高k柵堆棧電荷陷阱型MONOS存儲(chǔ)器的研究.pdf

1、電荷陷阱型存儲(chǔ)器作為傳統(tǒng)懸浮柵Flash存儲(chǔ)器的后時(shí)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(diǎn)要求下,實(shí)現(xiàn)在降低工作電壓的同時(shí),獲得大的存儲(chǔ)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(duì)于Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon(MONOS)型存儲(chǔ)器,使用高k材料替代傳統(tǒng)的SiO2和Si3N4,對(duì)其阻擋層、電荷存儲(chǔ)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(jìn)行優(yōu)化,是改善和提高電荷陷

2、阱型存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)方面,對(duì)多種高k介質(zhì)材料作為電荷存儲(chǔ)層進(jìn)行了研究比較,并設(shè)計(jì)制備了新型雙存儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)、高k/低k雙隧穿層結(jié)構(gòu),對(duì)制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化,以獲得存儲(chǔ)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(chǔ)器編程狀態(tài)下的電子保持特性模型。
　　在電荷存儲(chǔ)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(chǔ)器的電荷存儲(chǔ)層。實(shí)驗(yàn)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(shí)強(qiáng)的Hf-N、La-N鍵的形成以及好的LaHfON/SiO2界面質(zhì)量增強(qiáng)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(chǔ)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(chǔ)層與SiO2界面附近過渡層的形成,從

4、而減少了淺能級(jí)陷阱或缺陷的產(chǎn)生,使存儲(chǔ)器在獲得大的存儲(chǔ)窗口和快的電荷注入速度的同時(shí),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(chǔ)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(duì)介質(zhì)薄膜質(zhì)量和存儲(chǔ)性能的影響。實(shí)驗(yàn)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(chǔ)窗口,且通過5500C/2min的NH3退火處理,能夠有效抑制存儲(chǔ)層/SiO2界面附近淺能級(jí)陷阱的產(chǎn)生,調(diào)整存儲(chǔ)層中陷阱分布,

5、可獲得存儲(chǔ)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(jí)陷阱的AlN作為電荷存儲(chǔ)層提供了優(yōu)良的電荷俘獲能力和電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性;高功函數(shù)的Au電極以及具有合適k值和勢(shì)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(chǔ)層中電荷的泄漏,縮短擦除時(shí)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(chǔ)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(kuò)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(jí)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(chǔ)窗口和快的編程/擦除速度。另外,存儲(chǔ)層錐形能帶結(jié)構(gòu)與隧穿層之間較高的勢(shì)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(chǔ)電子的泄漏機(jī)制,采用類三角形陷阱能級(jí)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)