發(fā)布時間：2018-06-06 07:03

  本文選題：電荷俘獲型 + 非易失性存儲器　； 參考：《南京大學》2012年博士論文

【摘要】：自從非易失性半導體存儲器誕生以來,浮柵型存儲器一直是存儲器市場上的主流產(chǎn)品。隨著半導體器件特征尺寸逐漸縮小和集成度的不斷提高,浮柵型非易失性存儲器件已經(jīng)很難滿足存儲器的微型化要求。特別是當半導體器件的特征尺寸減小到22nm以后,基于傳統(tǒng)的浮柵型存儲技術(shù)將走到物理和技術(shù)的極限。因此,尋找一種擁有高存儲密度、快速編程、低成本、低能耗的非易失性存儲器,成為目前存儲器研究領(lǐng)域的熱點。多晶硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅襯底(SONOS)型電荷俘獲型存儲器以其優(yōu)良的性能,例如低功耗、低編程電壓、編程速度快,良好的數(shù)據(jù)保持能力和抗疲勞性能逐漸引起了人們的注意。傳統(tǒng)的SONOS型存儲器采用Si3N4替代多晶硅浮柵層,電荷被Si3N4存儲層中的分立的陷阱能級捕獲,從而很大程度上避免了浮柵型結(jié)構(gòu)中的應力誘導漏電效應。正是基于分立能級的考慮,傳統(tǒng)的SONOS型存儲器不斷得到發(fā)展。為了提高存儲層中的陷阱數(shù)量,high-k材料被用于存儲層；半導體或者金屬納米晶被用作存儲介質(zhì)以提高器件性能。 本文系統(tǒng)研究了ZrO：納米晶基存儲器的電學性能,微觀結(jié)構(gòu)和可靠性問題；同時提出一種新型納米疊層基電荷俘獲型存儲結(jié)構(gòu),并對其存儲性能進行了初步研究,主要結(jié)果概括如下： 1.利用(Zr02)0.8(Si02)0.2(ZSO)偽二元氧化物代替?zhèn)鹘y(tǒng)Si3N4作為存儲層,Al2O3作為隧穿層和阻擋層,借助原子層氣相沉積和脈沖激光沉積制備了電荷俘獲型ZrO2納米晶基存儲單元。XRD和TEM分析結(jié)果表明,經(jīng)過高溫退火處理,ZrO2納米晶作為存儲介質(zhì)從過飽和的ZSO母相中析出,ZrO2納米晶被非晶母相包圍。測試結(jié)果表明該存儲單元有優(yōu)良的性能：當掃描電壓為±8V時,存儲窗口達到7.5V。即使在150℃下,器件寫入/擦出105次后,存儲窗口變化較小,表明該器件具有良好的抗疲勞特點。不同溫度(25℃,85℃和150℃)下,經(jīng)過105次寫入擦除操作的器件的電荷損失量分別為6.6%,8.3%和12%(保持時間為4×104秒)。 2.首次系統(tǒng)研究了退火過程中ZrO2納米晶的析出過程、形態(tài)演變、及其尺寸和密度對器件存儲性能的影響。結(jié)果表明未經(jīng)過退火處理的ZSO薄膜為非晶態(tài)。隨著退火時間的增加,薄膜開始析出ZrO2納米晶；當退火時間為60s,納米晶的密度達到最大值；當退火時間達到90s后,納米晶的密度有所下降。而ZrO2納米晶尺寸一直呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。實驗發(fā)現(xiàn),經(jīng)過60s退火處理的存儲器件具有最寬的存儲窗口4.4V,最小的(5%)的電荷損失量和最佳的耐疲勞特性。X-射線光電子能譜(XPS)能帶分析結(jié)果表明,在60s退火處理的ZrO2納米晶基電荷俘獲型存儲單元中,Al2O3和ZSO之間具有1.3eV的導帶補償,正是高的勢壘導致器件具有良好的數(shù)據(jù)保持能力。 3.首次設計和制備了一種納米疊層基電荷俘獲型存儲器結(jié)構(gòu)：利用ZrO2/Al2O3納米疊層代替?zhèn)鹘y(tǒng)SONOS型中的氮化硅或者high-k電介質(zhì)作為存儲層。為了研究存儲層中界面對存儲特性的影響,我們制備并研究了一系列具有相同存儲層總厚度但是疊層數(shù)不同的樣品。實驗發(fā)現(xiàn),相同掃描電壓下,隨著界面數(shù)量的增加,器件的存儲窗口逐漸增大。結(jié)果表明,ZrO2/Al2O3納米疊層中的界面對器件性能起著關(guān)鍵作用,電子主要是被界面所俘獲；然而當界面數(shù)量過多時,存儲窗口反而變小,這主要是由于靜電排斥作用以及高溫退火之后,界面距離減小,導致界面結(jié)構(gòu)變得彌散。當界面數(shù)量為8時,器件具有6.3V的存儲窗口以及10年后7.5%的電荷損失量。通過研究ZrO2/Al2O3納米疊層基存儲單元異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶排列,ZrO2/Al2O3納米疊層之間具有1.7eV的勢壘高度。Al2O3和ZrO2薄膜之間的深勢阱提高了器件的數(shù)據(jù)保持能力。
[Abstract]:The invention relates to a non - volatile memory with high storage density , fast programming , low cost and low energy consumption .
semiconductor or metal nanocrystals are used as storage media to improve device performance .

In this paper , the electrical properties , microstructure and reliability of the ZrO _ 2 nanocrystalline based memory are studied .
At the same time , a novel nano - stack - based charge - trapping storage structure is proposed , and its storage performance is preliminarily studied .

1 . Using ( Zr02 ) 0.8 ( Si02 ) 0.2 ( ZSO ) pseudo - binary oxide instead of traditional Si3N4 as a storage layer , Al2O3 as a tunneling layer and a barrier layer , a charge trapping type ZrO2 nanocrystalline base unit was prepared by atomic layer vapor deposition and pulsed laser deposition .

2 . The evolution of ZrO2 nanocrystals during the annealing process was studied for the first time . The effects of size and density on the storage properties of the devices were studied . The results show that the annealed ZSO films are amorphous . As the annealing time increases , the films begin to precipitate ZrO2 nanocrystals .
when the annealing time is 60s , the density of the nanocrystalline reaches the maximum value ;
The results of X - ray photoelectron spectroscopy ( XPS ) band analysis show that there is a conduction band compensation of 1.3 eV between Al2O3 and ZSO , which leads to good data retention capability of the device .

In order to study the influence of the interface on the storage characteristics , a series of samples with the same total thickness but different number of layers have been prepared and studied . The results show that the interface in the ZrO2 / Al2O3 nano - stack plays a key role in the performance of the device , and the electrons are mainly captured by the interface .
However , when the number of interfaces is too large , the storage window becomes smaller , mainly due to electrostatic repulsion and high temperature annealing , the interface distance is reduced , resulting in dispersion of the interface structure . When the number of interfaces is 8 , the device has a storage window of 6.3 V and a charge loss amount of 7.5 % after 10 years . By studying the energy band arrangement of the heterogeneous structure of the ZrO2 / Al2O3 nano - stack - based storage unit , the barrier height of 1.7 eV is formed between the ZrO2 / Al2O3 nano - stacks . The deep potential well between the Al2O3 and the ZrO2 thin film improves the data retention capability of the device .
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2012
【分類號】：TP333

【共引文獻】

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本文編號：1985688