新型半导体非易失性存储模式的物理机制及器件研究

【摘要】半导体存储器件和逻辑器件是现代计算、通讯、显示技术的硬件基础。随着数字化时代的到来,半导体存储器件的发展异常迅速。本论文以半导体非易失性存储原理、器件特性的改进和面临scalingdown的技术挑战为研究思路,主要进行以下几方面的研究工作：第一部分从当前非易失性存储技术在材料和结构上的局限性分析利用nc-Si量子点分立电荷存储模式,研制新型的nc-Si量子点浮置栅非易失性存储单元器件。随着存储芯片集成度不断提高,存储单元尺寸在不断减小,2013年NAND闪存的特征尺寸已缩小至20nm以下。为保证数据存储的可靠性,传统的多晶硅浮置栅闪存器件仍需要使用7nm左右的隧穿氧化层。这同时也带来了编程速度过低(ms)、操作偏压过高(>15V)、耐久性差(104)等问题。在此背景下,人们提出了分立电荷存储技术,采用在横向方向上彼此孤立的量子点来代替连续的多晶硅作为浮置栅层。存储在量子点中的电荷在横向方向上难以发生交换,隧穿层中某处的缺陷不会导致电荷的集体泄漏,因而可以采用超薄隧穿氧化层在保证数据可靠性的同时显著降低操作偏压并提高编程的速度。我们在0.13μm标准CMOS工艺线上成功制备了性能优异的nc-Si量子点MOSFET浮置栅存储单元。单元栅长和栅宽分别为0.176μmm和0.16μm,超薄隧穿氧化层厚度为3.5nm,nc-Si量子点平均尺寸为12nm,面密度为2×1011cm-2。器件的截止电流只有200fA,亚阈值摆幅低至0.14V/decade。在±7V/10μs脉冲的作用下,存储窗口达到1V左右,在±7V/1ms脉冲的作用下,窗口达到1.3V以上。并且有着很好的抵抗小电压干扰的特性和较好的数据保持特性。擦写寿命高达107。我们的nc-Si量子点MOSFET浮栅存储单元具有低偏压、低功耗、高速、长寿命的优势。这也为下一步制备具有NOR功能的纳米硅量子点闪存芯片奠定了坚实的基础。论文第二部分针对当前基于电荷存储模式的非易失性存储器件scalingdown至20nm以下工艺节点时性能受到极大的挑战,研究采用具有稳定物理状态(如电阻值等)的新一代阻变存储技术来记录信息。其具有闪存器件无法媲美的简单结构(M/I/M)、高密度集成(crossbar)、高速(ns)、低功耗(<1pJ)、低偏压(-1V)、强耐久性(1012次擦写)等一系列的优势。目前能够产生阻变现象的材料有很多,如二元过渡金属氧化物、钙钛矿结构、硫化物等。我们选择SiOx材料作为阻变单元的介质层,因为其有着与当前CMOS技术高度的兼容性,在降低成本等方面有着得天独厚的优势。我们首先选择含氧量较低的SiOx材料(x=0.73)作为研究的切入点。通过对Pt/SiO0.73/Pt结构的测试,发现其表现出单极型阻变特性,且具有较低的工作电压,Vreset在0.7V左右,Vset在1.7V左右,具有很好的一致性。并且具有较大且稳定的数据存储窗口(高低阻态的电阻比值>104)、良好的耐久性(>100次擦写周期)以及很好的数据保持能力(在80℃温度下12小时后存储窗口没有明显衰减)。为了排除金属原子Pt对SiO、材料阻变现象可能存在的影响,我们还制备了”metal-free”的结构验证了SiOx材料的本征阻变特性。与此同时,我们发现SiOo.73材料的阻变现象与国际上报导的x值较高的SiOx材料(x>1.8)的阻变现象有着较大的差别。在SiOo.73材料中,Vreset<Vset,而国际上报导的结果正好相反。因此,我们推断SiOx材料的阻变特性可能与其x组分有关。根据这一思路,我们制备了从低到高一系列x值的Pt/SiOx/Pt结构,通过测试发现了SiOx材料阻变现象的x组分依赖关系。当x较小时,Vreset始终小于Vset,set操作需要设置保护电流,并且样品高低阻态的电流水平都比较高,我们称此区域为”normalunipolar”区域。当x较大时,样品表现出完全不同的阻变现象,Vreset始终大于Vset,set操作不需要设置保护电流,样品的整体电流水平随x的增大逐渐降低,这与国际上报导的SiOx材料(x>1.8)的阻变现象是一致的,我们称此区域为”abnormalunipolar”区域。论文第三部分研究了Pt/SiOx/Pt结构的阻变机理,并提出能够很好地解释Pt/SiOx/Pt结构阻变现象的“硅悬挂键渗流通道模型”。