電荷陷阱型懸浮柵存儲器隧穿層和存儲層研究.pdf

1、目前，金屬-氧化物-氮化物-氧化物-硅（Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Si，MONOS）型存儲器面臨的挑戰(zhàn)是如何在低的工作電壓下，提高器件存儲性能（如存儲窗口、編程/擦除速度等）和可靠性（如疲勞特性和數(shù)據(jù)保持力等）。采用合適的高k介質(zhì)對柵堆棧結(jié)構(gòu)中的隧穿層、電荷存儲層和阻擋層進行改進，并對結(jié)構(gòu)和制備工藝進行優(yōu)化，是提高小尺寸存儲單元性能的主要途徑。本文圍繞上述內(nèi)容開展研究工作。實驗方面，分別研究了隧穿層采用不同材料

2、、工藝和結(jié)構(gòu)以及電荷存儲層采用不同高k材料對器件存儲性能的影響，并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；理論方面，建立了MONOS存儲器編程模型，該模型可以精確模擬器件在不同編程電壓下閾值電壓隨時間的變化。
　　在隧穿層材料、結(jié)構(gòu)和制備工藝方面，開展了以下研究工作：①在不同氣氛（O2、N2O和NO）中制備隧穿層，通過與氧化物隧穿層比較，研究了不同氣氛中制備的氮氧化物隧穿層對器件存

3、儲特性的影響。實驗結(jié)果表明，采用NO直接熱生長氮氧化物作為隧穿層的MONOS存儲器具有較大的存儲窗口，更快的編程/擦除速度。這是因為 NO的氮化能力更強，導(dǎo)致生長的氮氧化物具有更高的N含量，使得氮氧化物與Si襯底之間的電子勢壘高度降低，從而電子注入效率提高。而且，該器件還具有好的疲勞特性和應(yīng)力后數(shù)據(jù)保持力。這歸因于在氮氧化硅與Si的界面附近形成了較多強的Si-N鍵。②從隧穿層能帶工程出發(fā)，提出并制備了SiO2/TaON低k/高k雙隧穿層

4、，并與SiO2/HfON雙隧穿層進行了比較。實驗結(jié)果表明，采用SiO2/TaON雙隧穿層替代傳統(tǒng)的SiO2隧穿層能獲得更好的存儲性能，即大的存儲窗口、快的編程/擦除速度以及好的疲勞特性。其機理在于TaON具有較大的介電常數(shù)、與Si襯底較小的導(dǎo)帶差以及與SiO2好的界面特性。而且，與SiO2單隧穿層MONOS存儲器相比，采用雙隧穿層結(jié)構(gòu)可以有效改善電荷保持力。
　　在電荷存儲層材料及制備工藝方面，開展了以下研究工作：①分別采用 Zr

5、O2和ZrON高k介質(zhì)作為電荷存儲層，研究了摻入N元素對器件存儲特性的影響。實驗結(jié)果表明，摻入N元素的ZrON電荷存儲層MONOS電容存儲器呈現(xiàn)出更好的存儲性能。這是因為結(jié)合N元素的ZrON可有效抑制Zr硅化物的形成，改善ZrON/SiO2的界面質(zhì)量，并進而提高介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)。而且，N元素的引入還增加了存儲層的陷阱密度，有利于存儲窗口的增加。②采用HfTiON高k介質(zhì)作為電荷存儲層，研究了Ti含量對器件存儲特性的影響。恒定電流應(yīng)力測

6、試表明，隨HfTiON介質(zhì)中Ti含量的增加，載流子注入效率和電荷俘獲效率增強，從而增加了器件的存儲窗口，提高了編程/擦除速度。然而，微觀分析表明，過量的Ti會在HfTiON/SiO2界面處生成Ti硅化物，不利于器件保持特性的改善。因此，需綜合考慮器件的編程/擦除性能和數(shù)據(jù)保持力，優(yōu)化設(shè)計HfTiON介質(zhì)薄膜中的Ti含量。實驗結(jié)果表明，采用Hf/Ti成份比為~1:1的HfTiON作為電荷存儲層，能獲得存儲性能之間較好的折衷，即大的存儲窗口