基于缺陷工程的高k介质电荷陷阱型存储器性能研究

作     者：朱汉强 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘璐

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：电荷陷阱型存储器 高k介质 等离子氮化 氧空位 第一性原理 

摘      要：现在的半导体器件尺寸逐渐减小,工艺流程愈发复杂,使传统的电荷陷阱型存储器面临着电荷泄露增大、保持特性变差等问题。利用缺陷工程,简化电荷陷阱型存储器的制备工艺,能够有效地改善器件的保持特性,降低器件的功耗等。本论文主要通过氮等离子体处理与氧空位的形成两种方式制备富含缺陷的电荷存储层,并结合第一性原理进行理论分析,探究了不同缺陷的引入方式对电荷陷阱型存储器的性能影响。在氮等离子体处理方面开展了以下研究工作:分别通过N和NH远程等离子体处理原子层沉积(ALD)制备的Hf O,形成含N缺陷的Hf ON作为存储层,制备了Al/Hf O/Hf ON/Hf O/Si(MONOS-Hf O)结构的存储器样品。结合材料特性和电学特性分析发现,经N和NH等离子体处理的MONOS-Hf O均出现了存储窗口,同时因为NH的离子性比N高,使得存储层中掺入N元素的量更多,所以NH处理的存储器获得了相比N处理的存储窗口1.106 V更大的存储窗口2.641 V,但是其保持特性较差,电荷损失率高达82.3%。这是因为氮等离子体处理引入的氮含量很少,不能形成稳定均匀且高掺杂的氮化物。同时采用第一性原理模拟发现虽然在Hf O中掺入N会使禁带宽度减小0.5 e V,但仅在距离价带顶约0.448 e V的位置能够引入一条浅缺陷能级,这使得MONOS-Hf O存储器样品的存储窗口较小且保持特性较差。在氧空位的形成方面开展了以下研究工作:通过改变ALD中的TDMA-Hf源的注入量,生长含氧空位缺陷的Hf O作为存储层,制备了Al/AlO/Hf O/AlO/Si(MOHOS-Hf O)结构的存储器样品。对比以氧空位较少的Hf O作为存储层的Al/AlO/Hf O/AlO/Si(MOHOS-Hf O)存储器,MOHOS-Hf O存储层的存储性能要更好,在+8/-10 V编程/擦除电压下获得5.50 V的存储窗口。同时对AlO隧穿层退火研究发现,经过400℃退火能够明显改善了存储器件的漏电特性,使得电荷损失率从不退火的70.5%降低到23.2%;而且,在低电压(+3/-10 V)下就出现了3.02 V的存储窗口,大大降低了存储器的功耗,同时工作速率达到了50 ns。这是因为控制ALD生长能够获得含均匀分布氧空位缺陷的Hf O,且这些氧空位具有较好的稳定性。同时利用第一性原理分析发现在Hf O中引入不同配位的氧空位V和V,均会在Hf O靠近禁带中间的位置引入一条深陷阱能级,而深陷阱能级对电荷具有较好的俘获能力,因此使得MOHOS-Hf O具有比MOHOS-Hf O更好的存储特性。