该模型认为由于原始淀积的SiOx材料中含有较高浓度的硅悬挂键,并且材料中的Si-O共价键具有较高的极性,在外电场的诱导下Si-O键容易被打破并生成新的悬挂键。当悬挂键浓度达到阈值时,在SiOx薄膜内部便形成了可供电子迁移的悬挂键渗流通道,在能带图中表示为SiOx材料禁带中央出现一个微带,从而使器件达到低阻态。由于处于低阻态的器件允许通过较大的电流进而在渗流通道内部产生很高的热量使得部分悬挂键再次被氧原子钝化形成Si-O键,器件被重新reset至高阻态。set过程的原理与forming类似,所不同的是,set过程只需打破被氧原子钝化的那一部分Si-O键,因而set电压一般比forming电压低。该模型在实验过程中得到了一系列实验结果的证实,其不同于当前国际上报导的“纳米硅导电通道模型”,引起了国际同行的关注。“硅悬挂键渗流通道模型”能够很好地解释x值较小的SiO、材料的阻变现象,其是否能够解释SiO、中阻变现象的x组分依赖关系?我们通过对SiOx材料XPS和ESR信号的分析,认为SiO、材料中出现的两种不同阻变现象是由处于低阻态时渗流通道中悬挂键种类和浓度的转变导致的。在”normalunipolar”区域,由于渗流通道中的悬挂键主要由·Si≡Si3构成,因而微带的带宽相对比较小,电子的跳跃激活能较低,并且微带内的定域态密度相对比较高,因此可以产生足够高的低阻态电导率。同时在set操作时需要设置保护电流以避免由于大电流造成样品的击穿。在”abnormalunipolar”区域,渗流通道中·Si=Si3悬挂键失去其主体地位,并逐渐被·Si=Si2O,·Si=SiO2和·Si≡03三种悬挂键所替代,微带的带宽增大,电子的跳跃激活能不断升高,同时微带内的定域态密度减小,使得低阻态的电导率显著降低。因此在set操作时,不需要设置保护电流,样品表现出”self-compliance”的特征。由于reset操作是电流产生的焦耳热使悬挂键被氧原子重新钝化形成Si-O键的过程,在”abnormalunipolar”区域需要很高的reset电压才能产生足够大的电流,因而reset电压始终高于set电压,SiOx材料表现出反常的阻变现象。这一结果也发表在APL杂志上,在国际上第一个系统地研究了SiOx材料中阻变现象的x组分依赖关系。
【作者】王越飞；
【导师】陈坤基；徐骏；
【作者基本信息】南京大学，微电子学与固体电子学，2014，博士
【关键词】半导体非易失性存储器；分立电荷存储模式；nc-Si量子点浮栅结构；SiO_x阻变存储器；硅悬挂键渗流通道模型；

【参考文献】
[1]张超.中国共产党管理邯郸城市工商业的初步尝试（1945-1949）[D].河北师范大学,中国近现代史基本问题研究,2013,硕士.
[2]李鹏,张玲,王伟,杨希磊,赵义术.微网技术应用与分析[J].电力系统自动化,2009,20:109-115.
[3]嵇莹.动态助词“了”在初级汉语综合教材中的编排研究[D].苏州大学,汉语国际教育（专业学位）,2014,硕士.
[4]李明,王周星.思想政治教育专业硕士研究生培养方案比较研究[J].长沙理工大学学报(社会科学版),2013,03:127-130+138.
[5]尹虹燕.农村资金互助社法律制度研究[D].湖南师范大学,经济法学,2013,硕士.
[6]贾璇.上海气溶胶光学及其对应的颗粒物化学组成特征研究[D].复旦大学,环境科学,2012,硕士.
[7]梁初,梁升,夏阳,黄辉,甘永平,陶新永,张文魁.Mg(NH_2)_2-2LiH储氢材料的研究进展[J].物理化学学报,2015,04:627-635.
[8]洋滢.新疆塔里木河种业股份有限公司发展战略研究[D].新疆农业大学,农村与区域发展（专业学位）,2012,硕士.
[9]章超.基于聚合机理转换的共聚物合成[D].复旦大学,高分子化学与物理,2013,博士.
[10]代国帅.核酸适体功能化的纳米通道用于生物分子的分离分析研究[D].上海师范大学,2012.
[11]郭涛.泉州湾红树林和盐沼湿地大型底栖动物群落生态环境效应研究[D].厦门大学,环境科学,2014,硕士.
[12]黎应书,秦德先,党玉涛.用安尼锡克期玄武岩来研究个旧东区的地层问题[J].有色金属(矿山部分).2006(04)
[13]李婧.生物医用多孔钛镍（铌）合金的制备与性能研究[D].中南大学,材料学,2014,博士.
