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闪速存储器(Flash Memory)是目前占据统治地位的非易失性半导体存储器(NVSM)。它具有低功耗,小体积,高密度,可重复擦写等优异的特性。浮栅器件作为闪存中的主流技术被广泛使用,但是当器件尺寸减小到65nm以下时,传统多晶硅浮栅器件将遇到很大的挑战,其中最突出的就是器件擦写速度和可靠性的矛盾,这主要与存储器件隧穿介质层的厚度有关:一方面要求隧穿介质层比较薄,以实现快速有效的P/E操作;另一方面又要求较厚的隧穿介质层,以实现足够的保持时间。为了克服这个问题,引入高介电常数材料对隧穿氧化层进行优化,通过多介质复合隧穿介质层的方法来解决:主要有VARIOT和CRESTED两种堆叠隧穿结构。 本文首先介绍了浮栅存储器的广泛应用和它具有的优势,接着介绍了浮栅存储器件的结构和特性,工作原理,及其目前所面临的挑战。 本文结合纳米晶和VARIOT堆叠结构,制作了VARIOT堆叠隧穿层的Au纳米晶MOS存储结构:Si/SiO2/HfO2/Au纳米晶/Al2O3/Al,主要是通过电子束蒸发加快速热退火成晶的方法,在VARIOT(高k/SiO2)堆叠隧穿层上制备了Au金属纳米晶材料。针对该存储结构的电荷存储能力和电荷保持特性进行测试,并对测试结果进行分析。VARIOT堆叠隧穿层中引入高k材料HfO2,其介电常数是SiO2材料的五倍,保证了相同等效氧化层厚度(EOT)的HfO2介质可以提供数倍于SiO2材料的物理厚度,有利于提供更好的数据保持特性。实验数据表明隧穿氧化层在相同等效厚度情况下,VARIOT堆叠隧穿介质具有比单层SiO2隧穿介质更高的物理厚度,有效降低了漏电流,进一步提高器件的保持特性。 我们还通过理论和MEDICI软件仿真两种方法分析了CRESTED(高k/SiO2/高k)堆叠隧穿结构对浮栅存储器件编程速度的影响。分析表明要折中考虑CRESTED中高k材料的介电常数和势垒高度,才能设计出合理的CRESTED结构从而提高存储器件的编程速度。并通过MEDICI模拟得出,在相同等效厚度情况下,Si3N4/SiO2/Si3N4和Y2O3/SiO2/Y2O3两种CRESTED堆叠隧穿层浮栅存储器件的FN隧穿速度是传统浮栅存储器的100倍左右。