【摘要】： 隨著半導(dǎo)體快閃存儲器的特征尺寸不斷縮小,傳統(tǒng)的多晶硅浮柵存儲器正面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。分離的金屬納米晶存儲器以其獨特的電荷存儲結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)保存特性和更薄的隧穿氧化層,由此帶來更低的工作電壓和更快的編程速度,可望應(yīng)用于下一代存儲器。因此,本論文基于釕納米晶的電荷存儲,采用金屬濺射后退火和原子層淀積的方法制備釕納米晶,并研究內(nèi)嵌釕納米晶的氧化鋁介質(zhì)MOS存儲電容電學(xué)特性。具體內(nèi)容如下: 采用離子束濺射的方法,在氧化鋁介質(zhì)表面形成薄的金屬釕薄膜,在900℃下退火15s可以得到密度為1.6×10~(11)cm~(-2),平均直徑約為20nm的釕納米晶。SEM照片顯示只有在不低于900℃的溫度下退火才能形成納米晶。隨著退火溫度的增加,納米晶體積變大,密度降低,但退火時間對納米晶形態(tài)的影響較為微弱。此外退火前釕金屬薄膜的氧化程度對形成的釕納米晶形態(tài)有很大的影響。XPS分析顯示釕納米晶主要由單質(zhì)金屬釕組成,并且在退火處理后部分氧化釕發(fā)生分解。 采用原子層淀積的方法,以RuCp_2和氧氣為反應(yīng)源,在300℃的襯底溫度下生長釕納米晶。比較研究在熱生長的氧化硅和原子層淀積的氧化鋁薄膜表面生長的釕納米晶,結(jié)果表明氧化鋁表面可以提供較高的納米晶成核密度。當(dāng)?shù)矸e循環(huán)數(shù)為200,我們在氧化鋁表面得到密度為9×10~(10)cm~(-2),平均直徑為14nm的釕納米晶。隨著生長的循環(huán)增加(400、600),納米晶體積變大,密度變小,均勻性變差。在后續(xù)的高溫退火處理中,釕納米晶的體積變大,密度變小,是由于鄰近的釕納米晶出現(xiàn)合并,并緩慢形成球狀納米晶。XPS分析顯示氧化釕存在于納米晶表面,是由納米晶與空氣中的氧氣接觸緩慢氧化所至。 進一步,本論文采用原子層淀積的方法實現(xiàn)了氧化鋁＼釕納米晶＼氧化鋁的新型疊層結(jié)構(gòu)的生長,并對其電荷存儲效應(yīng)進行測試。結(jié)果顯示,在較低的掃描電壓范圍下(-2.5-8V)該疊層結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出較大的存儲窗口(3.4V),計算得出的俘獲電荷密度為1.18×10~(13)cm~(-2)。在+10V/1ms的編程脈沖下得到3.2V的存儲窗口,表現(xiàn)出較快的編程速度,計算得到電子平均隧穿注入速率為1.78×10~(-6)e/cm~2.ms。這些良好的電學(xué)特性源自金屬釕較大的功函數(shù)以及較薄的隧穿氧化層使得直接隧穿成為主要的電荷隧穿機制。同時該結(jié)構(gòu)具有較小的漏電流,在6V的柵壓偏置下,只有1×10~(-6)Acm~(-2)。
【圖文】：

閃存儲器的研究進展作一介紹。1.2金屬納米晶存儲器結(jié)構(gòu)及工作原理圖1.1是金屬納米晶存儲器的基本結(jié)構(gòu)，為一個金屬一氧化物一半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。電荷存儲在由絕緣介質(zhì)隔離的納米晶上，這種分立結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于:即使隧穿氧化層某處存在缺陷導(dǎo)致該處的納米晶與襯底溝道間形成電荷泄露通道，也不會影響到儲存在其它納米晶上的電荷，因此大大提高了電荷存儲的壽命。正是由于上述特點，納米晶存儲器的電荷保存時間對隧穿氧化層厚度的依賴性有所降低，與傳統(tǒng)的多晶硅浮柵存儲器相比，可以在較小的隧穿層厚度條件下獲得相當(dāng)?shù)碾姾杀４鏁r間。當(dāng)隧穿氧化層厚度小于3nm，溝道與納米晶之間的電子傳輸以直接隧穿 (DirectTunneling)的方式進行，這種隧穿機制相對Fowler一Nordheim(F--N)隧穿只需要較小的電壓即可實現(xiàn)〔1〕。這就意味著在器件小型化的過程中可以大幅度地減小工作電壓

為了使閉值電壓在編程和擦除狀態(tài)下有較大的偏移，需要增加俘獲電荷的密度。目前的研究方案有兩種，即采用雙層納米晶結(jié)構(gòu)和復(fù)合俘獲層結(jié)構(gòu)(納米晶+電荷俘獲介質(zhì)層)，分別如圖1.4和1.5所示。圖1.4中雙層納米晶能提供更多的電荷勢阱從而增加電荷的俘獲數(shù)量，獲得更大的存儲窗口。由于上層的納米晶體離溝道較遠，電荷直接隧穿回襯底相對困難，同時由于庫侖阻塞效應(yīng)和能級量子化效應(yīng)，，上下層納米晶之間電荷的隧穿被抑制，電荷保持能力得以加強「13〕。Samanta等人比較研究了HfA10介質(zhì)層中單層和雙層Wu納米晶的電荷存儲效應(yīng)，結(jié)果表明雙層納米晶表現(xiàn)出更大的存儲窗口、更快的擦寫速度和更好的數(shù)據(jù)保持能力「8〕。圖1.5中的電荷俘獲介質(zhì)層通常是費米能級低于5102同時又含有大量陷阱的材料(如Si3N;)，可以提供額外的電荷陷阱，增加俘獲電荷密度，增大擦寫窗口。對于電荷俘獲介質(zhì)層中的電荷，其傳輸機制可能是Poole--Frenkel
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TP333

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