雜質(zhì)Al對電荷俘獲存儲器存儲特性影響研究.pdf

1、當今智能社會對便攜設(shè)備需求不斷提高，因而非易失性存儲器的需求也在與日俱增。伴隨著電子產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，器件工藝尺寸在不斷縮小，存儲容量不斷增大，浮柵存儲器則面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。為此，當務(wù)之急是研究一種低操作電壓、低功耗以及高穩(wěn)定性的新型存儲器來取代傳統(tǒng)的浮柵型存儲器。目前，研究熱點有兩類存儲器，一是在浮柵存儲器的基礎(chǔ)上改進的電荷俘獲存儲器(CTM，Charge trapping memory)，二是全新結(jié)構(gòu)的非易失性存儲器。而電荷俘獲存儲器

2、在設(shè)計思路上秉承了傳統(tǒng)的浮柵存儲器，其外圍電路、存儲陣列及工藝與原有的浮柵存儲器基本相同，因而能與傳統(tǒng)半導(dǎo)體CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)工藝相兼容，同時具有低操作電壓、低功耗和優(yōu)良的抗疲勞性能而受到研究者的廣泛關(guān)注，具有良好的應(yīng)用前景。
　　電荷俘獲存儲器由阻擋層、俘獲層、隧穿層構(gòu)成，其原理是利用俘獲層中的缺陷來存儲電荷。TAHOS(TaN/Al2O3/HfO2/SiO2

3、/Si)是當下電荷俘獲存儲器研究的典型結(jié)構(gòu)之一。在該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過研究材料的性質(zhì)來改善存儲器的性能。由于第一性原理可以避免實驗制備周期長、平臺要求高的缺點，所以本文通過第一性原理計算來分析材料的微觀參數(shù)與存儲器宏觀性能間的物理聯(lián)系。
　　首先，研究對比了兩種體系，一種是HfO2俘獲層中無摻雜時的Vo4（四配位氧空位）缺陷體系，另一種是在該體系的基礎(chǔ)上摻入替位雜質(zhì)Al形成的共存缺陷體。通過第一性原理計算，結(jié)果表明摻入雜質(zhì)Al可以有

4、效提高器件的數(shù)據(jù)保持特性和耐擦寫性。氧空位形成能的計算結(jié)果表明摻雜后共存缺陷體系更容易形成。通過控制電荷數(shù)模擬P/E操作計算了電荷俘獲能，結(jié)果顯示共存缺陷體是雙性俘獲，對載流子的俘獲能力明顯增強，載流子被擦除時所需的能量變大，對載流子的保持具有重要的作用;Bader電荷分析表明共存缺陷體系，俘獲的空穴與電子間電荷數(shù)之差較小，說明共存缺陷體更有利于電荷的數(shù)據(jù)保持。態(tài)密度與能帶結(jié)構(gòu)分析表明共存缺陷體對空穴的局域能影響較強，位于缺陷能級上的空

5、穴被激發(fā)進入價帶所需的能量變大，增強了體系的數(shù)據(jù)保持特性。通過擦寫前后的結(jié)構(gòu)分析和耐受性計算，得出摻入雜質(zhì)Al可以提高器件的耐擦寫性。
　　其次，研究了HfO2俘獲層中雜質(zhì)Al與本征缺陷Vo3（三配位氧空位）之間距離變化對電荷保持特性的影響，結(jié)果表明Al和Vo3之間距離為2.107(A)，體系具有最好的數(shù)據(jù)保持特性，同時，針對摻入Al的濃度問題展開研究，結(jié)果表明當Hf/Al摩爾比為1∶1時，器件的寫速度最快，數(shù)據(jù)保持特性最好。量子

6、態(tài)數(shù)計算結(jié)果表明當缺陷間距為2.107(A)時，該體系缺陷能級上總的量子態(tài)數(shù)最大，能俘獲的載流子數(shù)最多，表明此時載流子的數(shù)據(jù)保持能力最強。布局數(shù)和鍵長分析顯示當Al和Vo3缺陷間距離為2.107(A)時，布居值最小、Al-O鍵長最大，通過計算體系中寫入空穴后的鍵長大小，得出該距離下，Al-O鍵長的變化值最小，表明此距離下體系最穩(wěn)定，對數(shù)據(jù)的保持能力最強。同時，我們模擬了五種濃度結(jié)構(gòu)來研究摻雜濃度不同所引起的擦寫速度的變化，確定出最優(yōu)摻雜

7、比。通過計算電荷俘獲能和能帶偏移值，結(jié)果表明Hf/Al摩爾比為1∶1時，體系中的自由電子隧穿進入俘獲層最容易，載流子的隧穿時間會縮短，能加快器件的寫速度，所以該體系具有最快的寫速度。在存在本征缺陷的前提下，摻入不同濃度的雜質(zhì)Al，通過計算氧空位形成能和電荷俘獲能發(fā)現(xiàn)Hf/Al摩爾比為1∶1時，體系具有良好的數(shù)據(jù)保持能力。
　　最后，對俘獲層和隧穿層構(gòu)成的HfO2/SiO2界面進行了初步的研究，結(jié)果表明界面結(jié)合處Hf原子和Si原子形