【摘要】：目前,金屬-氧化物-氮化物-氧化物-硅(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Si, MONOS)型存儲器面臨的挑戰(zhàn)是如何在低的工作電壓下,提高器件存儲性能(如存儲窗口、編程/擦除速度等)和可靠性(如疲勞特性和數(shù)據(jù)保持力等)。采用合適的高k介質(zhì)對柵堆棧結(jié)構(gòu)中的隧穿層、電荷存儲層和阻擋層進(jìn)行改進(jìn),并對結(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行優(yōu)化,是提高小尺寸存儲單元性能的主要途徑。本文圍繞上述內(nèi)容開展研究工作。實(shí)驗(yàn)方面,分別研究了隧穿層采用不同材料、工藝和結(jié)構(gòu)以及電荷存儲層采用不同高k材料對器件存儲性能的影響,并對制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化,以獲得存儲窗口、編程／擦除速度、數(shù)據(jù)保持力和疲勞特性之間的較好折衷；理論方面,建立了MONOS存儲器編程模型,該模型可以精確模擬器件在不同編程電壓下閾值電壓隨時(shí)間的變化。 在隧穿層材料、結(jié)構(gòu)和制備工藝方面,開展了以下研究工作：①在不同氣氛(02、N2O和NO)中制備隧穿層,通過與氧化物隧穿層比較,研究了不同氣氛中制備的氮氧化物隧穿層對器件存儲特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用NO直接熱生長氮氧化物作為隧穿層的MONOS存儲器具有較大的存儲窗口,更快的編程/擦除速度。這是因?yàn)镹O的氮化能力更強(qiáng),導(dǎo)致生長的氮氧化物具有更高的N含量,使得氮氧化物與Si襯底之間的電子勢壘高度降低,從而電子注入效率提高。而且,該器件還具有好的疲勞特性和應(yīng)力后數(shù)據(jù)保持力。這歸因于在氮氧化硅與Si的界面附近形成了較多強(qiáng)的Si-N鍵。②從隧穿層能帶工程出發(fā),提出并制備了SiO2/TaON低k/高k雙隧穿層,并與SiO2/HfON雙隧穿層進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用SiO2/TaON雙隧穿層替代傳統(tǒng)的SiO2隧穿層能獲得更好的存儲性能,即大的存儲窗口、快的編程／擦除速度以及好的疲勞特性。其機(jī)理在于TaON具有較大的介電常數(shù)、與Si襯底較小的導(dǎo)帶差以及與Si02好的界面特性。而且,與SiO2單隧穿層MONOS存儲器相比,采用雙隧穿層結(jié)構(gòu)可以有效改善電荷保持力。 在電荷存儲層材料及制備工藝方面,開展了以下研究工作：①分別采用Zr02和ZrON高k介質(zhì)作為電荷存儲層,研究了摻入N元素對器件存儲特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,摻入N元素的ZrON電荷存儲層MONOS電容存儲器呈現(xiàn)出更好的存儲性能。這是因?yàn)榻Y(jié)合N元素的ZrON可有效抑制Zr硅化物的形成,改善ZrON/SiO2的界面質(zhì)量,并進(jìn)而提高介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)。而且,N元素的引入還增加了存儲層的陷阱密度,有利于存儲窗口的增加。②采用HfTiON高k介質(zhì)作為電荷存儲層,研究了Ti含量對器件存儲特性的影響。恒定電流應(yīng)力測試表明,隨HfTiON介質(zhì)中Ti含量的增加,載流子注入效率和電荷俘獲效率增強(qiáng),從而增加了器件的存儲窗口,提高了編程/擦除速度。然而,微觀分析表明,過量的Ti會在HfTiON/SiO2界面處生成Ti硅化物,不利于器件保持特性的改善。因此,需綜合考慮器件的編程／擦除性能和數(shù)據(jù)保持力,優(yōu)化設(shè)計(jì)HfTiON介質(zhì)薄膜中的Ti含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用Hf/Ti成份比為～1：1的HfTiON作為電荷存儲層,能獲得存儲性能之間較好的折衷,即大的存儲窗口、快的編程/擦除速度以及好的疲勞和保持特性。 在理論模型研究方面,從編程狀態(tài)下的實(shí)際物理過程出發(fā),通過將有效電荷俘獲截面積作為擬合參數(shù),建立了一個(gè)簡化的MONOS存儲器編程模型。通過將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,驗(yàn)證了模型的正確性和準(zhǔn)確性,并通過與實(shí)驗(yàn)擬合,確定了不同編程電壓下的有效電荷俘獲截面積。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP333
【圖文】：

故通常將懸浮柵存儲器稱之為Hash存儲器。Flash存儲器是半導(dǎo)體存儲器中發(fā)展最快，應(yīng)用最廣的存儲器，與其它存儲器的特性比較如圖1-1所示�？梢钥闯�，相比其它存儲器而言，F(xiàn)lash存儲器是唯一一種兼具非揮發(fā)性、大容量以及電BJ"擦除等優(yōu)點(diǎn)的半導(dǎo)體存儲器。高密度/ \ EPROM DRAM / \非易失性 電可擦除圖1-1存儲器特性比較上世紀(jì)80年代初，Toshiba公司的Masuoka等人發(fā)明/基于多晶娃懸浮柵的Flash存儲器⑴，但可靠性問題一直困擾著人們。直到80年代末，研究人員才解決Flash存儲器的可靠性問題并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)此后，F(xiàn)lash存儲器發(fā)展迅速，并在90年代成為非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲器的主流技術(shù)[4]。隨著器件特征尺寸的不斷縮小和市場需求的不斷增大

中科技大學(xué)博士學(xué)位論不到該季度出貨量的一半。這在半導(dǎo)體發(fā)展史h是一，個(gè)人計(jì)算機(jī)是推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代的動力，大個(gè)人計(jì)算機(jī)上。IHS iSuppli分析人士認(rèn)為，這意味著動將通過便攜式移動終端進(jìn)行，并認(rèn)為我們已經(jīng)進(jìn)入年來，個(gè)人計(jì)算機(jī)一直在半導(dǎo)體市場占據(jù)主導(dǎo)地位。現(xiàn)，半導(dǎo)體市場正在向便攜式設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)轉(zhuǎn)據(jù)也表明2012年，總的Flash存儲器市場（包括Nh存儲器）首次超過/ DRAM市場。由圖1-2 hJ以看出，RAM的市場差距一直在縮小。隨著便攜式設(shè)備（如智普及，人們對于Flash存儲器的需求己經(jīng)超過了 DRAM。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 LU ChihYuan;LUE HangTing;;State-of-the-art flash memory devices and post-flash emerging memories[J];Science China(Information Sciences);2011年05期

2 鄭志威;霍宗亮;朱晨昕;許中廣;劉t

本文編號：2741886