā)和快速熱退火技術,研究在ALDAl2O3薄膜表面制備鉑(Pt)納米晶的工藝。結果表明,在700℃下退火30s后可以得到密度為2.5×1011cm-2,平均直徑約為8nm的鉑納米晶。進一步,制備了以ALDAl2O3為電荷隧穿層,Pt納米晶為電荷俘獲層,ALDHfO2為電荷阻擋層的MIS結構,在-3～+8V的電壓掃描范圍內,其C-V滯回窗口為

4、2V;經過10V和900ms的電壓脈沖編程后,其平帶電壓漂移為+2.4V。
　　 采用磁控濺射和快速熱退火技術,研究了在ALDAl2O3薄膜表面生長鈷(Co)納米晶的工藝。結果表明,經過500℃下退火15s后,便可得到大小均勻且致密的鈷納米晶。接著,論文以ALD方法制備了Al2O3\HfO2\Al2O3(A\H\A)疊層結構的電荷隧穿層,同時以Co納米晶為電荷俘獲層,以ALDHfO2為電荷阻擋層的MIS結構。通過對其存儲效應的研

5、究表明,采用A\H\A隧穿層比采用等厚度的單一Al2O3隧穿層更有利于增大C-V滯回窗口,即在+/-12V的掃描電壓范圍內,其滯回窗口增大9V。這是由于具有冠狀能帶結構的A\H\A隧穿層在編程和擦除狀態(tài)下電荷的注入勢壘能顯著降低,因此提高了電荷注入速度。所以,基于A\H\A隧穿層的鈷納米晶存儲電容能表現出低電壓下快速擦寫的功能,即在+/-7V下編程/擦除100μs,存儲窗口即可達到4.1V,對應的電子和空穴平均注入速率分別為2.4×10