[14]张继铭.液压电机泵中孔板离心泵的增压效应的研究[D].兰州理工大学,机械电子工程,2013,硕士.
[15]睢丽颖.浅析《德伯家的苔丝》中的文化意象翻译[D].上海外国语大学,英语语言文学,2012,硕士.
[16]刘宁宁.人体动作识别算法研究[D].北京交通大学,2015.
[17]张赛.建构场所系统是城市设计中文脉整合的重要途径——以东莞城市设计为例[D].清华大学,城市规划与设计,2003,硕士.
[18]周巍蔚.重构教研室—教学型大学基层组织研究[D].浙江工业大学,2012.
[19]刘晓晖.《说文解字系传》对段玉裁、桂馥《说文》研究的影响举例[D].陕西师范大学,汉语言文字学,2004,硕士.
[20]陈丽.国际支付机制的若干法律问题研究[D].吉林大学,法律,2004,硕士.
[21]张玉娟.Co_3O_4/石墨烯和Co(OH)_2/石墨烯复合材料的制备及电化学性能[D].大连理工大学,2014.
[22]黄鑫.高校图书管理系统的设计与实现[D].东北大学,计算机技术,2011,硕士.
[23]凌雪岷.BR_0代数及对应逻辑系统中单原子生成公式的真值函数特征[D].扬州大学,基础数学,2011,硕士.
[24]曹艳艳.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J].河南科技,2014,11:71.
[25]康楠.基于快速响应机制的应急物流选址问题研究[D].北京交通大学,2013.
[26]黎春阁.杂卤石溶解性能研究及综合利用[D].成都理工大学,化学工艺,2013,硕士.
[27]徐想.北京CBD街区智能导向标识的设计研究[D].北京交通大学,2014.
[28]陈沫.SAR图像军事目标识别方法研究[D].安徽大学,信号与信息处理,2013,硕士.
[29]张珣.本土代工企业自主品牌创建路径研究[D].东华大学,产业经济学,2013,硕士.
[30]陈宝花.长链-3-羟酰基辅酶A脱氢酶及其相关编码基因突变在妊娠期急性脂肪肝发病机制中的作用[D].复旦大学,妇产科学,2012,硕士.
[31]张春燕.外商在华R&D投资的前向关联路径研究[D].华中科技大学,行政管理,2013,硕士.
[32]杨媛.高速铁路供电系统RAMS评估的研究[D].北京交通大学,2011.
[33]潘娟娟.考虑供应中断风险的订货策略研究[D].东北大学,管理科学与工程,2010,硕士.
[34]黄心.电镀锡机组橡胶胶辊摩擦磨损特性的研究[D].华东理工大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[35]李文娟.企业会计监督现状及对策探讨[J].商,2014,09:119.
[36]梁晶.关于我国保险企业CRM策略风险因素的探讨[J].市场周刊(研究版),2005,05:97-98.
[37]许菲.电子式互感器一次转换器与合并单元之间的异步通讯研究[D].华中科技大学,电气工程,2013,硕士.
[38]党婕.基于红外成像技术的煤层露头火源反演研究[D].西安科技大学,应用数学,2014,硕士.
[39]陈忠生.重建农会的重要性与可行性探析[D].福建师范大学,行政管理,2012,硕士.
[40]余远航.中铁二十局集团五公司一体化管理体系建立与实施研究[D].西安理工大学,工商管理,2004,硕士.
[41]方兴.地震动过程的随机函数—谱表示模型及其工程应用[D].三峡大学,工程力学,2013,硕士.
[42]潘夏清.变电站无线视频监控系统的技术研究与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[43]连军,姚福生,林忠钦,来新民.数据挖掘技术在轿车白车身装配偏差溯源中的应用[J].汽车技术,2002,09:31-34.
[44]江耕华,姚守钵,张学智.大功率船用柴油机盘车机用多级行星齿轮减速器的研制[J].传动技术.1993(01)
[45]王珂,高立群,刘佳,韩杰.不确定时滞组合系统的分散鲁棒镇定[J].控制与决策,2006,03:356-360.
[46]高飞飞.新生代农民工城市融入的障碍及对策研究[D].天津商业大学,思想政治教育,2013,硕士.
[47]李惠峰,陈浩勋,孙国基.具有硬实时上限的受控赋时Petri网的控制综合[J].控制与决策,1998,03:53-57.
[48]翁芳芳.基于CIM的电网故障信息主站系统的研究[D].华北电力大学（北京）,2004.
[49]易楠.基于Web的产品工艺管理信息系统需求设计探究[J].电子测试,2014,18:55-57.
[50]刘军.一种违规上网行为监控及管理系统的研究与实现[D].北京交通大学,2014.