论文部分内容阅读
随着信息时代的到来,数据爆发性的增长要求非易失性存储器(Non-volatile memory,NVM)在开发更高的存储密度等方面快速提升。但是随着摩尔定律极限的接近,器件尺寸的等比例缩小对器件性能产生了根本性的影响。为解决上述问题,电荷俘获型存储器(Charge Trapping Memory,CTM)横空出世。同时,高k材料的优异性能使得其被引入电荷俘获型存储器中,用以提高器件性能。本文开展了基于原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition,ALD)的HfO2薄膜生长工艺的研究,分析了以HfO2薄膜分别作为介电层和存储层的电容器、电荷俘获型存储器的电学性能。主要内容如下:本文使用ALD沉积技术制备了在不同吹扫时间和生长温度时的HfO2薄膜,基于以不同生长条件的HfO2薄膜制作了 MOS电容器,并对其电学性能进行系统的分析,以研究生长工艺对器件性能的影响。在研究生长温度对器件性能的影响过程中,对MOS电容器进行C-V、I-V和恒定电压应力(Constant Voltage Stress,CVS)测试,从三个角度分析了 ALD生长温度对HfO2薄膜MOS电容器的影响。首先,通过C-V特性曲线,分析了生长温度对MOS电容器中边界陷阱的影响,研究表明高温下生长的HfO2薄膜MOS电容器中存在较多的边界陷阱,可以达到～1012 cm-2。其次,通过基于不同衬底的I-V曲线,分析了电荷在MOS电容器中的传输机制,为之后分析电荷在Pd/Al2O3/HfO2/Al2O3/Si(MAHAS)电荷俘获型存储器中的传输机制奠定了基础。I-V特性曲线结果表明,当MOS电容器在低场强(<3 MV)工作时,电荷以肖特基发射的方式传输;在高场强工作(>3 MV)时,电荷以Fowler-Nordheim(F-N)隧穿或者Poole-Frenkel(P-F)发射的方式传输,其中P-F发射为主要传输机制。CVS测试结果表明,生长温度为150℃的HfO2-MOS电容器,在施加-6 V栅电压,并持续50 s后,发现了 HfO2-MOS电容器C-V曲线具有1.25 V的偏移,据此推测HfO2薄膜中存在有大量的空穴陷阱,发现低温生长的HfO2薄膜可能存在较多的缺陷。最后为了分析HfO2薄膜中空穴陷阱的由来,通过X射线光电子能谱(X-Ray electron Spectrum,XPS)测试,分析了 HfO2薄膜各元素的组成状态,并从实验中发现非晶格O键的存在,并且非晶格O键的数量会随着ALD生长温度的升高而减少。由此可以推测HfO2薄膜中大量空穴陷阱是由非晶格O键的作用产生,并且当ALD生长温度较低时,HfO2薄膜中的空穴陷阱数目最多。为了研究作为存储层的HfO2薄膜中非晶格O键对CTM器件性能的影响,制备了 MAHAS结构的CTM器件进行了分析。使用不同温度下生长的HfO2薄膜作为存储层,对MAHAS器件进行了写入和擦除速度测试和脉冲C-V测试。结果发现HfO2薄膜中非晶格O键所造成的空穴陷阱对器件的影响是显著的:1)空穴陷阱影响了 CTM器件的写入擦除速度,使得写入过程变困难,却加速了擦除过程;2)空穴陷阱影响了 CTM器件的存储窗口的大小。存储窗口随生长温度升高,从8 V减少到5 V,因此空穴陷阱的数目直接影响着器件的存储能力。CTM器件中空穴陷阱的数量最多可以达到1013 cm-2。而HfO2薄膜中非晶格O键所造成的空穴陷阱的数目与ALD生长温度有直接关系,低温生长的MAHAS存储器存储窗口可以达到8 V,因此可以通过优化ALD生长工艺以提高CTM的器件性能。