电荷陷阱型悬浮栅存储器隧穿层和存储层研究

摘要

目前，金属-氧化物-氮化物-氧化物-硅（Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Si，MONOS）型存储器面临的挑战是如何在低的工作电压下，提高器件存储性能（如存储窗口、编程/擦除速度等）和可靠性（如疲劳特性和数据保持力等）。采用合适的高k介质对栅堆栈结构中的隧穿层、电荷存储层和阻挡层进行改进，并对结构和制备工艺进行优化，是提高小尺寸存储单元性能的主要途径。本文围绕上述内容开展研究工作。实验方面，分别研究了隧穿层采用不同材料、工艺和结构以及电荷存储层采用不同高k材料对器件存储性能的影响，并对制备工艺进行了优化，以获得存储窗口、编程/擦除速度、数据保持力和疲劳特性之间的较好折衷；理论方面，建立了MONOS存储器编程模型，该模型可以精确模拟器件在不同编程电压下阈值电压随时间的变化。
　　在隧穿层材料、结构和制备工艺方面，开展了以下研究工作：①在不同气氛（O2、N2O和NO）中制备隧穿层，通过与氧化物隧穿层比较，研究了不同气氛中制备的氮氧化物隧穿层对器件存储特性的影响。实验结果表明，采用NO直接热生长氮氧化物作为隧穿层的MONOS存储器具有较大的存储窗口，更快的编程/擦除速度。这是因为 NO的氮化能力更强，导致生长的氮氧化物具有更高的N含量，使得氮氧化物与Si衬底之间的电子势垒高度降低，从而电子注入效率提高。而且，该器件还具有好的疲劳特性和应力后数据保持力。这归因于在氮氧化硅与Si的界面附近形成了较多强的Si-N键。②从隧穿层能带工程出发，提出并制备了SiO2/TaON低k/高k双隧穿层，并与SiO2/HfON双隧穿层进行了比较。实验结果表明，采用SiO2/TaON双隧穿层替代传统的SiO2隧穿层能获得更好的存储性能，即大的存储窗口、快的编程/擦除速度以及好的疲劳特性。其机理在于TaON具有较大的介电常数、与Si衬底较小的导带差以及与SiO2好的界面特性。而且，与SiO2单隧穿层MONOS存储器相比，采用双隧穿层结构可以有效改善电荷保持力。
　　在电荷存储层材料及制备工艺方面，开展了以下研究工作：①分别采用 ZrO2和ZrON高k介质作为电荷存储层，研究了掺入N元素对器件存储特性的影响。实验结果表明，掺入N元素的ZrON电荷存储层MONOS电容存储器呈现出更好的存储性能。这是因为结合N元素的ZrON可有效抑制Zr硅化物的形成，改善ZrON/SiO2的界面质量，并进而提高介质薄膜的介电常数。而且，N元素的引入还增加了存储层的陷阱密度，有利于存储窗口的增加。②采用HfTiON高k介质作为电荷存储层，研究了Ti含量对器件存储特性的影响。恒定电流应力测试表明，随HfTiON介质中Ti含量的增加，载流子注入效率和电荷俘获效率增强，从而增加了器件的存储窗口，提高了编程/擦除速度。然而，微观分析表明，过量的Ti会在HfTiON/SiO2界面处生成Ti硅化物，不利于器件保持特性的改善。因此，需综合考虑器件的编程/擦除性能和数据保持力，优化设计HfTiON介质薄膜中的Ti含量。实验结果表明，采用Hf/Ti成份比为~1:1的HfTiON作为电荷存储层，能获得存储性能之间较好的折衷，即大的存储窗口、快的编程/擦除速度以及好的疲劳和保持特性。
　　在理论模型研究方面，从编程状态下的实际物理过程出发，通过将有效电荷俘获截面积作为拟合参数，建立了一个简化的MONOS存储器编程模型。通过将模拟结果与实验数据进行比较，验证了模型的正确性和准确性，并通过与实验拟合，确定了不同编程电压下的有效电荷俘获截面积。

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第一章 绪 论

1.1 悬浮栅存储器概况

1.2 悬浮栅存储器基本单元结构及工作原理

1.3悬浮栅存储器的阵列结构以及编程/擦除机理

1.4多晶硅悬浮栅存储器面临的挑战及其替代技术

1.5 电荷陷阱型悬浮栅存储器研究现状

1.6本文主要内容以及结构安排

第二章 制备工艺以及特性表征

2.1 引言

2.2 高k介质薄膜制备方法

2.3 介质薄膜的物理性能表征

2.4电容存储器制备工艺流程

2.5 存储器的电学特性表征

2.6 本章小结

第三章MONOS存储器隧穿层材料及结构研究

3.1 引言

3.2 氮氧化硅隧穿层研究

3.3 双隧穿层结构研究

3.4 本章小结

第四章 MONOS存储器电荷存储层研究

4.1 引言

4.2 ZrON电荷存储层特性研究

4.3 二元金属氮氧化物（HfTiON）电荷存储层特性研究

4.4本章小结

第五章 基于器件物理的MONOS存储器编程模型

5.1 引言

5.2模型的建立

5.3 结果分析与讨论

5.4 本章小结

第六章 总结与工作展望

6.1 本文工作总结与创新点

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士学位期间发表的论文