基于DFT方法的SONOS存储器件氮化硅层掺杂理论研究

摘要

伴随着可携带式电子产品的普及，如笔记本电脑、手机、记忆卡等，非挥发性存储器件在半导体存储器件中扮演着越来越重要的角色。随着存储器件尺寸的缩小，三十多年前就被提出的基于SONOS结构非挥发性存储器件又重新被关注。除了小的器件尺寸之外，SONOS器件还具有很多优势，如更好的抗擦写能力（Endurance）、低操作电压和低功率，且工艺过程简单并与标准CMOS工艺兼容。对于SONOS器件，随着器件尺寸的减小，特别是隧穿氧化硅层变薄，作为存储器件最重要的性能指标之一的电荷保持性能（Data Retention），并不理想，这也成为SONOS器件被广泛应用的致命障碍。 本论文的研究方法是基于对无定形氮化硅及氧或氟掺杂无定形氮化硅的文献报道的实验研究，尤其是电子顺磁共振（ESR）实验，所提供的信息，建立和推测无定形氮化硅和氧、硫、氟、氯、磷掺杂氮化硅中各种缺陷的簇模型，再使用先进的密度泛函理论（DFT）方法，优化并计算出各种缺陷簇模型的体系能量，得到各种缺陷俘获电荷过程的能量变化，并与SONOS器件的电荷保持性能联系起来分析，从这些典型的非金属元素中，找出合适的元素掺杂无定形氮化硅，作为SONOS器件的电荷贮存层，来改善器件的电荷保持性能。 通过研究发现，未掺杂的无定形氮化硅的各种缺陷中N原子越多，俘获空穴的能力越好，而俘获电子的能力越差；缺陷俘获电子的能力比俘获空穴的能力好，电子释放过程应对温度敏感，而空穴释放过程主要由隧穿机制控制。此外，与氧氮化硅一样，硫或磷掺杂氮化硅代替氮化硅作为SONOS器件的电荷贮存层，可改善器件的电荷保持性能。 本论文的结论为后续的试验研究工作给出了明确的指引，同时也为SONOS器件电荷保持性能的进一步理论研究提供了依据。