学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

基于Ru-RuO_x纳米晶及高K介质的MOS结构存储效应及机理研究

作　者: 苟鸿雁
导　师: 丁士进
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 非挥发性存储器分离电荷存储原子层淀积高介电常数金属纳米晶复合电荷俘获层
分类号: TP333
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 35次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着半导体工艺技术的不断发展，非挥发性快闪存储器集成密度要求越来越高,存储单元特征尺寸需要不断减小,因而传统的多晶硅浮栅快闪存储器正面临着严峻的挑战,如隧穿氧化层的减薄导致数据保存能力退化等。而基于分离电荷存储的非挥发性存储器,可以采用更薄的隧穿氧化层同时保持着良好的数据保留特性,由此可以带来更低的编程／擦除电压和更快的编程／擦除速度,是下一代快闪存储器最理想的解决方案之一。本论文基于分离的电荷存储方式,分别以金属纳米晶、高介电常数(High-k)介质陷阱及两者的复合结构为电荷存储媒介,结合原子层淀积的Al2O3电荷隧穿层和阻挡层以及电子束蒸发高功函数金属Pd电极,研究了其金属—氧化物—半导体(MOS)结构的存储效应和物理机制。具体内容包括以下几个方面：(1)采用磁控溅射和快速热退火(RTA)技术,研究了在原子层淀积(ALD)的Al2O3薄膜表面生长钌纳米晶的工艺。结果表明,对初始厚度为2 nm的钌膜在900℃下退火30 s可以得到密度为2.0×1012cm-2,平均直径约为5 nm且分布均匀的钌-氧化钌(Ru-RuOx)纳米晶。接着,研究了以ALD Al2O3为电荷隧穿层和阻挡层,Ru-RuOx纳米晶为电荷俘获层的MOS存储电容的性能。结果显示,在-11～+11 V的电压扫描范围内,该MOS电容表现出11.2 V的C-V滞回窗口。为了进一步研究不同隧穿层与阻挡层的厚度比(T/B)对存储效应的影响,本论文固定Al2O3介质厚度不变(28 nm)而改变隧穿层与阻挡层的相对厚度。测试结果显示,在低操作电压下,随着T/B厚度比的增大,存储电容器的C-V滞回窗口和有效注入电荷密度不断减小,而在高操作电压下则几乎无变化。这是由于电荷通过隧穿层的机制不同,在低压下是以直接隧穿为主,而在高压下则是F-N隧穿为主。对于隧穿层为6 nm,阻挡层为22 nm的存储电容,在+/-7 V编程／擦除1 ms后,可获得5.1 V的存储窗口,并且外推至十年后,仍有84%和82%的正电荷和负电荷保留在其上,具有很好的电荷保持特性。(2)采用ALD方法生长了不同Al2O3/HfO2 (A/H)比例的混合High-k介质作为电荷俘获层,同时采用ALD Al2O3为隧穿层和阻挡层制备了MOS存储电容器。通过对其存储效应的研究发现,随着混合High-k介质层中HfO2比例的增多,MOS电容的电荷捕获能力依次增强,而电荷保存能力则依次减弱。其中以纯HfO2为电荷俘获层的MOS电容,在+／-14 V的电压扫描范围内其C-V滞回窗口达到3.6 V；在+17 V电压下编程10 ms后,其平带电压(Vfb)向正向漂移2 V。在编程后半个小时只有约55%的电荷保留在HfO2电荷俘获层中,且在+17 V时该MOS电容的漏电流大至1.4×10-5 A/cm2。较差的电荷保持特性可能是由于HfO2在800℃退火后其已形成多晶结构,从而沿着晶粒间界的电荷泄漏增大。(3)研究了以Ru-RuOx纳米晶／High-k介质为复合电荷俘获层,以Al2O3为电荷隧穿层和阻挡层的MOS存储电容器,同时采用高功函数金属Pd作为电极。实验结果表明,采用Ru-RuOx纳米晶/High-k介质的复合电荷俘获层比采用单一Ru-RuOx纳米晶层更有利于增大MOS电容的C-V滞回窗口,当复合电荷俘获层中High-k介质选用Hf02时,在+9～-9 V的扫描电压范围下,MOS电容的滞回窗口比只采用单一Ru-RuOx纳米晶层大10.3 V。这是由于High-k介质的引入增强了降落在隧穿层上的电场强度,因此提高了电荷注入速率。所以,基于Ru-RuOx纳米晶/HfO2复合电荷俘获层的电容,在+／-9 V电压下编程／擦除100μs,存储窗口即可达到3.4 V,对应的电子和空穴平均注入速率分别为2.8×1011cm-2μs-1和3.0×1011 cm-2μs-1并且外推至十年后仍有很好的电荷保持特性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-23
  1.1 引言  9
  1.2 Flash存储器的基本结构及工作原理  9-13
    1.2.1 Flash存储器的基本结构  10-11
    1.2.2 Flash存储器的编程和擦除机制  11-12
    1.2.3 传统的Flash存储单元存在的缺点  12-13
  1.3 金属纳米晶存储器的工作原理及金属纳米晶的制备方法  13-17
    1.3.1 金属纳米晶存储器的工作原理  13-14
    1.3.2 金属纳米晶的大小和分布要求  14-15
    1.3.3 金属纳米晶的制备方法  15-17
  1.4 SONOS存储器的结构及其工作原理  17-18
    1.4.1 SONOS存储器的结构  17-18
    1.4.2 SONOS存储器的工作原理  18
  1.5 SONOS和金属纳米晶存储器的性能优化  18-22
  1.6 本章小结  22-23
第二章基于Ru-RuO_x复合纳米晶和Al_2O_3介质的MOS电容存储效应研究  23-41
  2.1 前言  23-24
  2.2 实验方案  24-25
    2.2.1 Ru-RuO_x复合金属纳米晶的制备  24
    2.2.2 Ru-RuO_x复合纳米晶存储电容的制备  24-25
  2.3 实验结果及讨论  25-40
    2.3.1 退火条件对Ru-RuO_x复合纳米晶生长的影响  25-28
    2.3.2 Ru-RuO_x复合纳米晶的成份分析  28-31
    2.3.3 Ru-RuO_x复合纳米晶的MOS电容存储效应  31-33
    2.3.4 不同隧穿层/阻挡层厚度比对MOS电容存储性能的影响  33-40
  2.4 本章小结  40-41
第三章基于High-k介质HfO_2、HfAlO电荷俘获层的MOS电容存储效应研究  41-51
  3.1 前言  41
  3.2 实验方案  41-43
  3.3 实验结果及讨论  43-50
  3.4 本章小结  50-51
第四章基于Ru-RuO_x纳米晶/High-k介质复合电荷俘获层MOS电容存储效应研究  51-64
  4.1 前言  51-52
  4.2 实验方案  52-53
  4.3 实验结果及讨论  53-63
  4.4 本章小结  63-64
第五章研究总结及展望  64-66
参考文献  66-72
硕士阶段发表的学术论文  72-73
致谢  73-74

基于Ru-RuO_x纳米晶及高K介质的MOS结构存储效应及机理研究

内容摘要

全文目录

相似论文