小尺寸低压高速长保持力电荷陷阱型悬浮栅存储器的研究

研究高速低电压长保持力小尺寸MONOS型闪存的核心技术- - 新型超薄IrO2-HfAlO-AlN-HfON/SiO2-Si多层堆栈高k栅介质的制备方法和技术。从隧道势垒工程和电荷陷阱工程入手，重点研究超薄HfON/SiO2高k/低k双隧道层、高陷阱能力和效率AlN电荷存储层以及高k HfAlO阻挡层的制备技术以及淀积后快速热退火技术；将对HfON隧道层的N含量、HfAlO层的Al含量、AlN层中陷阱分布和性质以及各层的厚度进行最佳化研究，实现最佳隧道势垒和阻挡势垒以及最佳电荷陷阱，在大大降低工作电压的同时，获得快的编程/擦除速度，大的存储窗口以及优良的10年数据保持力。将研究反应磁控共溅射法原位制备上述栅介质的最佳工艺和条件以及介质的最佳物理和化学结构,研制出相应的MONOS 型存储器原型样品。由于合适的高k介质堆栈结构，有望使新型悬浮栅EEPROM存储器的尺寸等比缩小到20-30 nm。

以实现低压高速长保持力小尺寸电荷陷阱型MONOS存储器为研究目标，使用高k材料替代二氧化硅和氮化硅，对存储器阻挡层、存储层和隧穿层从材料、结构及制备工艺等方面进行优化，改善和提高存储器性能。.实验方面，对多种高k介质材料分别作为隧穿层、存储层和阻挡层进行研究比较，设计制备新型高k/低k双隧穿层，高k双存储层，对制备工艺进行优化，获得存储窗口、编程/擦除(P/E)速度、保持力和疲劳特性之间较好折衷：①分别采用LaHfON，LaYO与HfYON作为存储层。通过N和/或Y的引入增加存储层电荷陷阱密度，提高电荷俘获效率，利于淀积后退火过程中抑制存储层与隧穿层界面附近过渡层形成，获得好的疲劳和保持特性；② 采用GdON作为存储层。N引入GdO导致大量电子陷阱产生，增加了存储窗口，且通过NH3退火处理，能够有效抑制存储层/隧穿层界面附近浅能级陷阱产生，调整存储层中陷阱分布，获得存储窗口、P/E速度以及疲劳和保持特性之间较好折衷；③采用NO进行氧化氮化形成SiOxNy隧穿层，由于氮的结合降低了空穴势垒高度，且在SiOxNy/Si界面附近形成强Si-N键，比SiO2隧穿层能获得更大存储窗口，更快P/E速度以及更好疲劳和保持特性；④ 通过Y/Al含量最佳化(0.33/0.67)，可得到高质量YxAlyO介质膜用作阻挡层；⑤ 设计并制备TiON/HfON双存储层，利用淀积后退火过程中Ti、Hf互扩散，形成Ti、Hf含量渐变的Hf1-xTixON混合层，从而形成从隧穿层到阻挡层带隙逐渐增加的锥形能带结构。Hf1-xTixON混合层具有高电荷陷阱密度，锥形能带结构的多能级陷阱分布有利于提高陷阱俘获电荷能力和电荷注入效率，从而获得大存储窗口和高P/E速度；⑥ 采用HfON、TaON与SiO2结合形成双隧穿层，提高电荷注入效率和速度，且后者比前者由于更小的导带差(相对于硅)和更大的k值而呈现出更好存储特性； .理论方面：① 采用MEDICI模拟器从理论上证实对于沟道热电子注入机制，采用Si3N4/SiO2堆栈隧穿层能获得比单隧穿层更快的编程速度；② 采用Silvaco TCAD对MONOS存储器各功能层厚度对存储特性的影响进行仿真分析，确定实现存储特性优化折衷所需各功能层合适厚度；③ 建立了MONOS存储器编程状态下电子保持特性模型。模拟结果与实验数据相符，验证了模型的正确性和准确性。