氮化二氧化鈦作為電荷捕捉層在非揮發性記憶體中之研討

  • 柯 伯賢

學生論文: Master's Thesis

摘要

傳統非揮發性記憶體是以複晶矽(poly-silicon)浮閘極為電荷儲存單元的快閃式記憶體為主,在元件尺寸微縮時,快閃式記憶體將產生電荷遺漏的現象。為克服此問題,近來提出之MONOS(Metal-oxide-nitride-oxide-silicon)薄膜非揮發性記憶體,即以氮化高介電常數薄膜作為電荷捕捉層,由於其較穩固的電荷儲存能力,可縮減穿隧氧化層膜厚,以利降低元件操作電壓,提升元件操作速率,並同時兼顧可靠性。 本實驗以磁控濺鍍之方式成?製備電荷捕捉層,TiO2及TiON,用以探討非揮發性電荷捕捉式記憶體之載子捕獲效應與其應用特性。首先於矽基材以乾式熱氧化法成長SiO2穿隧層,接續以濺鍍製備TiO2或經氮化之TiON電荷捕捉層,旋即接續濺鍍上SiO2阻絕層,之後於全氧環境下900℃熱處理一分鐘,最後沉積上鋁金屬閘極電極以完成MONOS元件製程。研究中使用精密阻抗分析儀量測元件電容-電壓與耗散係數(Dissipation factor)-電壓特性曲線;半導體參數分析儀量測元件電流-電壓特性曲線,並以脈衝產生器施予元件暫態操作偏壓以獲取元件電性行為。在材料分析方面,以高解析穿透式電子顯微鏡(HRTEM)觀測疊層元件之橫截面,以瞭解其實際膜厚、氧化層晶相形貌與界面微結構,並搭配X光電子能譜儀(XPS)了解介電薄膜及中介層之組成。 透過HRTEM橫截面圖,得取疊層介電薄膜[SiO2/TiO2(or TiON)/SiO2]厚度分別為3nm/3nm/15nm。各介電層薄膜均為非晶質材料,可免於晶界生成而為漏電途徑。經由Ti2p與O1s XPS能譜分析TiO2電荷捕捉層/ SiO2穿隧層界面,可知有一中介層生成,為Ti、Si和O反應生成之鈦矽酸鹽(Ti-Silicate)。再者,經由Ti2p、O1s與N1s XPS能譜可說明若於濺鍍過程中加入氮氣,確實有效摻入氮原子形成TiON電荷捕捉層。並可見以TiON作為電荷捕捉層時,由於氮化處理可鈍化界面,避免與鄰近SiO2疊層材料產生互擴散反應,而生成鈦矽酸鹽類中介層,並模糊接面清晰度。 在電性表現方面,相較於TiO2,以TiON作為電荷捕捉層時,由其優異的C-V(Capacitance-Voltage)曲線遲滯窗口寬度、暫態電壓寫入/抹除效率與記憶時效能力,顯示氮原子置入TiO2中,可誘發更多且深層載子捕獲能態,因此優化電荷捕捉層載子捕捉能力。再者,由變頻與變溫C-V曲線遲滯窗口大小之變化,指出氮化處理有效置入深層載子捕獲能態。而從變頻與變溫D-V(Dissipation factor-Voltage)曲線峰值變化,可說明氮化有助降低電荷捕捉層與穿隧層界面缺陷能態形成以減少耗散係數,並穩定電荷捕捉層於高溫下記憶特性,有助於實際應用之發展。此外,由變溫下I-V量測,TiON電荷捕捉層漏電程度隨溫度變化並不顯著,證實其擁較佳之薄膜特性並免於與SiO2穿隧層產生鈦矽酸鹽類中介層之生成。 本實驗說明以TiON作為非揮發性記憶體的電荷捕捉層,確實可製備出高效能、擁長時效之電荷捕捉式記憶體,並說明於不同溫度下的載子捕捉特性,以評估此記憶體於積體電路產業中應用之可行性。
獎項日期2014 八月 6
原文Chinese
監督員Jen-Sue Chen (Supervisor)

引用此

氮化二氧化鈦作為電荷捕捉層在非揮發性記憶體中之研討
伯賢, 柯. (Author). 2014 八月 6

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