1、目前，金屬-氧化物-氮化物-氧化物-硅（Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Si，MONOS）型存儲(chǔ)器面臨的挑戰(zhàn)是如何在低的工作電壓下，提高器件存儲(chǔ)性能（如存儲(chǔ)窗口、編程/擦除速度等）和可靠性（如疲勞特性和數(shù)據(jù)保持力等）。采用合適的高k介質(zhì)對(duì)柵堆棧結(jié)構(gòu)中的隧穿層、電荷存儲(chǔ)層和阻擋層進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)結(jié)構(gòu)和制備工藝進(jìn)行優(yōu)化，是提高小尺寸存儲(chǔ)單元性能的主要途徑。本文圍繞上述內(nèi)容開展研究工作。實(shí)驗(yàn)方面，分別研究了隧穿層采用不同材料

2、、工藝和結(jié)構(gòu)以及電荷存儲(chǔ)層采用不同高k材料對(duì)器件存儲(chǔ)性能的影響，并對(duì)制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化，以獲得存儲(chǔ)窗口、編程/擦除速度、數(shù)據(jù)保持力和疲勞特性之間的較好折衷；理論方面，建立了MONOS存儲(chǔ)器編程模型，該模型可以精確模擬器件在不同編程電壓下閾值電壓隨時(shí)間的變化。
　　在隧穿層材料、結(jié)構(gòu)和制備工藝方面，開展了以下研究工作：①在不同氣氛（O2、N2O和NO）中制備隧穿層，通過(guò)與氧化物隧穿層比較，研究了不同氣氛中制備的氮氧化物隧穿層對(duì)器件存

3、儲(chǔ)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用NO直接熱生長(zhǎng)氮氧化物作為隧穿層的MONOS存儲(chǔ)器具有較大的存儲(chǔ)窗口，更快的編程/擦除速度。這是因?yàn)?NO的氮化能力更強(qiáng)，導(dǎo)致生長(zhǎng)的氮氧化物具有更高的N含量，使得氮氧化物與Si襯底之間的電子勢(shì)壘高度降低，從而電子注入效率提高。而且，該器件還具有好的疲勞特性和應(yīng)力后數(shù)據(jù)保持力。這歸因于在氮氧化硅與Si的界面附近形成了較多強(qiáng)的Si-N鍵。②從隧穿層能帶工程出發(fā)，提出并制備了SiO2/TaON低k/高k雙隧穿層

4、，并與SiO2/HfON雙隧穿層進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用SiO2/TaON雙隧穿層替代傳統(tǒng)的SiO2隧穿層能獲得更好的存儲(chǔ)性能，即大的存儲(chǔ)窗口、快的編程/擦除速度以及好的疲勞特性。其機(jī)理在于TaON具有較大的介電常數(shù)、與Si襯底較小的導(dǎo)帶差以及與SiO2好的界面特性。而且，與SiO2單隧穿層MONOS存儲(chǔ)器相比，采用雙隧穿層結(jié)構(gòu)可以有效改善電荷保持力。
　　在電荷存儲(chǔ)層材料及制備工藝方面，開展了以下研究工作：①分別采用 Zr

5、O2和ZrON高k介質(zhì)作為電荷存儲(chǔ)層，研究了摻入N元素對(duì)器件存儲(chǔ)特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻入N元素的ZrON電荷存儲(chǔ)層MONOS電容存儲(chǔ)器呈現(xiàn)出更好的存儲(chǔ)性能。這是因?yàn)榻Y(jié)合N元素的ZrON可有效抑制Zr硅化物的形成，改善ZrON/SiO2的界面質(zhì)量，并進(jìn)而提高介質(zhì)薄膜的介電常數(shù)。而且，N元素的引入還增加了存儲(chǔ)層的陷阱密度，有利于存儲(chǔ)窗口的增加。②采用HfTiON高k介質(zhì)作為電荷存儲(chǔ)層，研究了Ti含量對(duì)器件存儲(chǔ)特性的影響。恒定電流應(yīng)力測(cè)

6、試表明，隨HfTiON介質(zhì)中Ti含量的增加，載流子注入效率和電荷俘獲效率增強(qiáng)，從而增加了器件的存儲(chǔ)窗口，提高了編程/擦除速度。然而，微觀分析表明，過(guò)量的Ti會(huì)在HfTiON/SiO2界面處生成Ti硅化物，不利于器件保持特性的改善。因此，需綜合考慮器件的編程/擦除性能和數(shù)據(jù)保持力，優(yōu)化設(shè)計(jì)HfTiON介質(zhì)薄膜中的Ti含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用Hf/Ti成份比為~1:1的HfTiON作為電荷存儲(chǔ)層，能獲得存儲(chǔ)性能之間較好的折衷，即大的存儲(chǔ)窗口