【摘要】：隨著半導體器件工藝的飛速發(fā)展,半導體器件尺寸不斷減小,集成密度不斷提高。作為半導體器件中的一員,非易失性存儲器也不斷地往高集成度、高讀寫速度以及低功耗方向發(fā)展。然而,隨著集成度的不斷提高,傳統(tǒng)的浮柵型Flash存儲器面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。首先,器件的隧穿氧化物層厚度必須減薄,然而由于受到電荷流失和應力誘導電流泄露的影響,隧穿氧化物層的厚度很難再繼續(xù)減薄；再者,當相鄰器件單元之間距離很小時,相鄰兩個器件單元之間會相互干擾,因此導致存儲器單元的集成度難以繼續(xù)提高；最后,由于存儲器單元的尺寸不斷減小,使得存儲在器件中的電荷量也隨之減少,因此可容忍的電荷流失量變得很少,器件也就容易失效。因此,尋找適用于下一代應用的非易失性存儲器顯得至關重要。 電荷俘獲存儲器作為一種改良的新型非易失性存儲器,具有很好的發(fā)展前景。電荷俘獲存儲器采用了分立式電荷存儲單元,有效地提高了器件的抗疲勞特性,并且有利于隧穿層厚度的減薄,因此受到了廣泛的關注。在電荷俘獲存儲器中,對電荷存儲機理和流失機制的研究,以及如何提高電荷存儲能力對器件的進一步發(fā)展至關重要。本文系統(tǒng)地研究了金納米晶存儲器的納米晶尺寸效應,并研究其電荷流失機制；同時,提出了一種基于熱退火處理和增加界面數(shù)量的方法來制造缺陷態(tài)；最后,進一步采用high-k復合氧化物薄膜作為存儲層來進一步提高器件的存儲能力。主要工作結果如下： 1.系統(tǒng)地研究了存儲器中金納米晶的尺寸效應。對于金納米晶存儲器,器件的存儲能力取決于納米晶的尺寸和間距的綜合作用,納米晶尺寸的增大可以提升器件的存儲能力,而納米晶間距的減小則會導致電荷更加容易流失,具有合適的納米晶尺寸和間距的器件能夠展現(xiàn)出優(yōu)異的電荷存儲能力。當金納米晶的尺寸大于4nm時,器件的存儲能力隨著納米晶尺寸增大反而減小。針對這一現(xiàn)象,我們提出了一種基于變程跳躍和縱向電荷流失綜合作用的機制來解釋這一現(xiàn)象。納米晶之間間距的減小,使得電荷在納米晶之間的跳躍概率明顯增加,從而增大橫向電荷流失概率,引起器件存儲能力下降。當金納米晶連成一片時,分立的納米晶存儲器變成了連續(xù)的、類浮柵型存儲器。這時,不僅電荷容易橫向流失,而且只要隧穿層上存在單一漏電通道,所有存儲單元內的電荷都將流失。在這種情況下,器件的電荷存儲能力將非常有限。 2.制備了3種不同的HfO2/Al203納米疊層結構器件,系統(tǒng)研究了熱退火處理和界面數(shù)量對器件存儲性能和保持性能的影響。結果表明,熱退火處理能夠使HfO2/Al2O3界面處發(fā)生相互擴散,由熱退火處理引起的Hf02和A1203界面處的相互擴散,使得界面處產生了高的缺陷態(tài)密度,從而可以存儲大量的電荷,而且這種由熱退火引起的界面上電荷存儲密度的提高正是器件電荷存儲能力提高的關鍵所在。隨著互擴散界面數(shù)量的增加,器件的電荷存儲能力不斷增強,特別是5L-RTA樣品,其電荷存儲能力相比沒有經過熱退火處理樣品提升了60%以上,說明增加具有嚴重互擴散的HfO2/Al2O3界面數(shù)量能夠在一定厚度的存儲層中產生更多的缺陷態(tài),從而提升器件的存儲能力。另外,增加Al203插層數(shù)量還可以有效地抑制電荷流失,提高器件的保持性能。第一性原理計算也表明Hf02和Al203互擴散可以制造出缺陷態(tài)。而且,增強Hf02和Al203之間的互擴散可以制造出更多的缺陷態(tài),從而提升器件的電荷存儲能力。 3.基于互擴散引入缺陷從而提升器件存儲能力的實驗基礎,制備了基于HfAlO復合氧化物薄膜的電荷俘獲存儲器。電學性能測試表明,采用HfAlO復合氧化物薄膜作為存儲層可以進一步提升器件的存儲能力。對于ALD生長的HfAlO薄膜,高溫熱退火處理可以使Hf02和A1203混合得更加均勻,即互擴散達到了一個更高的程度,因此存儲層中產生了更多缺陷,從而使器件具有更強的電荷存儲能力。同時,采用ALD生長的HfAlO薄膜存儲器還具有良好的開關特性和數(shù)據(jù)保持能力,因此,采用這種high-k復合氧化物薄膜作為器件的存儲層具有很好的應用前景。
【圖文】：

在未來幾年內，這種增長趨勢還會一直持續(xù)下去。在總的半導體市場中，半導體存儲器占了約20%的比重，，如圖1.1所示[2]。400 350 300 —— ———吞 250 — 1500 I 1 1 -J J '1999 MOO 2001 2002 2003 2004 2005■ Semiconductor 口 Memory圖1.1半導體市場總收入與年份的變化關系圖[2]在數(shù)據(jù)保持特性上，半導體存儲器發(fā)展成兩個分支：易失性（Volatile)和非易失性（Nonvolatile)存儲器，這兩個分支都是在CMOS工藝的基礎上發(fā)展起來1

NOR和NAND存儲器的存儲單元布局和電路原理圖[5’6]
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP333

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本文編號：2609782