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半导体存储器和电容器是集成电路中非常重要的信息处理器件。随着集成电路技术的发展,传统的存储器面临着存储密度低、寿命短和功耗高等挑战,同时传统的多晶硅-绝缘体-多晶硅(polysilicon-insulator-polysilicon,PIP)或金属-氧化物-硅衬底(metal-oxide-silicon,MOS)结构电容也存在寄生电容、电压线性度差等严重问题,因此发展新型存储器与电容器成为学术界和工业界关注的热点。电荷俘获型存储器(charge trapping memory,CTM)的电荷主要存储在相互分离的绝缘层的电荷陷阱中,因此具有存储密度高、功耗低、寿命高和低成本等优点,而且CTM技术完全与传统的半导体工艺相兼容,故被认为是替代传统闪存的主流存储器之一。而新型的金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal,MIM)结构的电容器,具有高电导的金属电极、低的接触电阻和寄生电容,亦无耗尽效应,因此成为下一代电容结构的首选。原子层沉积(atomic layer deposition,ALD)是一种正在蓬勃发展中的新型薄膜材料沉积技术,由于其独特的自限制、自饱和反应机理,因而具有优异的三维共形性、大面积的均匀性和精确的亚单层膜厚控制等优点,同时与半导体制造工艺高度兼容。因此近年来利用ALD制造高质量高k介质薄膜成为研究的重点。因此,本论文通过 ALD 技术制备了以 Ta2O5/A12O3/TiO2/Al2O3/Ta2O5(TATiAT)纳米复合高k介质为存储层的电荷俘获型存储器与Ta2O5纳米岛存储器,其中隧穿层和存储层均为ALD沉积的Al2O3薄膜,并对它们的微结构、电荷存储性能和能带结构进行了表征和分析。同时采用热ALD和PEALD技术制备了 Zr-Ti-O复合介质体系的MIM电容,研究了沉积温度、热ALD和PEALD技术、不同Zr源前驱体对Zr-Ti-O MIM电容的电学性能的影响。主要进展如下:1、采用热ALD技术制备了存储介质层为Ta2O5/Al2O3/TiO2/Al2O3/Ta2O5(TATiAT)电荷俘获型存储器。高分辨透射电子显微镜观测和X射线光电子能谱深剖分析表明:TATiAT形成了纳米复合高k氧化物。该CTM器件具有优异的电荷存储能力。在±10V的扫描电压下存储窗口可达10.0 V,电荷存储密度为1.10×1013cm-2,归因于纳米复合高k氧化物中,存在较多的因互扩散形成的电荷缺陷,可存储电荷。该器件具有较快的开关响应速度,施加10μs脉冲时存储窗口超过1.0V,施加1ms脉冲时,存储窗口达2.6V,优异的抗疲劳特性,在数据保持能力方面也展示出优势,10年后电荷量仅损失了 31%。通过能带结构分析得出TATiAT和Al2O3之间存在较大的导带补偿1.02eV,有利于电荷存储和数据的保持。2、研究了不同Si衬底终端(-H、-OH和Al2O3)和不同循环数(20、30和40循环)对ALD沉积Ta2O5纳米岛的形貌、尺寸与密度的影响。发现ALD沉积的Al2O3表面具有最丰富的-OH活性基团,有利于Ta2O5的成核与生长,20循环下即可获得最大面密度达6.30×1011 cm-2的Ta2O5纳米岛分布,均宽为9.6nm,均高为1.4nm。制备了不同循环数下的Pt/A1203/Ta2O5纳米岛/Al2O3/Si结构的CTM存储器,20循环的Ta2O5纳米岛具有较好的电荷存储能力,±12V下存储窗口为5.8V,电荷存储密度达到了 1.11×1013cm-2,性能优于50循环下的Ta2O5薄膜CTM存储器。20循环Ta2O5纳米岛存储器的数据保持能力不如TATiAT纳米复合高k介质存储器,十年后电荷损失量约一半。通过能带结构分析和相关表征可知:Ta2O5和Al2O3之间的导带补偿为0.86eV,不如纳米复合高k氧化物的导带补偿大,另一方面20循环下获得纳米岛尺寸、密度较大,出现了团聚现象,影响了电荷的存储性能。3、通过热ALD和PEALD技术制备了一系列Zr-Ti-O为介质的MIM电容,研究了沉积温度、锆前驱体和不同ALD方法对电容性能的影响。随着沉积温度的升高,介质薄膜中的含碳量逐渐降低,电压线性度α也呈下降趋势,通过比较得出300℃为制备的Zr-Ti-O复合介质MIM电容较适宜的生长温度。发现热ALD以H2O为氧源制备的MIM电容电压线性度α为正值,而用PEALD以O2等离子体为氧源获得的电压线性度α为负值。分别以ZrCl4和TEMAZ为锆源,采用热ALD和PEALD相联合的技术制备了两组MIM电容,尝试利用抵消效应来降低α值。两组样品漏电流特性均得到了改善,其中TEMAZ体系的α值降低明显,仅为-102ppm/V2,已经达到了 ITRS对MIM电容电压线性度的要求,但是电容密度却较低,仅为4.1 fF/μ2。因此对于Zr-Ti-O体系的MIM电容工艺和性能仍需进一步优化。