本文關(guān)鍵詞：高密度電荷俘獲型非揮發(fā)存儲(chǔ)器研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：由于應(yīng)用市場對(duì)非揮發(fā)閃存日益增長的高密度和大容量的要求,閃存的工藝水平已經(jīng)進(jìn)入1X nm節(jié)點(diǎn),傳統(tǒng)的浮柵型存儲(chǔ)器件因?yàn)榭煽s小性差,相鄰單元干擾增加而面臨可靠性下降的問題;電荷俘獲型存儲(chǔ)器(CTM)成為其可能的替代技術(shù)。針對(duì)CTM,目前有三種提高存儲(chǔ)密度的方法:采用多值或者多位存儲(chǔ)技術(shù)提高每個(gè)器件單元的存儲(chǔ)位數(shù),采用高k材料作為電荷俘獲層增大器件存儲(chǔ)窗口,平面型器件轉(zhuǎn)為三維(3D)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)降低單元等效面積。本論文主要針對(duì)高k材料作為電荷俘獲層的存儲(chǔ)特性以及與3D存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸縮小相關(guān)的可靠性問題展開研究,同時(shí)論文研究了針對(duì)嵌入式閃存的高密度存儲(chǔ)方法。論文開展了高k材料作為電荷俘獲層的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)遴選、工藝優(yōu)化和能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工作。通過對(duì)比研究了單層Ta2O5、Hf O2以及兩者的復(fù)合結(jié)構(gòu)Ta2O5/Hf O2/Ta2O5(THT)和Hf O2/Ta2O5/Hf O2(HTH)的存儲(chǔ)特性;研究表明復(fù)合存儲(chǔ)材料能夠?qū)崿F(xiàn)更大的編程和擦除窗口,其中THT能帶結(jié)構(gòu)中間的勢壘阻擋了編程和擦除時(shí)的電荷俘獲和隧穿發(fā)射,而HTH結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)特性優(yōu)于THT結(jié)構(gòu)。論文進(jìn)而優(yōu)化了HTH結(jié)構(gòu)的制備工藝,結(jié)果表明增加退火溫度會(huì)提高器件編程擦除速度,采用O2退火氛圍可以抑制背柵注入。最后,通過改變HTH結(jié)構(gòu)中兩個(gè)Hf O2勢壘層的厚度配比,制備獲得了優(yōu)化的MAHTHOS(Al-Al2O3-Hf O2-Ta2O5-Hf O2-Si O2-Si)器件,實(shí)現(xiàn)了較大的存儲(chǔ)窗口和良好的可靠性,有利于多位存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用。針對(duì)電荷俘獲型3D存儲(chǔ)器件,電荷會(huì)沿著縱向連續(xù)的氮化硅遷移而引起相鄰單元間串?dāng)_,制約了存儲(chǔ)陣列縱向尺寸的縮小。論文提出并通過仿真驗(yàn)證了從器件保持特性中分離電荷橫向遷移影響的表征方法,并基于該方法對(duì)電荷橫向遷移特性進(jìn)行研究;建模和機(jī)理分析結(jié)果表明Poole-Frenkel發(fā)射對(duì)電荷橫向遷移起主要作用,而陷阱之間的隧穿作用可以忽略;另外,論文還分析了氮化硅厚度和電場應(yīng)力導(dǎo)致的退化對(duì)電荷橫向遷移的影響。針對(duì)嵌入式閃存應(yīng)用領(lǐng)域,論文基于雙位非均勻溝道的CTM器件提出一種實(shí)現(xiàn)e NAND和e NOR混合存儲(chǔ)架構(gòu)的方案,并對(duì)其操作方法進(jìn)行研究。同時(shí),論文通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)高密度大容量存儲(chǔ)陣列的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究,最終成功制備了1 Gb NOR型閃存驗(yàn)證芯片,實(shí)現(xiàn)單字節(jié)100 ns的隨機(jī)讀取速度。
【關(guān)鍵詞】：電荷俘獲型存儲(chǔ)器 高k材料 三維器件 電荷橫向遷移 可靠性
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP333
【目錄】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 第1章 引言9-28
• 1.1 快閃存儲(chǔ)器簡介9-11
• 1.2 傳統(tǒng)閃存器件在工藝尺寸縮小后面臨的挑戰(zhàn)11-17
• 1.2.1 浮柵存儲(chǔ)器件的可靠性下降11-14
• 1.2.2 電荷俘獲型存儲(chǔ)器件的擦除問題14-15
• 1.2.3 多值存儲(chǔ)與多位存儲(chǔ)技術(shù)的挑戰(zhàn)15-17
• 1.3 從器件角度看閃存未來的發(fā)展趨勢17-25
• 1.3.1 高k材料的應(yīng)用17-21
• 1.3.2 三維存儲(chǔ)技術(shù)21-23
• 1.3.3 高k金屬柵與三維存儲(chǔ)技術(shù)的結(jié)合23-25
• 1.4 從系統(tǒng)及電路角度看閃存技術(shù)發(fā)展25-26
