高介电常数HfAlO氧化物薄膜基电荷俘获型存储器件性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)安阳师范学院物理与电气工程学院 作者:汤振杰

  利用原子层沉积方法制备了高介电常数材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜基电荷俘获型存储器件,并对器件的电荷存储性能做了系统研究.利用高分辨透射电子显微(HRTEM)技术表征了(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜的形貌、尺寸及器件结构.采用4200半导体分析仪测试了存储器件的电学性能.研究发现,存储器件在栅极电压为±8V时的存储窗口达到3.5V;25℃,85℃和150℃测试温度下,通过外推法得到,经过10年的数据保持时间,存储器件的存储窗口减小量分别为17%,32% 和48%;(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜基电荷俘获型存储器件经过105 次写入/擦除操作后的电荷损失量仅为4.5%.实验结果表明,利用高介电常数材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜作为存储层能够提高器件的电荷俘获性能,具有良好的应用前景.

  对于传统的浮栅型非易失性存储器,由于其隧穿层的厚度已经接近其物理极限,以致隧穿层中的一个缺陷就能导致多晶硅浮栅中存储的电荷全部损失,因此,探索新型存储结构成为研究的热点.主要集中在寻找低功耗和高密度的固态存储器,例如可用于相机、手机和MP3播放器上的存储设备.非易失性存储器家族中,硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅(SONOS)型存储器作为最具发展前景代替传统浮栅型存储器得到广泛地研究.这主要是由于它的一些优异性能,例如小尺寸、分立能级和与传统半导体工艺良好的兼容性能.但是,Si3N4作为存储层同样面临数据保持能力差和尺寸减小问题.这就需要在传统SONOS型基础上,开发新型电荷存储器件.一些研究学者提出利用纳米晶代替Si3N4作为存储介质,提高器件的电荷存储性能.但是,纳米晶基电荷存储器件面临纳米晶密度及尺寸难以控制等缺点.基于以上考虑,本文采用高介电常数材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜代替传统的Si3N4作为存储层,制备高介电常数材料基电荷俘获型存储器件,并系统研究了存储器件的电荷存储性能.

1、实验

  1.1、存储器件的制备

  存储器件的衬底材料采用电阻率为3~20Ω·cm 的p-Si.首先,通过传统半导体衬底清洗工艺去除Si衬底表面的氧化物;而后,利用热生长工艺在Si衬底表面生长一层4nm的SiO2薄膜作隧穿层;在此基础上,利用原子层沉积系统,采用Hf-Cl4、Al(CH3)3和O3作为沉积薄膜的源,生长6nm厚的高介电常数材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2(简称HAO)薄膜作为存储层,其中,Hf与Al的含量通过调节薄膜生长过程中的沉积循环次数;随后,利用原子层沉积系统制备7nm厚的Al2O3

  薄膜作为阻挡层;最后,利用磁控溅射沉积一层Pt作为电极材料.为了模拟半导体工艺条件,将制备的Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件在900 ℃,N2气氛中快速退火1min.

  1.2、样品的性能及表征

  实验过程中采用FEI公司制造的场离子发射透射电子显微镜(TecnaiG2F20STEM)进行HAO 薄膜的形貌及存储器件的微结构.Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件的电学性能测试使用Keithley4200半导体参数分析仪(4200-SCS).

2、结果与讨论

  2.1、存储器件的结构分析

  图1为Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件的高分辨透射电子显(HRTEM)截面图像,从图中观察可知,隧穿层、存储层和阻挡层的厚度分别为4nm、6nm和7nm,与预先设计值一致,且薄膜之间界面清晰.图1中的插图为存储层HAO薄膜的选区电子衍射图像,从图中的衍射弥散环可知,经过900℃高温退火处理,存储层HAO薄膜仍然保持非晶态.

高介电常数HfAlO氧化物薄膜基电荷俘获型存储器件性能研究

图1 Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件的HRTEM 截面图,其中插入为HAO薄膜的选区电子衍射图像

  2.2、器件的存储特性分析

  HAO薄膜基电荷俘获型存储单元的电容-电压曲线如图2所示.从图中可以看出,当扫描电压从正扫到负再扫到正的过程中,器件表现出了明显的逆时针滞回存储窗口.当扫描电压为±8V时,存储窗口达到3.5V.可以根据下式估算存储电荷的密度:

  其中COX为器件的积累态电容;VFB为器件的平带电压;q 为原电荷;A 为有效电极面积.因此可以计算出电荷存储密度约为1×1013/cm2.

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图2 Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件高频(1MHz)电压-电容曲线

  研究了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件处于不同测试温度(25℃,85℃和150℃)下的数据保持能力,如图3所示.起初对存储器件施加+8V,1ms和-8V,1ms的写入/擦除操作.从图中可得知,经过10h的保持时间,器件在25℃,85℃和150℃下的存储窗口减小量分别为5%,12%和21%.借助外推法得到,经过10年的保持时间,存储窗口减小量分别为17%,32% 和48%.相比之前报道的纳米晶基电荷存储器具有更加优良的数据保持性能。

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图3 Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件的数据保持能力

  由于抗疲劳性能是衡量存储器件的重要参数,因此研究了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件的抗疲劳性能,其中写入和擦除的条件分别为+8V,1ms和-8V,1ms,如图4所示.从图可以看出,经过105次写入/擦除操作后,器件的窗口由起初的3.3V减小为3.15V,变化量仅为4.5%.实验结果表明,利用高介电常数材料HAO薄膜代替传统的Si3N4作为存储层,能够提高存储器件的电荷俘获性能.因此,可以合理的推断,Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件具有良好的应用前景,可以成为半导体工艺发展中一种极具潜力的候选存储结构.

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图4 Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷存储器件的抗疲劳性能

结论

  利用高介电常数材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜代替传统的Si3N4作为存储层,制备了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si电荷俘获型存储器件,并系统地研究了器件的电荷存储性能.25℃,85℃和150℃测试温度下,通过外推法得到,经过10年的数据保持时间,存储器件的存储窗口减小量分别为17%,32% 和48%;经过105 次写入/擦除操作后的电荷损失量仅为4.5%.研究结果表明,利用(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜作为存储层能够提高器件的数据保持能力和抗疲劳性能,具有良好的应用前景.

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