【摘 要】
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随着半导体工艺节点的推进与器件特征尺寸的减小,传统浮栅存储器面临着器件漏电增大、电荷泄露严重和可靠性下降等问题。采用分立式电荷存储结构的纳米晶作为电荷存储层,纳米晶浮栅型存储器具有低工作电压、高擦写速度以及与CMOS工艺兼容等特点,得到了广泛的研究。本论文将结合理论仿真与实验制备两方面对InP纳米晶浮栅存储器进行研究。理论方面,根据纳米晶浮栅型存储器的电荷输运与隧穿机制,结合电子直接隧穿电流与阈值
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随着半导体工艺节点的推进与器件特征尺寸的减小,传统浮栅存储器面临着器件漏电增大、电荷泄露严重和可靠性下降等问题。采用分立式电荷存储结构的纳米晶作为电荷存储层,纳米晶浮栅型存储器具有低工作电压、高擦写速度以及与CMOS工艺兼容等特点,得到了广泛的研究。本论文将结合理论仿真与实验制备两方面对InP纳米晶浮栅存储器进行研究。理论方面,根据纳米晶浮栅型存储器的电荷输运与隧穿机制,结合电子直接隧穿电流与阈值电压偏移的关系,建立了单层纳米晶浮栅存储器的保持特性模型。首先分别模拟了以Si、Ge和InP三种材料作为纳米晶存储层的器件保持特性曲线,仿真验证实验所采用的InP纳米晶的性能优势。并对InP纳米晶的密度与覆盖率、隧穿层材料与厚度等影响保持特性的因素进行了模拟。结果表明,相比传统纳米晶材料Si和Ge,InP由于其较窄的禁带宽度与更大的势垒高度,可以有效改善器件的电荷保持特性,并且更高的纳米晶覆盖率可以有效改善器件的保持特性。但是由于尺寸与密度的相互限制,实验制备中,需要重点折中调控InP纳米晶尺寸大小与分布密度。同时隧穿层厚度与材料对保持特性有明显影响,应采用高k材料并控制隧穿层厚度防止过薄。实验方面:（1）制备了以InP作为存储介质的Al/HfO2/InP NCs/ZrO2/Si结构的存储电容。研究了1.5min、2min和2.5min的淀积后退火时长对2nm、3nm和4nm厚度InP薄膜纳米晶生长情况的影响。结合电学特性与微观特征进行分析发现,对2nm InP存储层进行1.5min或2min的淀积后退火,对3nm InP进行1.5min退火,都可以形成尺寸合适密度大的纳米晶,在±8V的编程/擦除电压下,分别获得了4.5V、4.7V和4.9V的存储窗口,电荷流失比例为18.2%、22.4%和20.2%。（2）采用2nm ZnO/3nm ZrO2双势垒隧穿层,采用2nm厚度InP薄膜进行2min淀积后退火形成InP纳米晶,制备了Al/HfO2/InP NCs/ZnO/ZrO2/Si结构的存储电容。实验表明,采用双势垒隧穿层结构的InP纳米晶存储电容,电荷存储性能优良,在±8V的编程/擦除电压下,获得了4.85V的存储窗口,双隧穿层结构提高了电荷注入效率与速度,±8V 100ns的编程/擦除操作即可产生3.3V的存储窗口。2nm ZnO的引入可以改善ZrO2厚度从5nm减至3nm带来的电荷流失加剧问题,10年后电荷流失比例由3nm ZrO2隧穿层样品的41.8%降低至29.7%。
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