以化學氣相沈積之高介電氧化物薄膜於非揮發性記憶體應用之研究

The Study of High-κ Dielectrics Deposited by Chemical Vapor Deposition for Nonvolatile Memory Applications

羅雲山(Yun-Shan Lo)

指導教授 ： 吳泰伯

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/博士(2010年)

摘要

本實驗利用化學氣相蒸鍍法(MOCVD)，成功的在p型矽基板上鍍製出厚度8 nm、介電常數15.5、有效固定電荷約3.9 × 1011 / cm2的HfO2薄膜。在300℃的鍍膜溫度下，初鍍的薄膜呈非晶質，當退火溫度超過600℃後則是呈現明顯的單斜晶相結晶。
接著我們將鍍製的HfO2薄膜應用到Au/Al2O3/HfO2/SiO2/silicon (MAHOS)記憶體元件的電荷儲存層，並且探討HfO2薄膜在經過不同退火溫度及退火氣氛後的電荷捕捉特性。由C-V的量測結果顯示，真空退火的HfO2薄膜在電子的儲存行為上會受到抑制；氧氣氛退火的HfO2薄膜則是在電洞的儲存上變得較為困難。造成這種差異的原因，是因為真空退火使薄膜產生較多未鍵結的Hf原子並形成深層陷阱，由於Hf元素的特性較容易接受電洞而不易接受電子，使得C-V曲線在正偏壓方向(電子射入)的遲滯窗隨退火溫度的升高而逐漸縮小。相反的，氧氣氛退火的HfO2薄膜，由於膜內未鍵結的Hf原子大量的減少，因此在C-V曲線的表現上轉變為負偏壓方向(電洞射入)的遲滯窗隨著退火溫度的升高而較難張開。
接下來我們將HfO2薄膜應用到穿遂層的能帶工程，鍍製出具有內凹型能帶結構的Al2O3/HfO2/SiO2堆疊式穿遂層。在適當的外加偏壓下，此結構可輕易的將有效能障大幅的拉低，使元件擁有極佳的電荷穿遂效率。而在電荷保存特性方面，藉由較厚的物理厚度及使用高能障且非晶質的Al2O3及SiO2來分別臨接Au奈米晶粒及矽基板，有效的降低了直接穿遂與晶界漏電的問題，使得長時間的電荷保存能力亦符合非揮發性記憶體的需求。
最後，我們設計三種不同厚度排列的Al2O3/HfO2/Al2O3穿遂層結構，觀察奈米晶電場加強效應對電荷穿遂特性的影響。經由電性量測與電場分佈模擬的結果可以得知，若適當安排疊層式穿遂層結構中高能障材料的厚度分佈，可有效的發揮Au奈米晶粒的電場加強效應，在不犧牲電荷保存特性的前提下，進一步降低電子和電洞在穿遂過程中所面對的有效能障，提升電荷的穿遂效率。

關鍵字

化學氣相沈積法 ； 二氧化鉿 ； 快閃記憶體 ； 奈米晶記憶體 ； 能帶工程 ； 電場加強效應

參考文獻

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