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金属纳米晶MOS电容的存储效应研究

黄玥  
【摘要】:随着半导体工艺技术的不断按比例缩小,非挥发闪存存储器的特征尺寸越来越小,集成度越来越高。因而,传统的多晶硅浮栅为基础的闪存面临严峻的挑战,主要表现在隧穿层厚度的减薄导致数据保持能力的退化。基于分立电荷存储的纳米晶存储器可以解决隧穿层减薄后衍生的存储电荷泄漏的问题,可以实现低电压下快速编程/擦除,是最有潜力的下一代非挥发存储器的候选者之一。作为纳米晶存储器的一种,金属纳米晶存储器因其自身的众多优势而受到极大的关注。本论文以金属纳米晶存储器的关键材料为出发点,主要研究了多种金属纳米晶的制备工艺,并与原子层淀积(ALD)高介电常数(high-k)介质相结合,对基于金属纳米晶和high-k介质的金属-氧化物-半导体(MOS)电容的存储效应进行了研究。此外,论文还对钴纳米晶存储器原型器件以及有机材料的应用进行了探索。因此,取得了一些有意义的研究结果,主要包括以下几个方面: (1)采用化学自组装生长的方法,分别在原子层淀积的Al2O3和HfO2薄膜表面制备出了金纳米晶,并对其热稳定性进行了研究。结果表明,金纳米晶的尺寸在5-8 nm范围内,面密度约为4×1011 cm-2;在300℃氮气中退火后,金纳米晶的尺寸增大,但没有改变氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)的吸附状态和金的化学组成。此外,Al2O3和HfO2不同衬底对自组装金纳米晶的特性也有影响。通过上述方法,论文成功地获得了在HfO2介质中内嵌单层和双层金纳米晶的MOS电容结构,并进一步比较了控制层厚度、金纳米晶层数对MOS结构C-V滞回窗口、编程特性和电荷保持特性的影响。结果表明,在同等扫描电压范围下(如±11V),双层金纳米晶导致更大的滞回窗口,就20 nm厚的控制层来说,其滞回窗口达到11.9 V,比单层金纳米晶的电容大4.2 V。不同控制层厚度的单层和双层金纳米晶电容的平带电压均随编程电压的增大而增大,并逐渐饱和。控制层较厚的双层金纳米晶的MOS电容,在电荷流失最快的前200 s内,保存的电荷仍达到起始的75%。借助能带图,并结合电荷的泄漏路径,本论文对上述结果进行了合理的解释。 (2)采用磁控溅射和快速热退火(RTA)技术,研究了在原子层淀积的Al2O3薄膜表面生长钌纳米晶的工艺,包括初始钌层的厚度、退火温度和退火时间对钌纳米晶特性的影响。结果表明,初始钌层厚度为2 nm,退火温度为900℃所形成的钌纳米晶的面密度达到2-5×1012 cm-2,平均直径约为5 nm,并且分布均匀。X射线光电子能谱(XPS)分析揭示了退火后的钌纳米晶主要以金属态存在,同时在其与Al2O3的界面处形成了氧化态的RuO3。对以Pd为电极,内嵌钌纳米晶的Al2O3介质MOS电容的存储效应电学表征,发现在+11~-11 V的扫描电压下其净滞回窗口达到11 V,揭示了非常显著的电荷俘获性能。此外,该MOS结构也表现出非常好的低压下可编程和擦除特性。进一步地,本论文研究了不同隧穿层与控制层的厚度比(T/B)对存储效应的影响,即通过固定A1203介质总厚度不变(28 nm),改变隧穿层与控制层的相对厚度。研究结果显示,在低操作电压下,随着T/B厚度比的增大,所得到的C-V滞回窗口和有效注入电荷密度不断减小,而在高操作电压下则几乎无变化。