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电荷陷阱型悬浮栅存储器隧穿层和存储层研究

陈建雄  
【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(02、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Si02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Zr02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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