新型氧化物纳米晶电荷存储器件的存储特性研究

为了解决传统电荷俘获型存储器件小型化过程中遇到的物理及材料问题，我们提出了一种基于非晶基体包裹的氧化物纳米晶作为电荷俘获介质的新型电荷存储器件结构。与传统的电荷俘获介质Si3N4相比，基于新结构的氧化物纳米晶电荷俘获介质具有电荷存储密度高、抗电荷侧向迁移能力强及电荷保持性能优异等特点。利用Al2O3等高-k氧化物薄膜作为隧穿层介质，在获得小的与SiO2的等效厚度的同时，降低漏电流密度，利用Al2O3等高-k氧化物薄膜作为阻挡层介质，研究与阻挡层具有友好界面及匹配功函数的栅电极。我们将探索使用含不同氧化物纳米晶多层电荷俘获材料结构来增加器件的电荷存储密度，及单层含有不同氧化物纳米晶电荷俘获材料结构来调节器件存储特性的新途径，研究不同物理条件下氧化物纳米晶电荷俘获器件的存储特性，综合利用光学及电学测试手段研究氧化物纳米晶电荷存储器件的电荷俘获机制，利用现代微加工工艺制备存储器件单元。

利用 (ZrO2)0.8(SiO2)0.2作为存储层，Al2O3作为隧穿层和阻挡层，借助原子层气相沉积和脉冲激光沉积制备了电荷俘获型ZrO2纳米晶CTM器件，系统研究了退火过程中ZrO2纳米晶的析出过程、形态演变、及其尺寸和密度对器件存储性能的影响，研究结果表明ZrO2纳米晶的表面特性对CTM器件的电荷俘获能力有决定性的影响。. 基于上述认识，设计和制备了利用ZrO2/Al2O3及HfO2/Al2O3纳米叠层作为CTM器件的电荷存储层。研究表明，在HfO2/Al2O3纳米叠层结构器件中，热退火处理以及增加Al2O3插层数量不仅可以提升器件的存储能力，而且可以有效的抑制电荷的流失。由热退火处理引起的HfO2和Al2O3界面处的相互扩散，使得界面处产生了高的缺陷态密度，从而可以存储大量的电荷。保持总的隧穿层厚度不变，增加具有严重互扩散的HfO2/Al2O3界面数量能够在一定厚度的存储层中制作更多的缺陷态，从而提升器件的存储能力。 . 基于高k介质互扩散引入缺陷，从而提高存储能力的实验基础，我们分别使用高k复合氧化物薄膜(TiO2)x(Al2O3)1-x、(Ta2O5)x(Al2O3)1-x、(Cu2O)x(Al2O3)1-x、Zr0.5Hf0.5O2、(ZrO2)0.5(Al2O3)0.5、(ZrO2)0.5(Ta2O5)0.5等作为电荷存储介质制备了CTM器件，系统研究了其存储特性。我们发现高k复合氧化物薄膜作为电荷存储介质可以大幅提高器件的电荷存储密度、编程/擦除速度、数据保持能力，并获得了影响器件存储特性的关键因数，具体如下：1）高k介质的混合越均匀，器件的电荷存储密度越高；2）高k复合电荷存储介质的介电常数越高，器件的电荷存储密度、编程/擦除速度及数据保持能力越好；3）高k复合电荷存储介质的导带底的势能与p-Si的导带底之间的势能差越小，器件的电荷存储密度、编程/擦除及数据保持能力就越高；4）高k氧化物阳离子间不同的化学价态可导致高的电荷存储密度。