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半導體分析儀測試了存儲器件的電學性能.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、手機和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性能測試使用Keithley4200半導體參數(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).
