基于HfO2電荷俘獲層氧缺陷存儲特性研究.pdf

1、半導體器件尺寸隨著制造工藝和集成電路技術迅速發(fā)展而持續(xù)的等比例縮小，隧穿氧化層厚度也隨之不斷減薄，致使泄漏電流增大;存儲單元間隔不斷減小，浮柵與控制柵間耦合降低，導致相鄰浮柵串擾增強，傳統(tǒng)浮柵結構的非揮發(fā)性存儲器難以達到對存儲器保持特性的要求，故難以實現(xiàn)信息技術發(fā)展所需的高密度存儲?；谶^渡金屬氧化物的高k俘獲層電荷俘獲型存儲器，由于結構簡單，繼承了傳統(tǒng)浮柵結構，完全兼容傳統(tǒng)的CMOS工藝，并且利用其中的相互隔離的電荷陷阱實現(xiàn)分立式電荷

2、存儲，從而消除了相鄰浮柵串擾和SILC效應，有效抑制了浮柵結構的電荷泄漏。由于過渡金屬氧化物（如HfO2、ZrO2等）具有相對較高的介電常數、較好的熱穩(wěn)定性和寬的禁帶，作為俘獲層具有較好的俘獲電荷效率，并且該類存儲器具有較大的存儲窗口，因而引起了人們的廣泛研究。在對CTM研究中，研究者主要針對存儲器性能進行改善和通過第一性原理計算從微觀闡明與存儲器性能相關的特性。然而，關于HfO2中與氧缺陷相關的CTM俘獲層電荷俘獲、保持和擦寫速度等特

3、性的微觀內在機理研究較少。本文主要運用第一性原理計算，對HfO2俘獲層中的氧缺陷特性以及工藝制造過程中引入的雜質Al對氧缺陷特性的影響進行了深入的研究。主要內容包括：
　?、抨U述了各類改進型和新型非易失性存儲器概念，指出了各自的優(yōu)缺點，說明了CTM研究背景及意義，介紹了CTM存儲器原理以及第一性原理基本概念。通常采用存儲窗口的大小、擦寫速度的快慢，以及耐受性和保持特性來表征存儲器的基本性能，而這些特性是由材料的內在機理所決定的。第

4、一性原理計算可以研究晶體的結構、性質、電子布局、能帶、態(tài)密度、光學特性（如:介電函數，反射，折射率），以及摻雜對晶體的影響等，通過這些計算的結果可以反映存儲器擦寫速度、保持特性等性能。系統(tǒng)的了解材料的特性，有助于工藝制造過程中對各種元素化學配比的控制。
　?、蒲芯苛烁遦材料HfO2中氧空位缺陷本身及其所引起的晶格結構變化造成的對俘獲層性能的影響。通過注入電荷進入帶缺陷的超胞體系來仿真存儲器件的P/E操作，得出氧空位缺陷間距影響電荷

5、俘獲的程度很小，基本上可以忽略，而氧空位缺陷數影響則較大，且高配位價氧空位缺陷俘獲電子能力大。態(tài)密度分析結果也顯示高配位價氧空位缺陷引入深缺陷能級的量子態(tài)數大，且受缺陷間距離的影響小，俘獲電子的幾率大。高配位價的氧空位缺陷能夠產生更多的態(tài)密度（Density of states，DOS）和更小的能級偏移，說明引入深缺陷能級量子態(tài)數更多，且數據保持特性更好;氧空位缺陷引起的晶格結構變化使電荷局域能也明顯增大，說明對電荷俘獲的能力增強。由此

6、通過改進工藝，增大高配位價的氧空位缺陷濃度，則能夠更好地改善CTM存儲器的電荷存儲特性。
　　⑶研究了HfO2中間隙氧缺陷對俘獲層特性產生的影響，針對不同位置的間隙氧缺陷形成難易程度進行了研究，并與氧空位缺陷做了對比。發(fā)現(xiàn)氧化學勢增大時，間隙氧缺陷形成更容易;最容易形成間隙氧缺陷的位置上缺陷能夠產生靠近導帶底的施主能級和靠近價帶頂的受主能級，因而對電子和空穴間都能夠俘獲，但俘獲電子的幾率比俘獲空穴的幾率要小，而且被俘獲的載流子主要

7、聚集在間隙氧原子附近;當間隙氧缺陷之間的間距增大時，缺陷間相互作用由吸引逐漸變?yōu)榕懦饫^而減弱，造成受主能級數量與深度都發(fā)生明顯變化，量子態(tài)數顯著增加，從而有利于增大空穴隧穿氧化層電流。
　?、瓤紤]到HfO2和Al2O3多層堆疊柵俘獲層中Al會導致相對Si發(fā)生導帶偏移，以及Al可以提高陷阱濃度等原因，制備過程中可以通過調整Al和Hf的濃度比例來調整帶隙，以改善HfO2俘獲層特性，故對Al替位Hf的HfO2超胞中含4價氧空位缺陷的特性