多层ZrO2纳米晶基电荷陷阱存储器件的存储特性研究

In order to solve the physical and materials problems of conventional charge trap flash memory in the process of miniaturization, the project proposes that a novel charge trap memory using multilayer high dielectric constant (ZrO2)x(SiO2)1-x as charge trapping layer is fabricated by pulsed laser deposition and atomic layer deposition. The phase separation reaction react in the charge trapping layer during rapid thermal annealing, and the precipitated ZrO2 nanocrystallites are embedded in the amorphous matrix to form multilayer ZrO2 nanocrystallites based charge trapping memory structure. The effect of size and spatial distribution density of ZrO2 nanocrystallites on the charge trap density, memory window, write/erase speed, data retention characteristics and endurance will be investigated. According to the relationship between composition variation, band alignment of device and memory characteristics, we will study the matching problem of nanocrystallites size and distribution density between layers. We will further analyze the dependence of the storage characteristics on environmental temperature and clarify the charge storage and loss mechanism of charge trap memory at different temperatures. Some kinds of (ZrO2)x(SiO2)1-x with excellent memory characteristics and special components will be screened, and provide the scientific basis for material selection and parameters optimization design of charge trap memory devices.

为了解决传统电荷陷阱存储器件小型化过程中遇到的物理和材料问题，本项目提出利用多层高介电常数材料(ZrO2)x(SiO2)1-x作为电荷存储层，借助脉冲激光沉积和原子层沉积系统，制备基于多层ZrO2纳米晶的电荷陷阱存储器件。通过高温退火处理，使存储层发生相分离反应，析出ZrO2纳米晶，形成非晶基体包裹ZrO2纳米晶的多层电荷陷阱存储结构。揭示ZrO2纳米晶的尺寸和空间分布密度对器件的电荷陷阱密度、存储窗口、写入/擦除速度、数据保持能力和抗疲劳性能等存储特性的调控规律；根据组分配比变化对器件能带排列和存储特性的影响规律，探索各介质层之间晶粒尺寸及分布密度的匹配问题；考察环境温度与器件数据保持能力等存储特性之间的关联，阐明电荷存储及损失机制；筛选出几种存储特性优异、具有特殊组分配比的(ZrO2)x(SiO2)1-x介质材料，为电荷陷阱存储器件领域的材料选取和参数优化设计提供科学依据。

社会和科技的进步，使非易失性存储器技术得到迅猛发展。但是，随着半导体器件特征尺寸的不断减小，写入/擦除速度与数据保持能力之间的平衡成为传统电荷陷阱型非易失性存储器件急需解决的问题。本项目以(ZrO2)x(SiO2)1-x薄膜为研究对象，制备电荷俘获型存储器件，解决器件小型化过程中遇到的物理和材料问题。采用不同(ZrO2)x(SiO2)1-x薄膜(x=1.0, 0.92, 0.79, 0.63, 0.46, 0.28, 0.17和0.08)作为电荷存储层制备了电荷存储器件。研究发现，当x处于0.63-0.79之间时，电荷陷阱存储器件可以达到存储窗口、数据保持性能和写入/擦除速度之间的平衡；以单层Zr0.7Si0.3Ox薄膜作为存储层，制备了电荷陷阱存储器件。通过高温退火处理，使ZrO2纳米晶从存储层母相中析出，形成单层ZrO2纳米晶基电荷陷阱存储器件。研究表明，ZrO2纳米晶与非晶母相的界面聚集了大量的陷阱态，能够俘获注入到存储层的电子，从而提高了器件的存储密度和写入/擦除速度。经过106s的保持时间，ZrO2纳米晶基电荷陷阱存储器件的电荷损失量仅为4%，当平带电压为5V时，器件的写入时间仅为10-4 s。ZrO2纳米晶的析出改变了薄膜组分分布，使存储层能带发生弯曲，调节了器件的能带排列，降低了注入电子在阻挡层方面的泄漏，提高了器件数据保持能力和写入/擦除速度，从而达到两者之间的平衡；制备了Zr0.8Si0.2Ox/Al2O3/Zr0.8Si0.2Ox多层薄膜为电荷存储层的电荷陷阱存储器件，通过高温退火，使Zr0.8Si0.2Ox薄膜层发生相分离反应，析出ZrO2纳米晶，形成多层ZrO2纳米晶基电荷陷阱存储器件。研究结果表明，纳米晶的析出及Al2O3层间介质的存在，能够显著提高存储层的陷阱态密度，提高了器件的存储密度；另外，层间介质阻止了存储电荷向阻挡层处泄漏，从而提高了器件的数据保持性能。通过本项目的研究，筛选出(ZrO2)x(SiO2)1-x薄膜作为电荷存储层的最佳组分配比，明确了单层和多层ZrO2纳米晶析出、器件能带排列、存储特性之间的关联，阐明了层间介质在电荷损失机制中的作用，为电荷陷阱存储器件领域的材料选取和参数优化设计提供了科学依据。