MONOS存储器结构参数优化及高k存储层研究

• 作 者: 李育强
• 机 构: 华中科技大学
• 出 处: 华中科技大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: MONOS 存储器 高k 存储层 保持特性 疲劳特性

国际半导体技术发展路线图(ITRS)2011中提出，电荷陷阱型浮栅存储器在等比缩小过程中工作速度得以提高，但是其可靠性的改善仍然存在很大的挑战。本文以电荷陷阱型浮栅存储器为研究对象，在全面分析电荷陷阱型SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Si)/MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Si)存储器工作原理和电荷输运机理的前提下，使用器件模拟仿真与实验结合的方法来对其进行综合研究。首先使用Silvaco TCAD软件仿真研究了各层厚度的效应并对栅堆栈结构厚度进行了优化，确定了可实现存储窗口、工作速度和保持特性折衷的比较合理的栅堆栈结构厚度；再对GdO和LaHfO高k材料作为存储层的存储器的存储特性进行了模拟仿真，证明了高k材料作为存储层对于实现低压高速及优良保持特性SONOS存储器的研究意义。此后，通过实验，采用磁控溅射方法制备了缺氧或富氧GdOx及GdON作为存储层的MONOS电容存储器，使用XPS分析方法来确定存储层材料成份以及表征存储层/隧穿层界面成键状况。结果显示，GdO存储层中掺氮诱导出的电子陷阱密度较大，陷阱能级深，且介质介电常数大，改善了介质体的界面特性，从而使其存储窗口，工作速度、保持特性、疲劳特性在三种不同成分的样品中最优。最后，研究了N2和NH3对存储层进行淀积后退火对存储器存储特性的影响。实验结果表明，合适气氛对GdO(N)存储层进行淀积后退火可以使MONOS存储器的存储窗口、工作速度以及保持特性得到较好的折衷。经NH3对GdON存储层进行淀积后退火的MONOS存储器获得了很好的存储特性：在±14V/1s P/E电压下，存储窗口为4.7V；在12V的编程工作电压下，在100μs时间内已经趋于饱和；室温下保持10年后的电荷损失率仅为24%。因此，经NH3退火的GdON高k材料作为小尺寸MONOS存储器存储层材料有较大应用前景。