利用原子層沉積方法制備了高介電常數(shù)材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜基電荷俘獲型存儲器件，并對器件的電荷存儲性能做了系統(tǒng)研究.利用高分辨透射電子顯微(HRTEM)技術(shù)表征了(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜的形貌、尺寸及器件結(jié)構(gòu).采用4200半導(dǎo)體分析儀測試了存儲器件的電學(xué)性能.研究發(fā)現(xiàn)，存儲器件在柵極電壓為±8V時的存儲窗口達(dá)到3.5V;25℃，85℃和150℃測試溫度下，通過外推法得到，經(jīng)過10年的數(shù)據(jù)保持時間，存儲器件的存儲窗口減小量分別為17%，32% 和48%;(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜基電荷俘獲型存儲器件經(jīng)過105 次寫入/擦除操作后的電荷損失量僅為4.5%.實驗結(jié)果表明，利用高介電常數(shù)材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜作為存儲層能夠提高器件的電荷俘獲性能，具有良好的應(yīng)用前景.

　　對于傳統(tǒng)的浮柵型非易失性存儲器，由于其隧穿層的厚度已經(jīng)接近其物理極限，以致隧穿層中的一個缺陷就能導(dǎo)致多晶硅浮柵中存儲的電荷全部損失，因此，探索新型存儲結(jié)構(gòu)成為研究的熱點.主要集中在尋找低功耗和高密度的固態(tài)存儲器，例如可用于相機(jī)、手機(jī)和MP3播放器上的存儲設(shè)備.非易失性存儲器家族中，硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅(SONOS)型存儲器作為最具發(fā)展前景代替?zhèn)鹘y(tǒng)浮柵型存儲器得到廣泛地研究.這主要是由于它的一些優(yōu)異性能，例如小尺寸、分立能級和與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝良好的兼容性能.但是，Si3N4作為存儲層同樣面臨數(shù)據(jù)保持能力差和尺寸減小問題.這就需要在傳統(tǒng)SONOS型基礎(chǔ)上，開發(fā)新型電荷存儲器件.一些研究學(xué)者提出利用納米晶代替Si3N4作為存儲介質(zhì)，提高器件的電荷存儲性能.但是，納米晶基電荷存儲器件面臨納米晶密度及尺寸難以控制等缺點.基于以上考慮，本文采用高介電常數(shù)材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si3N4作為存儲層，制備高介電常數(shù)材料基電荷俘獲型存儲器件，并系統(tǒng)研究了存儲器件的電荷存儲性能.

1、實驗

　　1.1、存儲器件的制備

　　存儲器件的襯底材料采用電阻率為3～20Ω·cm 的p-Si.首先，通過傳統(tǒng)半導(dǎo)體襯底清洗工藝去除Si襯底表面的氧化物;而后，利用熱生長工藝在Si襯底表面生長一層4nm的SiO2薄膜作隧穿層;在此基礎(chǔ)上，利用原子層沉積系統(tǒng)，采用Hf-Cl4、Al(CH3)3和O3作為沉積薄膜的源，生長6nm厚的高介電常數(shù)材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2(簡稱HAO)薄膜作為存儲層，其中，Hf與Al的含量通過調(diào)節(jié)薄膜生長過程中的沉積循環(huán)次數(shù);隨后，利用原子層沉積系統(tǒng)制備7nm厚的Al2O3

　　薄膜作為阻擋層;最后，利用磁控濺射沉積一層Pt作為電極材料.為了模擬半導(dǎo)體工藝條件，將制備的Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件在900 ℃，N2氣氛中快速退火1min.

　　1.2、樣品的性能及表征

　　實驗過程中采用FEI公司制造的場離子發(fā)射透射電子顯微鏡(TecnaiG2F20STEM)進(jìn)行HAO 薄膜的形貌及存儲器件的微結(jié)構(gòu).Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的電學(xué)性能測試使用Keithley4200半導(dǎo)體參數(shù)分析儀(4200-SCS).

2、結(jié)果與討論

　　2.1、存儲器件的結(jié)構(gòu)分析

　　圖1為Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的高分辨透射電子顯(HRTEM)截面圖像，從圖中觀察可知，隧穿層、存儲層和阻擋層的厚度分別為4nm、6nm和7nm，與預(yù)先設(shè)計值一致，且薄膜之間界面清晰.圖1中的插圖為存儲層HAO薄膜的選區(qū)電子衍射圖像，從圖中的衍射彌散環(huán)可知，經(jīng)過900℃高溫退火處理，存儲層HAO薄膜仍然保持非晶態(tài).

圖1　Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的HRTEM 截面圖，其中插入為HAO薄膜的選區(qū)電子衍射圖像

　　2.2、器件的存儲特性分析

　　HAO薄膜基電荷俘獲型存儲單元的電容-電壓曲線如圖2所示.從圖中可以看出，當(dāng)掃描電壓從正掃到負(fù)再掃到正的過程中，器件表現(xiàn)出了明顯的逆時針滯回存儲窗口.當(dāng)掃描電壓為±8V時，存儲窗口達(dá)到3.5V.可以根據(jù)下式估算存儲電荷的密度：

　　其中COX為器件的積累態(tài)電容;VFB為器件的平帶電壓;q 為原電荷;A 為有效電極面積.因此可以計算出電荷存儲密度約為1×1013/cm².

圖2　Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件高頻(1MHz)電壓-電容曲線

　　研究了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件處于不同測試溫度(25℃，85℃和150℃)下的數(shù)據(jù)保持能力，如圖3所示.起初對存儲器件施加+8V，1ms和-8V，1ms的寫入/擦除操作.從圖中可得知，經(jīng)過10h的保持時間，器件在25℃，85℃和150℃下的存儲窗口減小量分別為5%，12%和21%.借助外推法得到，經(jīng)過10年的保持時間，存儲窗口減小量分別為17%，32% 和48%.相比之前報道的納米晶基電荷存儲器具有更加優(yōu)良的數(shù)據(jù)保持性能。

圖3　Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的數(shù)據(jù)保持能力

　　由于抗疲勞性能是衡量存儲器件的重要參數(shù)，因此研究了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的抗疲勞性能，其中寫入和擦除的條件分別為+8V，1ms和-8V，1ms，如圖4所示.從圖可以看出，經(jīng)過105次寫入/擦除操作后，器件的窗口由起初的3.3V減小為3.15V，變化量僅為4.5%.實驗結(jié)果表明，利用高介電常數(shù)材料HAO薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si3N4作為存儲層，能夠提高存儲器件的電荷俘獲性能.因此，可以合理的推斷，Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件具有良好的應(yīng)用前景，可以成為半導(dǎo)體工藝發(fā)展中一種極具潛力的候選存儲結(jié)構(gòu).

圖4　Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的抗疲勞性能

結(jié)論

　　利用高介電常數(shù)材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Si3N4作為存儲層，制備了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷俘獲型存儲器件，并系統(tǒng)地研究了器件的電荷存儲性能.25℃，85℃和150℃測試溫度下，通過外推法得到，經(jīng)過10年的數(shù)據(jù)保持時間，存儲器件的存儲窗口減小量分別為17%，32% 和48%;經(jīng)過105 次寫入/擦除操作后的電荷損失量僅為4.5%.研究結(jié)果表明，利用(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜作為存儲層能夠提高器件的數(shù)據(jù)保持能力和抗疲勞性能，具有良好的應(yīng)用前景.