就SONOS結構來說，其與浮動閘極結構元件最大的不同在於浮動閘極結構元件的穿遂氧化層厚度大約是80 □左右，而SONOS元件的穿遂氧化層厚度則大約是30□，就這樣的厚度而言，對於元件在可靠度方面的品質來說就會是一個問題，亦即，要如何在不改變穿遂氧化層厚度的前提之下，仍然能夠讓元件具有十年以上的電荷留存能力?並且在不犧牲資料留存能力的要求下在電性方面能有所提升，這些都是目前急需克服的問題。
在本論文中的研究主要分為三大方向:
(1)主要是以高介電係數材料作為元件的阻擋氧化層，而元件的底材是以N型底材為主，利用高介電係數材料的主要原因為其具有較佳的耦合率，可以有效的將阻擋氧化層上的電場耦合至穿遂氧化層，經由這樣的結構探討元件在電性及可靠度方面的改變。
(2)雖然利用高介電係數材料作為元件的阻擋氧化層，但是隨著介電係數的提升會降低材料本身的能隙，而能隙的降低對於可靠度方面會有不良的影響，因此藉由對阻擋氧化層作電漿沈浸離子佈植(Plasma immersion ion implantation,PIII)之氮化處理探討元件在電性以及可靠度方面的影響。
(3)利用功函數不同的金屬材料作為元件的閘極，因為功函數的不同會造成元件能帶彎曲程度的不同，進而影響到元件的寫入以及抹除速度，對於元件的資料留存能力也會有所影響。因此，就不同功函數的金屬閘極對元件在電性及可靠度方面的影響則是這個部分的重點。

目錄
摘要 i
誌謝 ii
目錄 iii
表目錄 v
圖目錄 vi
第一章 序論 1
1.1 前言 1
1.2 快閃記憶體面臨問題 1
1.3 電荷陷阱式快閃記憶體的結構及其優點 2
1.4 電荷陷阱式快閃記憶體面臨的問題 3
1.5 論文回顧 3
1.6 各章摘要 4
第二章 快閃記憶體元件操作方法 11
2.1 寫入與擦拭方法 11
2.1.1 通道熱電子注入寫入 11
2.1.2 F-N穿隧寫入 11
2.1.3 F-N穿隧抹除 12
2.2 耐久力(Endurance) 12
2.3 干擾(Disturbance) 13
2.4 電荷保持力(Retention) 14
第三章 實驗規劃與元件製程 22
3.1 實驗規劃 22
3.2 電容元件製程 23
3.2.1 晶片刻號 23
3.2.2 晶背歐姆接觸(Ohmic Contact) 23
3.2.3 熱成長穿隧氧化層 23
3.2.4 沈積電荷儲存層及阻擋氧化層 23
3.2.5 後段製程 24
第四章 高介電常數之阻擋層對電荷陷阱式快閃記憶體元件特性的影響 27
4.1 研究背景與目的 27
4.2 實驗規劃及製程 28
4.3 結果與討論 28
4.4 結論 31
第五章 阻擋氧化層經由電漿沈浸離子佈植方式氮化處理後對電荷陷阱式快閃記憶體元件特性的影響 44
5.1研究背景與目的 44
5.1.1HfxAlyO(x/y=2/1)作為元件之阻擋氧化層的缺點 44
5.1.2電漿沉浸離子佈植技術原理及優點 44
5.2 實驗規畫與製程 45
5.3 結果與討論 46
5.4 結論 48
第六章 不同功函數金屬閘極與氧化鉿鋁阻擋層之整合對電 荷陷阱式快閃記憶體元件特性的影響 64
6.1 研究背景與目的 64
6.2 實驗規劃及製程 64
6.3 結果與討論 65
6.3.1 不同功函數之金屬閘極 65
6.4 結論 67
第七章 結論與建議 81
7.1結論 81
7.1.1 以高介電係數材料作為阻擋氧化層 81
7.1.2 對高介電係數材料之阻擋氧化層作氮化處理 81
7.1.3 不同功函數之金屬閘極對元件之影響 82
7.2建議 82
參考文獻 83

表目錄
表2-1 四種FN穿隧機制相對應的電場大小[4] 23
表4-1 不同阻擋層材料的實驗條件 47
表5-1 調變電漿沈浸離子佈植時間的實驗條件 69
表6-1不同功函數金屬閘極的實驗條件 93

