SONOS型結(jié)構的電俘獲存儲器,由于其具有操作電壓低、抗疲勞性強、數(shù)據(jù)保持性好、功耗低等特點,被視為解決浮柵存儲器在器件縮小上帶來的物理極限的新希望。而納米晶存儲器作為其中的一種,因其電荷俘獲機制為生成納米晶時所產(chǎn)生的缺陷俘獲,且俘獲的電荷為分立式存儲,故在電荷俘獲能力及存儲能力上都有很大的提升。本文通過燒結(jié)出高介電常數(shù)(high-k)的(HfO_2)_(0.4)(ZrO_2)_(0.6)(H-ZO)和(Bi_2O_3)_(0.4)(ZrO_2)_(0.6)(BZO)偽二元氧化物靶材,利用脈沖激光沉積技術,在p-Si襯底上分別制備了HZO和BZO作為俘獲層的電俘獲存儲器存儲單元,并通過快速退火處理在俘獲層內(nèi)形成納米晶電荷俘獲缺陷,研究了兩種材料的存儲能力,系統(tǒng)地分析了BZO材料的電荷俘獲能力、能帶結(jié)構、存儲性能以及數(shù)據(jù)保持能力等,探究了其內(nèi)部納米晶隨退火條件不同而發(fā)生的變化,主要結(jié)論如下:1.將SONOS型作為偽二元氧化物納米晶存儲器的單元結(jié)構,結(jié)合high-k材料特性,選擇了Al_2O_3作為阻擋層和隧穿層,確定以p-Si/Al_2O_3/俘獲層/Al_2O_3/Pt的納米晶電俘獲存儲器件結(jié)構。而俘獲層則同樣采用了high-k的偽二元氧化物,分析其二元相圖以及XRD圖譜以了解兩種氧化物的結(jié)晶溫度變化,并通過快速退火處理來控制其內(nèi)部生成納米晶而產(chǎn)生的俘獲缺陷,最終設計出high-k材料的偽二元氧化物納米晶存儲器。2.在燒結(jié)出HZO和BZO靶材后,通過脈沖激光沉積系統(tǒng),于設計的器件單元結(jié)構中,制備HZO和BZO薄膜作為俘獲層。探索和對比溫度、氣壓等沉積條件對器件的影響,確定適合的沉積條件,并在該沉積條件下,在p-Si襯底上分別制備出Al_2O_3/HZO(BZO)/Al_2O_3多層薄膜,通過快速退火形成納米晶而產(chǎn)生電荷俘獲缺陷,最后采用電子束蒸發(fā)制備了Pt點電極,實現(xiàn)了兩種材料的存儲器件單元制備。3.對HZO和BZO兩種存儲單元進行性能表征。對快速退火后的HZO器件進行C-V曲線測試,發(fā)現(xiàn)在低的操作電壓下,該器件存儲性能較低,而器件在高電壓下,C-V曲線不穩(wěn)定。由于HZO材料的結(jié)晶溫度較高,HZO器件生成的納米晶缺陷較少,難以產(chǎn)生相分離。而提升退火時間和溫度后,其內(nèi)部界面擴散使器件伴隨有逆存儲窗口的現(xiàn)象產(chǎn)生,其嚴重地削弱了器件的存儲窗口,因此,HZO材料作為納米晶存儲器件的俘獲層是有較大缺陷的。采用Bi_2O_3材料替換HfO_2來降低HZO材料的結(jié)晶溫度,在BZO器件經(jīng)過同樣的退火條件后,其所測得的C-V曲線結(jié)果表明,該器件在低的操作電壓下具有較大的存儲窗口,且其退火參數(shù)仍可改變來探究更好的器件性能。通過對比未退火的BZO器件,證明了納米晶在存儲器件性能上發(fā)揮了作用,同時,BZO薄膜的XRD圖譜也能證明其內(nèi)部納米晶的形成。4.探究BZO器件的存儲性能及俘獲層內(nèi)部缺陷的形成原理。測試了不同退火工藝條件下BZO器件的存儲窗口和數(shù)據(jù)保持性,優(yōu)化了BZO器件,經(jīng)快速退火處理后,BZO器件在800℃90s下的C-V測試結(jié)果展現(xiàn)出了杰出的電荷俘獲能力,且器件的數(shù)據(jù)保持性良好。利用XRD和HRTEM證明了該退火條件下俘獲層中納米晶的存在,分析了不同退火溫度下俘獲層中的材料的結(jié)晶變化和化合物的價態(tài)變化,解釋了BZO在退火后產(chǎn)生的相分離現(xiàn)象及納米晶顆粒Bi_2O_3和ZrO_2的存在。利用VCA估算了器件的能帶結(jié)構,分析了BZO器件的電荷的讀寫機制。另外,通過不同退火條件的器件性能對比,也得出了納米晶的尺寸與密度對電荷陷阱密度有相當大的影響。
【學位單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB383.1;TP333
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 引言
    1.2 非易失性存儲器簡介
    1.3 納米晶電俘獲存儲器研究進展
    1.4 論文的選題與研究方案
第二章 納米晶電俘獲存儲器件的制備工藝及性能表征手段
    2.1 納米晶電俘獲存儲器件的薄膜制備工藝
        2.1.1 脈沖激光沉積系統(tǒng)
        2.1.2 電子束蒸發(fā)沉積系統(tǒng)
        2.1.3 脈沖激光沉積用陶瓷靶材的制備
        2.1.4 快速熱退火系統(tǒng)
    2.2 薄膜微觀結(jié)構表征方法
        2.2.1 高分辨透射電子顯微鏡
        2.2.2 X射線衍射分析
        2.2.3 X射線光電子譜
    2.3 器件電學性能測試
第三章 偽二元氧化物納米晶電俘獲存儲器件的結(jié)構及材料研究
    3.1 電俘獲存儲器件的研究
    3.2 偽二元氧化物納米晶電俘獲存儲器件的結(jié)構和特點
    3.3 器件各層的材料選擇
        3.3.1 器件隧穿層與阻擋層的研究
        3.3.2 器件俘獲層的研究
    3.4 寫入與擦除機制
    3.5 器件的制備
2）_0.4（ZrO₂）_0.6俘獲層器件'>        3.5.1 （HfO₂）_0.4（ZrO₂）_0.6俘獲層器件
2O₃）_0.4（ZrO₂）_0.6俘獲層器件'>        3.5.2 （Bi₂O₃）_0.4（ZrO₂）_0.6俘獲層器件
    3.6 本章小結(jié)
第四章 BZO納米晶電俘獲存儲器的存儲性能研究
    4.1 BZO納米晶電俘獲存儲器的電學性能研究
    4.2 BZO納米晶電俘獲存儲器的數(shù)據(jù)保持特性表征
    4.3 BZO薄膜的XRD結(jié)果分析
    4.4 BZO納米晶電俘獲存儲器的微觀結(jié)構表征
    4.5 BZO納米晶電俘獲存儲器的能帶結(jié)構分析
    4.6 BZO納米晶電俘獲存儲器的XPS圖譜分析
    4.7 本章小結(jié)
第五章 結(jié)論
    5.1 全文總結(jié)
    5.2 后續(xù)工作展望
致謝
參考文獻
攻碩期間取得的研究成果

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本文編號：2826980