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FLASH存储器是当前非易失性半导体存储器市场上的主流器件。随着半导体工艺节点不断推进,器件的尺寸不断缩小,由于电容耦合效应和薄栅介质层可靠性问题,基于传统浮栅结构的存储器件面临来自编程/擦除速度和数据保持特性的挑战,无法满足在小尺寸下非易失存储的要求。基于分立电荷存储概念的电荷俘获型存储器受到了广泛关注。电荷俘获型存储器以其电荷局域存储与平面结构的特点,在器件性能优化及进一步实现三维存储方面具有巨大的优势。本论文主要针对当前电荷俘获存储器的关键问题,研究了基于高介电常数材料界面工程与能带工程的存储器结构。从存储材料表征方法、存储结构优化、器件性能测试与分析等方面进行了研究和探索。
在材料表征方面,我们针对电荷俘获存储层材料局域存储的特点,采用EFM测试手段,建立了直观反映存储层材料电荷俘获与电荷损失特性的表征方法。基于该表征方法,对典型high-K材料的存储特性作出了评估。分析结果表明HfO2材料较Al2O3材料具有更高的电子俘获能力,更适于作为电荷俘获层材料;高温退火工艺可以有效抑制俘获电子随时间的损失,但其引起的材料结晶现象亦会在一定程度上减弱存储电子的能力;界面效应在对电荷的俘获中起到重要作用,因而Al2O3/HfO2双层结构样品有高的俘获电子密度和小的随时间电子损失量。该表征方法为存储层材料与结构的优化提供了有效的手段。
在结构优化方面,在存储层材料评估的基础上,基于界面工程与能带工程,提出了多层high-k材料存储层结构HAH(HfO2/Al2O3/HfO2)。优化的MAHAHOS(Metal/Al2O3/HfO2/Al2O3/HfO2/SiO2/Si)较单层存储层结构MAHOS(Metal/Al2O3/HfO2/SiO2/Si),具有更大的存储窗口、较快的操作速度和显著提高的数据保持特性及疲劳特性,可应用于多值存储技术。进而从材料结构和制备工艺优化的角度研究了石墨烯材料在电荷俘获型存储器中的应用,验证了一种基于纳米石墨烯存储媒介的低成本、工艺兼容、低操作电压的存储器结构。
在器件性能分析方面,我们在测试器件的基本电学性能的基础上,通过改变MAHAHOS存储结构存储层中Al2O3插入层的位置,分析比较了不同器件的电学性能,进一步确认了界面在存储层结构中的重要作用,以及能带工程对存储层中电荷再分布的调控,为存储层材料与结构的优化提供了物理依据。