基于伪二元氧化物纳米晶基存储器件的研究

摘要

SONOS型结构的电俘获存储器,由于其具有操作电压低、抗疲劳性强、数据保持性好、功耗低等特点,被视为解决浮栅存储器在器件缩小上带来的物理极限的新希望.而纳米晶存储器作为其中的一种,因其电荷俘获机制为生成纳米晶时所产生的缺陷俘获,且俘获的电荷为分立式存储,故在电荷俘获能力及存储能力上都有很大的提升.本文通过烧结出高介电常数(high-k)的(HfO2)0.4(ZrO2)0.6(H-ZO)和(Bi2O3)0.4(ZrO2)0.6(BZO)伪二元氧化物靶材,利用脉冲激光沉积技术,在p-Si衬底上分别制备了HZO和BZO作为俘获层的电俘获存储器存储单元,并通过快速退火处理在俘获层内形成纳米晶电荷俘获缺陷,研究了两种材料的存储能力,系统地分析了BZO材料的电荷俘获能力、能带结构、存储性能以及数据保持能力等,探究了其内部纳米晶随退火条件不同而发生的变化,主要结论如下: 1.将SONOS型作为伪二元氧化物纳米晶存储器的单元结构,结合high-k材料特性,选择了Al2O3作为阻挡层和隧穿层,确定以p-Si/Al2O3/俘获层/Al2O3/Pt的纳米晶电俘获存储器件结构.而俘获层则同样采用了high-k的伪二元氧化物,分析其二元相图以及XRD图谱以了解两种氧化物的结晶温度变化,并通过快速退火处理来控制其内部生成纳米晶而产生的俘获缺陷,最终设计出high-k材料的伪二元氧化物纳米晶存储器. 2.在烧结出HZO和BZO靶材后,通过脉冲激光沉积系统,于设计的器件单元结构中,制备HZO和BZO薄膜作为俘获层.探索和对比温度、气压等沉积条件对器件的影响,确定适合的沉积条件,并在该沉积条件下,在p-Si衬底上分别制备出Al2O3/HZO(BZO)/Al2O3多层薄膜,通过快速退火形成纳米晶而产生电荷俘获缺陷,最后采用电子束蒸发制备了Pt点电极,实现了两种材料的存储器件单元制备. 3.对HZO和BZO两种存储单元进行性能表征.对快速退火后的HZO器件进行C-V曲线测试,发现在低的操作电压下,该器件存储性能较低,而器件在高电压下,C-V曲线不稳定.由于HZO材料的结晶温度较高,HZO器件生成的纳米晶缺陷较少,难以产生相分离.而提升退火时间和温度后,其内部界面扩散使器件伴随有逆存储窗口的现象产生,其严重地削弱了器件的存储窗口,因此,HZO材料作为纳米晶存储器件的俘获层是有较大缺陷的.采用Bi2O3材料替换HfO2来降低HZO材料的结晶温度,在BZO器件经过同样的退火条件后,其所测得的C-V曲线结果表明,该器件在低的操作电压下具有较大的存储窗口,且其退火参数仍可改变来探究更好的器件性能.通过对比未退火的BZO器件,证明了纳米晶在存储器件性能上发挥了作用,同时,BZO薄膜的XRD图谱也能证明其内部纳米晶的形成. 4.探究BZO器件的存储性能及俘获层内部缺陷的形成原理.测试了不同退火工艺条件下BZO器件的存储窗口和数据保持性,优化了BZO器件,经快速退火处理后,BZO器件在800℃90s下的C-V测试结果展现出了杰出的电荷俘获能力,且器件的数据保持性良好.利用XRD和HRTEM证明了该退火条件下俘获层中纳米晶的存在,分析了不同退火温度下俘获层中的材料的结晶变化和化合物的价态变化,解释了BZO在退火后产生的相分离现象及纳米晶颗粒Bi2O3和ZrO2的存在.利用VCA估算了器件的能带结构,分析了BZO器件的电荷的读写机制.另外,通过不同退火条件的器件性能对比,也得出了纳米晶的尺寸与密度对电荷陷阱密度有相当大的影响.

目录

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 非易失性存储器简介

1.3 纳米晶电俘获存储器研究进展

1.4 论文的选题与研究方案

第二章 纳米晶电俘获存储器件的制备工艺及性能表征手段

2.1 纳米晶电俘获存储器件的薄膜制备工艺

2.1.1 脉冲激光沉积系统

2.1.2 电子束蒸发沉积系统

2.1.3 脉冲激光沉积用陶瓷靶材的制备

2.1.4 快速热退火系统

2.2.1 高分辨透射电子显微镜

2.2.2 X射线衍射分析

2.2.3 X射线光电子谱

2.3 器件电学性能测试

第三章 伪二元氧化物纳米晶电俘获存储器件的结构及材料研究

3.1 电俘获存储器件的研究

3.2 伪二元氧化物纳米晶电俘获存储器件的结构和特点

3.3 器件各层的材料选择

3.3.1 器件隧穿层与阻挡层的研究

3.3.2 器件俘获层的研究

3.4 写入与擦除机制

3.5 器件的制备

3.5.1 (HfO2)0.4(ZrO2)0.6俘获层器件

3.5.2 (Bi2O3)0.4(ZrO2)0.6俘获层器件

3.6 本章小结

第四章 BZO纳米晶电俘获存储器的存储性能研究

4.1 BZO纳米晶电俘获存储器的电学性能研究

4.2 BZO纳米晶电俘获存储器的数据保持特性表征

4.3 BZO薄膜的XRD结果分析

4.4 BZO纳米晶电俘获存储器的微观结构表征

4.6 BZO纳米晶电俘获存储器的XPS图谱分析

4.7 本章小结

第五章 结论

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果