基于Ru-RuOx納米晶及高K介質(zhì)的MOS結(jié)構(gòu)存儲效應(yīng)及機理研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,非揮發(fā)性快閃存儲器集成密度要求越來越高,存儲單元特征尺寸需要不斷減小,因而傳統(tǒng)的多晶硅浮柵快閃存儲器正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),如隧穿氧化層的減薄導(dǎo)致數(shù)據(jù)保存能力退化等。而基于分離電荷存儲的非揮發(fā)性存儲器,可以采用更薄的隧穿氧化層同時保持著良好的數(shù)據(jù)保留特性,由此可以帶來更低的編程/擦除電壓和更快的編程/擦除速度,是下一代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,分別以金屬納米晶、高介電常數(shù)(H

2、igh-k)介質(zhì)陷阱及兩者的復(fù)合結(jié)構(gòu)為電荷存儲媒介,結(jié)合原子層淀積的Al2O3電荷隧穿層和阻擋層以及電子束蒸發(fā)高功函數(shù)金屬Pd電極,研究了其金屬一氧化物一半導(dǎo)體(MOS)結(jié)構(gòu)的存儲效應(yīng)和物理機制。具體內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　(1)采用磁控濺射和快速熱退火(RTA)技術(shù),研究了在原子層淀積(ALD)的Al2O3薄膜表面生長釕納米晶的工藝。結(jié)果表明,對初始厚度為2nm的釕膜在900℃下退火30s可以得到密度為2.0×102cm-2

3、,平均直徑約為5nm且分布均勻的釕-氧化釕(Ru-RuOx)納米晶。接著,研究了以ALDAl2O3為電荷隧穿層和阻擋層,Ru-RuOx納米晶為電荷俘獲層的MOS存儲電容的性能。結(jié)果顯示,在-11～＋11V的電壓掃描范圍內(nèi),該MOS電容表現(xiàn)出11.2V的C-V滯回窗口。為了進一步研究不同隧穿層與阻擋層的厚度比(T/B)對存儲效應(yīng)的影響,本論文固定Al2O3介質(zhì)厚度不變(28nm)而改變隧穿層與阻擋層的相對厚度。測試結(jié)果顯示,在低操作電壓下

4、,隨著T/B厚度比的增大,存儲電容器的C-V滯回窗口和有效注入電荷密度不斷減小,而在高操作電壓下則幾乎無變化。這是由于電荷通過隧穿層的機制不同,在低壓下是以直接隧穿為主,而在高壓下則是F-N隧穿為主。對于隧穿層為6nm,阻擋層為22nm的存儲電容,在＋/-7V編程/擦除1ms后,可獲得5.1V的存儲窗口,并且外推至十年后,仍有84％和82％的正電荷和負(fù)電荷保留在其上,具有很好的電荷保持特性。
　　(2)米用ALD方法生長了不同Al

5、2O3/HfO2(A/H)比例的混合High-k介質(zhì)作為電荷俘獲層,同時采用ALDAl2O3為隧穿層和阻擋層制備了MOS存儲電容器。通過對其存儲效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn),隨著混合High-k介質(zhì)層中HfO2比例的增多,MOS電容的電荷捕獲能力依次增強,而電荷保存能力則依次減弱。其中以純HfO2為電荷俘獲層的MOG電容,在＋/－14V的電壓掃描范圍內(nèi)其C-V滯回窗口達(dá)到3.6V;在+17V電壓下編程10ms后,其平帶電壓(Vfb)向正向漂移2V。在

6、編程后半個小時只有約55％的電荷保留在HfO2電荷俘獲層中,且在+17V時該MOS電容的漏電流大至1.4×10-5A/cm2。較差的電荷保持特性可能是由于HfO2在800℃退火后其已形成多晶結(jié)構(gòu),從而沿著晶粒間界的電荷泄漏增大。
　　(3)研究了以Ru-RuOx納米晶/High-k介質(zhì)為復(fù)合電荷俘獲層,以Al2O3為電荷隧穿層和阻擋層的MOS存儲電容器,同時采用高功函數(shù)金屬Pd作為電極。實驗結(jié)果表明,采用Ru-RuOx納米晶/Hi

7、gh-k介質(zhì)的復(fù)合電荷俘獲層比采用單一Ru-RuOx納米晶層更有利于增大MOS電容的C-V滯回窗口,當(dāng)復(fù)合電荷俘獲層中High-k介質(zhì)選用HfO2時,在+9～-9V的掃描電壓范圍下,MOS電容的滯回窗口比只采用單一Ru-RuOx納米晶層大10.3V。這是由于High-k介質(zhì)的引入增強了降落在隧穿層上的電場強度,因此提高了電荷注入速率。所以,基于Ru-RuOx納米晶/HfO2復(fù)合電荷俘獲層的電容,在+/-9V電壓下編程/擦除100μs,存