借助脈沖激光沉積和原子層沉積系統(tǒng)，采用SiO2作為隧穿氧化物，Al2O3作為阻擋氧化物，制備了多層HfO2/Al2O3薄膜基電荷陷阱存儲器件。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極偏壓為±12 V 時，存儲窗口達到7.1 V，電荷存儲密度約為2.5 × 10¹³cm^-2。HfO2/Al2O3之間的界面在電荷存儲過程中起著關(guān)鍵的作用，更多的電荷存儲在界面的陷阱之上。經(jīng)過3.6 × 10⁴ s 的保持時間，25，85 和150℃測試溫度下，器件的電荷損失量分別為5%，12%和23.5%。線性外推實驗數(shù)據(jù)得到，150℃下，經(jīng)過10 年的電荷損失量約為42%。器件優(yōu)異的保持性能主要歸因于HfO2/Al2O3薄膜之間較大的導(dǎo)帶補償。由此可以看出，多層HfO2/Al2O3薄膜基電荷陷阱存儲器件是一種極具應(yīng)用前景的電荷存儲結(jié)構(gòu)。

　　近年來，為了解決多晶硅浮柵存儲器小型化過程中遇到的諸多問題，開發(fā)新型非揮發(fā)性電荷存儲器成為微電子行業(yè)研究的熱點。目前，SONOS(Polysilicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最為廣泛的電荷存儲結(jié)構(gòu)( 如圖1(a) 所示) ，其中，頂層的SiO2主要用于防止Si3N4中電子的流失，稱為阻擋氧化物；Si3N4主要用于俘獲和存儲電子，稱為電荷陷阱存儲層；底層SiO2為隧穿氧化物，該器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)用于65 nm 以上節(jié)點的存儲單元。但是，Si3N4的缺陷態(tài)具有復(fù)雜的陷阱能級分布，部分俘獲的電荷被存儲在淺能級缺陷態(tài)上，這些被淺能級束縛的電荷會由于Poole-Frankel 發(fā)射等原因而發(fā)生逃逸，導(dǎo)致存儲信息被篡改，而且Si3N4與SiO2之間較小的導(dǎo)帶補償也不利于存儲電荷的保持。

　　為了解決這一問題，國內(nèi)外研究學(xué)者就器件的結(jié)構(gòu)提出了一系列改進措施。美國Texas 大學(xué)的Kwong發(fā)現(xiàn)利用HfO2作為隧穿層，具有改善器件抗疲勞性能的特點。然而，相比傳統(tǒng)的SiO2隧穿層，HfO2與Si 襯底之間的界面穩(wěn)定性問題及隧穿層中較低的電場強度成為限制該存儲結(jié)構(gòu)發(fā)展的難題。韓國Kwangwoon 大學(xué)的You 等發(fā)現(xiàn)，HfO2作為存儲層具有較大的導(dǎo)帶補償和電荷陷阱密度。但是，HfO2的結(jié)晶溫度較低，晶化將導(dǎo)致較大的漏電流和嚴(yán)重的雜質(zhì)擴散，從而影響存儲器件的保持性能。

　　國外研究學(xué)者提出利用多元氧化物高介電常數(shù)(high-k) 材料作為存儲層來提高電荷存儲密度及器件存儲特性。以上改進措施在一定程度上提高了電荷存儲器件的存儲性能，但是，仍有一些關(guān)鍵問題有待解決，例如，提高存儲層陷阱密度的同時，如何確保器件具有良好的保持性能。本文利用多層HfO2/Al2O3薄膜作為存儲層，借助脈沖激光和原子層沉積系統(tǒng)制備電荷陷阱存儲器件，并對器件的存儲特性進行了系統(tǒng)分析。

　　1、器件的制備與測試分析

　　1.1、 陶瓷靶材的制備

　　利用固態(tài)燒結(jié)方法分別制備HfO2和Al2O3陶瓷靶材( 靶材規(guī)格：厚5 mm × 直徑20 mm) 。首先將高純HfO2和Al2O3粉體置于行星球磨機( MSKSFM-1) 中充分研磨24 h；然后將研磨后的粉體放入烘箱( EQ-DHG-9140) 中烘干； 而后利用手動壓片機(YLJ-15T) 將烘干后的粉體壓制成型( 施加壓強：15MPa) ；最終將預(yù)成型樣品置于高溫箱式爐(KSL-1500X-S) 中，在1400 ℃下燒制8 h。

　　1.2、電荷存儲器件的制備

　　首先對硅襯底(p-Si) 進行標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)處理除去表面的雜質(zhì)和氧化層，然后利用熱氧化方法在p-Si表面氧化一層3 nm SiO2薄膜作為隧穿氧化物(TO) ； 脈沖激光沉積( PLD) 系統(tǒng)是制備納米薄膜的主要方法，因此，利用PLD 在TO 上依次生長HfO2和Al2O3納米薄膜作為存儲層(CTL) ，HfO2和Al2O3的厚度均為2 nm( 激光發(fā)射源用KrF 準(zhǔn)分子紫外脈沖激光器，頻率范圍為1 ～ 5 Hz，激光強度為1. 8 J /cm ^-2，沉積腔內(nèi)的真空度為1 × 10^-4Pa) ； 然后采用原子層沉積( ALD) 系統(tǒng)在CTL 上沉積10 nmAl2O3薄膜作為阻擋氧化物(BO) ，選用Al( CH3)3和臭氧作為金屬鋁和氧的沉積源。而后，將樣品置于快速退火爐( RTP300) 中退火30 s( 爐內(nèi)溫度：900℃；退火氣氛：N2) ； 最后，將退火后的樣品置于磁控濺射腔體內(nèi)，在BO 上生長一層200 nm 厚的金屬鉑( Pt) 作為上電極，制備的電荷陷阱存儲結(jié)構(gòu)如圖1(b) 所示。

圖1 電荷陷阱存儲結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.3、器件的微觀結(jié)構(gòu)表征和電學(xué)性能分析

　　實驗過程中利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察器件的微觀結(jié)構(gòu)，采用X 射線光電子能譜(XPS) 分析器件的能帶排列，通過4200 半導(dǎo)體參數(shù)測試儀(Keithley 4200 SCS) 測量器件的電容-電壓(C-V) 特性和保持性能。

　　3、結(jié)論

　　借助PLD 和ALD 系統(tǒng)，制備了多層HfO2 /Al2O3薄膜基電荷陷阱存儲器件，進而系統(tǒng)研究了器件的存儲特性。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電極偏壓為±12 V時，電荷存儲窗口達到7.1 V，電荷存儲密度為2.5× 10¹³cm^-2。這主要歸因于器件的多層存儲結(jié)構(gòu)，更多的電荷存儲在HfO2和Al2O3之間的界面陷阱上。

　　通過外推實驗數(shù)據(jù)，25，85 和150℃ 測試溫度下，器件經(jīng)過10 年后的電荷損失量分別為18%，22%和42%。利用XPS 分析了器件的能帶排列，由此得知，多層HfO2 /Al2O3薄膜基電荷存儲器件中較大的CBO 是提高器件保持性能的主要原因。因此我們認(rèn)為多層HfO2 /Al2O3薄膜基電荷存儲器件是一種極具應(yīng)用前景的電荷陷阱存儲結(jié)構(gòu)。