纳米结构电荷存储材料及存储器件研究

【摘要】随着半导体器件工艺的飞速发展,半导体器件尺寸不断减小,集成密度不断提高。作为半导体器件中的一员,非易失性存储器也不断地往高集成度、高读写速度以及低功耗方向发展。然而,随着集成度的不断提高,传统的浮栅型Flash存储器面临着严峻挑战。首先,器件的隧穿氧化物层厚度必须减薄,然而由于受到电荷流失和应力诱导电流泄露的影响,隧穿氧化物层的厚度很难再继续减薄；再者,当相邻器件单元之间距离很小时,相邻两个器件单元之间会相互干扰,因此导致存储器单元的集成度难以继续提高；最后,由于存储器单元的尺寸不断减小,使得存储在器件中的电荷量也随之减少,因此可容忍的电荷流失量变得很少,器件也就容易失效。因此,寻找适用于下一代应用的非易失性存储器显得至关重要。电荷俘获存储器作为一种改良的新型非易失性存储器,具有很好的发展前景。电荷俘获存储器采用了分立式电荷存储单元,有效地提高了器件的抗疲劳特性,并且有利于隧穿层厚度的减薄,因此受到了广泛的关注。在电荷俘获存储器中,对电荷存储机理和流失机制的研究,以及如何提高电荷存储能力对器件的进一步发展至关重要。本文系统地研究了金纳米晶存储器的纳米晶尺寸效应,并研究其电荷流失机制；同时,提出了一种基于热退火处理和增加界面数量的方法来制造缺陷态；最后,进一步采用high-k复合氧化物薄膜作为存储层来进一步提高器件的存储能力。主要工作结果如下：1.系统地研究了存储器中金纳米晶的尺寸效应。对于金纳米晶存储器,器件的存储能力取决于纳米晶的尺寸和间距的综合作用,纳米晶尺寸的增大可以提升器件的存储能力,而纳米晶间距的减小则会导致电荷更加容易流失,具有合适的纳米晶尺寸和间距的器件能够展现出优异的电荷存储能力。当金纳米晶的尺寸大于4nm时,器件的存储能力随着纳米晶尺寸增大反而减小。针对这一现象,我们提出了一种基于变程跳跃和纵向电荷流失综合作用的机制来解释这一现象。纳米晶之间间距的减小,使得电荷在纳米晶之间的跳跃概率明显增加,从而增大横向电荷流失概率,引起器件存储能力下降。当金纳米晶连成一片时,分立的纳米晶存储器变成了连续的、类浮栅型存储器。这时,不仅电荷容易横向流失,而且只要隧穿层上存在单一漏电通道,所有存储单元内的电荷都将流失。在这种情况下,器件的电荷存储能力将非常有限。2.制备了3种不同的HfO2/Al203纳米叠层结构器件,系统研究了热退火处理和界面数量对器件存储性能和保持性能的影响。结果表明,热退火处理能够使HfO2/Al2O3界面处发生相互扩散,由热退火处理引起的Hf02和A1203界面处的相互扩散,使得界面处产生了高的缺陷态密度,从而可以存储大量的电荷,而且这种由热退火引起的界面上电荷存储密度的提高正是器件电荷存储能力提高的关键所在。随着互扩散界面数量的增加,器件的电荷存储能力不断增强,特别是5L-RTA样品,其电荷存储能力相比没有经过热退火处理样品提升了60%以上,说明增加具有严重互扩散的HfO2/Al2O3界面数量能够在一定厚度的存储层中产生更多的缺陷态,从而提升器件的存储能力。另外,增加Al203插层数量还可以有效地抑制电荷流失,提高器件的保持性能。第一性原理计算也表明Hf02和Al203互扩散可以制造出缺陷态。而且,增强Hf02和Al203之间的互扩散可以制造出更多的缺陷态,从而提升器件的电荷存储能力。3.基于互扩散引入缺陷从而提升器件存储能力的实验基础,制备了基于HfAlO复合氧化物薄膜的电荷俘获存储器。电学性能测试表明,采用HfAlO复合氧化物薄膜作为存储层可以进一步提升器件的存储能力。对于ALD生长的HfAlO薄膜,高温热退火处理可以使Hf02和A1203混合得更加均匀,即互扩散达到了一个更高的程度,因此存储层中产生了更多缺陷,从而使器件具有更强的电荷存储能力。同时,采用ALD生长的HfAlO薄膜存储器还具有良好的开关特性和数据保持能力,因此,采用这种high-k复合氧化物薄膜作为器件的存储层具有很好的应用前景。
【作者】蓝学新；
【导师】殷江；
【作者基本信息】南京大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】电荷俘获存储器；金纳米晶；纳米叠层结构；high-k复合氧化物薄膜；

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