• 1.5 本論文的研究內(nèi)容及研究成果26-27
• 1.6 論文章節(jié)安排27-28
• 第2章 高k電荷俘獲介質(zhì)層的研究28-56
• 2.1 存儲(chǔ)電容器件的制備及表征測試方法28-32
• 2.1.1 原子層沉積技術(shù)28-29
• 2.1.2 薄膜材料的表征29-30
• 2.1.3 存儲(chǔ)器件電學(xué)性能測試方法30-32
• 2.2 高k存儲(chǔ)器件的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)32-35
• 2.2.1 多層材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32-33
• 2.2.2 電容器件的工藝流程33-34
• 2.2.3 多層材料的電荷存儲(chǔ)能力34-35
• 2.3 高k存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的工藝優(yōu)化35-43
• 2.3.1 電容器件的退火溫度處理35-40
• 2.3.2 電容器件的退火氛圍40-43
• 2.4 不同能帶結(jié)構(gòu)的電荷俘獲層的存儲(chǔ)特性43-48
• 2.4.1 器件制備及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)43-44
• 2.4.2 器件的編程擦除特性及分析44-48
• 2.4.3 器件的保持特性48
• 2.5 基于能帶工程的MAHTHOS器件結(jié)構(gòu)48-53
• 2.5.1 器件制備及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)49
• 2.5.2 HTH勢阱位置對(duì)器件編程擦除特性的影響49-51
• 2.5.3 HTH能帶結(jié)構(gòu)對(duì)器件編程擦除特性影響分析51-52
• 2.5.4 器件的疲勞特性和保持特性52-53
• 2.6 本章小結(jié)53-56
• 第3章 三維SONOS器件的可靠性研究56-79
• 3.1 引言56
• 3.2 3D-SONOS的基本特性56-60
• 3.2.1 器件結(jié)構(gòu)及工藝制造流程56-58
• 3.2.2 器件的操作及存儲(chǔ)特性58-60
• 3.3 3D-SONOS橫向遷移的表征60-70
• 3.3.1 器件保持特性丟失機(jī)制60-61
• 3.3.2 電荷橫向遷移的表征方法61-68
• 3.3.3 電子和空穴的橫向遷移68-70
• 3.4 電荷的橫向遷移機(jī)制的研究70-75
• 3.4.1 氮化硅中電荷橫向遷移模型70-72
• 3.4.2 電荷的橫向遷移機(jī)制的討論72-75
• 3.5 不同情況下電荷的橫向遷移分析75-78
• 3.5.1 不同厚度氮化硅電子橫向遷移75-76
• 3.5.2 器件退化后的電子橫向遷移76-78
• 3.6 本章小結(jié)78-79
• 第4章 高密度存儲(chǔ)陣列及電路系統(tǒng)79-107
• 4.1 引言79
• 4.2 高密度嵌入式混合存儲(chǔ)陣列79-92
• 4.2.1 混合存儲(chǔ)陣列實(shí)現(xiàn)方案79-80
• 4.2.2 陣列存儲(chǔ)單元器件結(jié)構(gòu)80
• 4.2.3 e NAND型陣列結(jié)構(gòu)及操作方法80-82
• 4.2.4 e NOR型陣列82-90
• 4.2.4.1 陣列基本單元的操作原理83-84
• 4.2.4.2 e NOR型陣列結(jié)構(gòu)及操作方法84-85
• 4.2.4.3 e NOR型陣列的讀取串?dāng)_及讀取方法改進(jìn)85-88
• 4.2.4.4 e NOR型陣列結(jié)構(gòu)規(guī)劃88-89
• 4.2.4.5 初步仿真結(jié)果89-90
• 4.2.5 混合存儲(chǔ)陣列的初步流片結(jié)果90-92
• 4.3 高密度存儲(chǔ)陣列的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)92-105
• 4.3.1 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求92-93
• 4.3.2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)93-94
• 4.3.3 電路設(shè)計(jì)方法94-100
• 4.3.3.1 精確仿真模型建立94-96
• 4.3.3.2 陣列規(guī)劃及分級(jí)譯碼管理系統(tǒng)96-99
• 4.3.3.3 關(guān)鍵路徑設(shè)計(jì)結(jié)果99-100
• 4.3.4 高密度版圖技術(shù)100
• 4.3.5 芯片驗(yàn)證結(jié)果100-105
• 4.4 本章小結(jié)105-107
• 第5章 結(jié)論107-111
• 5.1 論文的主要工作與研究成果107-109
• 5.2 論文的創(chuàng)新點(diǎn)109
• 5.3 未來工作展望109-111
• 參考文獻(xiàn)111-120
• 致謝120-122
• 個(gè)人簡歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果122-124

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