掺锗HfAlO_x薄膜的微结构与电荷存储特性

【摘要】以互补型金属-氧化物-半导体场效应管结构为基础的悬浮式栅极非易失性存储器件在二十世纪中叶开始逐渐广泛应用于各类电子器件中。社会信息技术的快速发展对其器件小型化,电荷存储密度更高化的要求越来越高；然而伴随器件尺寸小型化出现的器件漏电流密度增大、存储时效急剧下降、功耗增大等困难制约了其进一步的高集成化。二十世纪九十年代中期,IBM研究人员用孤立单晶硅替代原来连续的Si栅极层作为电荷存储单元研发出了纳米悬浮式栅极非易失性存储器件(NFG-NVM),有效地解决了器件小型化带来的漏电流密度增大的难题,从此NFG-NVM存储器件研究成为当今存储器研究的热点。多年研究表明,半导体纳米颗粒(如Ge、Si、GexSi1-x等)和金属纳米颗粒(如Au、Ag、Pt等)是较优良的存储节点材料,而铪铝氧化物薄膜具有高达900℃的结晶温度,大的能隙,优良的介电性能以及与硅基半导体衬底较好的兼容性,成为替代传统SiO2栅控/隧穿层的理想候选材料之一。本文利用射频磁控溅射方法,以锗纳米微粒为节点存储材料,铪铝氧化物薄膜为栅控/隧穿层材料,在p-Si83Ge17/p-Si(100)衬底上分别制备HfAlOx薄膜和掺锗HfAlOx薄膜电容器结构,利用XPS,HRTEM表征薄膜化学成分和微结构,并研究其界面反应动力学过程；利用Agilent4294A精密阻抗分析仪,CHI600D型电化学分析仪分别表征样品的电容-电压(C-V)和漏电流密度-电压(J-V)特性,研究其电荷存储特性。实验结果表明,在优化制备条件下,相比p-Si(100)衬底上薄膜样品,沉积在p-Si83Ge17基片上的HfAlOx薄膜等效介电常数从～13.7提高至～17.1,-1V栅压下漏电流密度从5.5×10-4A/cm2降为1.96×10-5A/cm2；平带电压从1.11V减小到0.75V,但平带电压差AVFB从～0.06V增大至～0.15V；界面捕获电荷密度从5.54×1011/cm2增加至1.42×1012/cm2。微结构分析表明：Si83Ge17衬底中的Ge元素扩散进入HfAlOx薄膜内,生成富含Ge原子的HfSiOx和HfSix混合界面层,对漏电流密度有较好的抑制作用,但也导致了界面缺陷密度的增加。掺锗后,沉积在p-Si(100)衬底上的HfAlO,薄膜漏电流密度从9.9×10-5A/cm2降至4.6×10-6A/cm2,电容器结构存储窗口宽度可达3.15V,对应存储电荷密度约为9.5×1012/cm2;持续循环电压扫描1.2×105s后,存储窗口与累积态电容几乎维持不变,显示出良好的电荷保存时效性；数据拟合电流-电压曲线结果表明：掺锗HfAlOx薄膜中的漏电流特性符合缺陷诱导的陷阱能级辅助隧穿机制。综上所述,掺锗后HfAlOx薄膜的各项电学性能指数显著提高,电容器结构具有良好的电荷存储特性,可用于制备下一代NFG-NVM存储器件。
【作者】张守英；
【导师】邱晓燕；
【作者基本信息】西南大学，凝聚态物理学，2014，硕士
【关键词】掺锗HfAlO_x薄膜；微结构；介电性能；电荷存储特性；

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