【摘要】：伴隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步,半導(dǎo)體器件的尺寸持續(xù)縮小。傳統(tǒng)的浮柵型存儲(chǔ)器也同樣面臨著器件尺寸小型化的挑戰(zhàn)。當(dāng)半導(dǎo)體器件的特征尺寸接近22nm的技術(shù)節(jié)點(diǎn),傳統(tǒng)的浮柵型存儲(chǔ)器也將逼近其物理和技術(shù)極限。因此,研發(fā)存儲(chǔ)密度高、編程快、功耗低的非易失性存儲(chǔ)器,已成為存儲(chǔ)器研究領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。電荷俘獲存儲(chǔ)器作為一種新型非易失性存儲(chǔ)器,與現(xiàn)有浮柵技術(shù)有很好的繼承性,完全兼容傳統(tǒng)CMOS工藝,掩膜數(shù)量少,工藝成本低,因此,具有極好的發(fā)展前景,被認(rèn)為是傳統(tǒng)浮柵存儲(chǔ)器的替代者。多晶硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅(SONOS)型存儲(chǔ)器由于功耗低、讀寫(xiě)速度快、疲勞特性好等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。在SONOS型存儲(chǔ)器中,得益于Si_3N_4替代多晶硅浮柵層,器件的存儲(chǔ)能力能夠提升。然而隨著Si_3N_4厚度持續(xù)減薄,器件的數(shù)據(jù)保持能力下降。研究表明,在SONOS型存儲(chǔ)器中引入high-k電介質(zhì)材料代替Si_3N_4可以有效解決SONOS存儲(chǔ)器厚度縮小問(wèn)題,同時(shí)可以提高器件的存儲(chǔ)能力。本文研究了一種基于high-k介質(zhì)納米疊層電荷俘獲型存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)性能,同時(shí)研究了基于一種high-k復(fù)合氧化物介質(zhì)電荷俘獲型存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)性能,并結(jié)合第一性原理計(jì)算解釋了缺陷態(tài)對(duì)電荷存儲(chǔ)器能力的貢獻(xiàn)；最后,進(jìn)一步系統(tǒng)研究了影響high-k復(fù)合氧化物介質(zhì)電荷俘獲型存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)性能的物理因素。主要工作結(jié)果如下：1.首先制備了一種high-k納米疊層基電荷俘獲型存儲(chǔ)器原型器件：利用HO_2/Al_2O_3納米疊層代替?zhèn)鹘y(tǒng)SONOS型中的氮化硅或者h(yuǎn)igh-k電介質(zhì)作為存儲(chǔ)層。為了研究high-k氧化物存儲(chǔ)層中界面對(duì)存儲(chǔ)特性的影響,我們制備并研究了一系列具有相同存儲(chǔ)層總厚度但是疊層數(shù)不同的樣品。實(shí)驗(yàn)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(chǔ)窗口逐漸增大。結(jié)果表明,TiO_2/Al_2O_3納米疊層中的界面對(duì)器件性能起著關(guān)鍵作用。當(dāng)存儲(chǔ)層數(shù)量為5時(shí),器件具有9.72V的存儲(chǔ)窗口以及10年后29%的電荷損失量。2.我們采用原子層沉積和磁控濺射相結(jié)合的方法制備了存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)p-Si/Al_2O_3/(TiO_2)_(0.9)(Al_2O_3)_(0.1)/Al_2O_3/Pt,器件在±11 V掃描電壓下的電荷存儲(chǔ)密度為1.29×1013/cm2。器件疲勞特性的測(cè)試結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)1×105次編程/擦除循環(huán)后,存儲(chǔ)窗口基本沒(méi)有損失。數(shù)據(jù)保持能力測(cè)試結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)104s的編程/探險(xiǎn)操作,平帶電壓偏移為35%,相應(yīng)的剩余電荷量為65%。運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法計(jì)算了含有Ti和氧空位缺陷的Al_2O_3的電子結(jié)構(gòu),結(jié)果表明TiO_2和Al_2O_3互擴(kuò)散可以制造出缺陷態(tài)。而且,增強(qiáng)TiO_2和Al_2O_3之間的互擴(kuò)散可以制造出更多的缺陷態(tài),從而提升器件的電荷存儲(chǔ)能力。3.基于互擴(kuò)散引入缺陷從而提升器件存儲(chǔ)能力的機(jī)理,制備了三種基于不同Ta、Al比例的TaAlO復(fù)合電介質(zhì)薄膜的電荷俘獲型存儲(chǔ)器。電學(xué)性能測(cè)試表明,當(dāng)掃描電壓為±11V時(shí),(Ta_2O_5)_(0.5)(Al_2O_3)_（0.5）的存儲(chǔ)窗口達(dá)到7.39 V,電荷存儲(chǔ)密度約為1.97×1013/cm2。由于Ta_2O_5和Al_2O_3具有最有效的相互擴(kuò)散,導(dǎo)致產(chǎn)生的缺陷態(tài)密度最大,在相同的掃描電壓下,(Ta_2O_5)_(0.5)(Al_2O_3)_（0.5）器件俘獲電荷最多,其存儲(chǔ)窗口最大。寫(xiě)入/擦除速度測(cè)試表明,器件(Ta_2O_5)_(0.5)(Al_2O_3)_（0.5）編程/擦寫(xiě)速度最快,編程/擦除特性的差異和的能帶排列規(guī)律完全一致。在室溫下的抗疲勞特性測(cè)試結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)106編程/擦除操作,器件(Ta_2O_5)_(0.5)(Al_2O_3)_（0.5）具有較為優(yōu)異的疲勞特性。器件10年的數(shù)據(jù)保持能力進(jìn)行測(cè)試結(jié)果表明,在環(huán)境溫度為25℃,經(jīng)過(guò)0.8×105s編程/擦除操作后,將測(cè)試結(jié)果外推至10年,(Ta_2O_5)_(0.5)(Al_2O_3)_（0.5）的電荷損失量為17%。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TP333

【參考文獻(xiàn)】

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2 LU ChihYuan;LUE HangTing;;State-of-the-art flash memory devices and post-flash emerging memories[J];Science China(Information Sciences);2011年05期

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本文編號(hào)：2678306