圖目錄
圖 1-1 浮動閘極結構快閃記憶體示意圖 6
圖 1-2 電荷陷阱式快閃記憶體示意圖 6
圖 1-3 浮動閘極結構快閃記憶體電荷儲存能帶圖 7
圖 1-4 電荷陷阱式快閃記憶體體電荷儲存時能帶圖 7
圖 1-5 電荷陷阱式快閃記憶體在寫入時的能帶圖 8
圖 1-6 電荷陷阱式快閃記憶體在抹除時的能帶圖[11] 8
圖 1-7(a)堆疊式穿隧氧化層結構示意圖[1] 9
圖 1-7(b)堆疊式穿隧氧化層能帶示意圖[1] 9
圖 1-8高功函數金屬閘極結構示意圖 10
圖 1-9 High-k阻擋層之元件寫入能帶示意圖[3] 10
圖 2-1 通道熱電子注入示意圖 15
圖 2-2 通道熱電子注入能帶圖 16
圖 2-3 通道FN穿隧寫入能帶圖 16
圖 2-4 SONOS 四種FN穿隧寫入示意圖[4] 17
圖 2-5 抹除能帶示意圖 18
圖 2-6 源極帶對帶穿隧電子電洞流向示意圖 18
圖 2-7 快閃記憶體耐力特性示意圖 19
圖 2-8 (a)源極 (b)源極-閘極 (c)通道擦拭示意圖 20
圖2-9 陣列中的(a)汲極干擾與(b)閘極干擾示意圖 21
圖3-1 (a)(b)(c)(d)元件製程流程圖 26
圖4-1 電容元件結構示意圖 32
圖4-2 ONO-10不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 33
圖4-3 ONO-08不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 34
圖4-4 ONO-14不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 35
圖4-5 ONO-08 ONO-10特性曲線圖(a) VG=10V寫入(b) VG=-10V抹除 36
圖4-6 ONO-08 ONO-10特性曲線圖(a) VG=11V寫入(b) VG=-11V抹除 37
圖4-7 ONO-08 ONO-10特性曲線圖(a) VG=12V寫入(b) VG=-12V抹除 38
圖4-8 ONO-08 ONO-10 ONO-14 (a) VG=10V寫入(b) VG=-10V抹除 39
圖4-9 ONO-08 ONO-10 ONO-14 (a) VG=11V寫入(b) VG=-11V抹除 40
圖4-10 ONO-08 ONO-10 ONO-14 (a) VG=12V寫入(b) VG=-12V抹除 41
圖4-11 ONO-08、 ONO-10、 ONO-14資料留存能力 42
圖4-12 寫入操作能帶示意圖[26] 42
圖4-13 資料留存操作能帶示意圖[26] 43
圖 5-1 電漿沈浸離子佈植系統示意圖[33] 49
圖 5-2 電容結構示意圖 50
圖 5-3氮離子的植入深度與各介電層相對位置關係示意圖 50
圖 5-4 ONO-09不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 51
圖 5-5 ONO-12 不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 52
圖 5-6 ONO-13 不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 53
圖 5-7 ONO-09、ONO-12特性曲線圖(a)VG=12V寫入(b)VG=-12V抹除 54
圖 5-8 ONO-09、ONO-12特性曲線圖(a)VG=11V寫入(b)VG=-11V抹除 55
圖 5-9 ONO-09、ONO-12特性曲線圖(a)VG=10V寫入(b)VG=-10V抹除 56
圖 5-10 不同氮化時間特性曲線圖(a)VG=12V寫入(b)VG=-12V抹除 57
圖 5-11 不同氮化時間特性曲線圖(a)VG=11V寫入(b)VG=-11V抹除 58
圖 5-12 不同氮化時間特性曲線圖(a)VG=10V寫入(b)VG=-10V抹除 59
圖 5-13 無氮化/氮化時間特性曲線圖(a)VG=12V寫入(b)VG=-12V抹除 60
圖 5-14 無氮化/氮化時間特性曲線圖(a)VG=11V寫入(b)VG=-11V抹除 61
圖 5-15 無氮化/氮化時間特性曲線圖(a)VG=10V寫入(b)VG=-10V抹除 62
圖 5-16 無氮化/氮化資料留存能力特性曲線圖 63
圖 6-1 電容結構示意圖 69
圖 6-2 ono-22 不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 70
圖 6-3 ono-21 不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 71
圖 6-4 ono-23 不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 72
圖 6-5 ono-20 不同電壓操作時間特性圖(a)寫入(b)抹除 73
圖 6-6 ono-22、ono-21、ono-23特性曲線圖(a)VG=12V寫入(b)VG=-12V抹除 74
圖 6-7 ono-22、ono-21、ono-23特性曲線圖(a)VG=11V寫入(b)VG=-11V抹除 75
圖 6-8 ono-22、ono-21、ono-23特性曲線圖(a)VG=10寫入(b)VG=-10V抹除 76
圖 6-9 不同金屬閘極特性曲線圖(a)VG=12V寫入(b)VG=-12V抹除 77
圖 6-10 不同金屬閘極特性曲線圖(a)VG=11V寫入(b)VG=-11V抹除 78
圖 6-11 不同金屬閘極特性曲線圖(a)VG=10V寫入(b)VG=-10V抹除 79
圖 6-12 資料留存能力曲線圖 80
圖 6-13不同功函數能帶彎曲示意圖 80

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