对于隧穿层为6 nm,控制层为22 nm的MOS电容,在±8V下编程/擦除1 ms后,可获得6.3 V的存储窗口,外推至10年后,其存储窗口仍然达到5.2 V。 (3)系统地研究了磁控溅射钴薄膜的工艺以及淀积后RTA条件对钴纳米晶形成的影响,获得了制备钻纳米晶的理想条件,即:磁控溅射钴的功率为70 W,钴层的初始厚度为3 nm,溅射时衬底温度为100℃,衬底转速为7.68 rpm,淀积后RTA条件为600℃下30 s。在二氧化硅衬底上所形成的钴纳米晶的面密度约为1.3×1011 cm-2。进一步地,本论文以钴纳米晶作为电荷俘获层,并分别以Si02和Hf02为电荷隧穿层和控制层,制作了钴纳米晶存储器的原型器件。通过对器件的输出特性和滞回特性的测量,揭示了沟道/氧化层界面对电荷的俘获和释放的影响甚微,钴纳米晶的充放电起着主要作用。此外,还发现晶圆中不同位置处的同尺寸器件表现出性能的起伏。对钴纳米晶存储器的编程和擦除特性研究发现,存储窗口的大小与器件的沟道长和宽有关,但不同尺寸的器件在±6V编程/擦除1 ms后,所得存储窗口均大于1 V,且该存储器在擦除状态下具有优越于编程状态下的电荷保持特性。 (4)本论文对面向纳米晶存储器应用的关键材料进行了一些初步探索。(a)比较研究了原子层淀积的Nb2O5和Nb2O5/Al2O3叠层薄膜在硅衬底上的热稳定性,结果表明~3 nm的Nb2O5薄膜经过RTA后逐渐演变成岛状形态,且随着RTA温度的提高,其岛状尺寸逐渐增大,而Nb2O5/Al2O3叠层薄膜则表现出更好的热稳定性。对于单一Nb205薄膜,在经过700℃退火后,薄膜从初始的非晶态变成局部结晶的状态。X射线衍射(XRD)数据也表明了非晶的Nb205薄膜经历500℃退火之后发生结晶;在800℃退火后转变为TT相。XPS分析表明,退火前的样品中就存在铌的硅酸盐界面层(Nb-O-Si键),800℃退火后,界面层Nb-O-Si的含量增加,同时还有新的界面氧化硅(Si-O-Si)产生。进一步地,通过在Nb205与硅衬底之间引入A1203层,则成功地抑制了界面层的形成。薄膜的光学特性研究表明,单层和叠层薄膜的折射率均随退火温度的增加表现为先增大后减小的趋势,这可解释为500℃退火导致薄膜致密化,而在更高的温度下退火造成了Nb205与硅衬底之间的反应或者叠层膜中发生Nb205和A1203之间的互扩散。此外,所推导出的叠层薄膜的光学禁带宽度随着退火温度的升高,从2.90 eV增加到3.53 eV。(b)采用电子束热蒸发铂和后RTA的方法,研究了退火条件对铂纳米晶生长特性的影响,表明了铂纳米晶的面密度随着退火温度的升高和退火时间的延长均表现出先增大后减小的趋势。在800℃退火20s能够得到分布均匀的、面密度为3×1011cm-2的铂纳米晶。通过对基于A1203/Pt纳米晶/Hf02结构的MOS电容的存储效应研究,揭示了其在—3~+8 V扫描电压范围下C-V滞回窗口达到2.01 V。在编程时间相同的情况下,当编程电压增大到9 V时其平带电压偏移显著增大,这与电子穿过隧穿层的方式由直接隧穿变为F-N隧穿有关。(c)采用热蒸发技术,在有机半导体材料酞菁铜(CuPc)薄膜表面自发形成了锑纳米晶,纳米晶尺寸主要集中在10~15 nm范围内。通过制作内嵌锑纳米晶的CuPc有机材料的MOS电容,其C-V滞回特性测量揭示了锑纳米晶具有很明显的存储电荷的特性。在+10-—10 V扫描电压范围内,内嵌锑纳米晶的MOS结构表现出2.78V的滞回窗口。


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