氮化矽層內嵌奈米矽晶體之SONOS型記憶體的分析

Abstract

本論文以三種樣品依不同成長時間的奈米矽晶體針對SONOS記憶體中氮化矽層內嵌奈米矽晶體的特性分析與探討。從電容-電壓的電性量測，三片樣品中都可觀察在溫度高於300K時有個高濃度缺陷造成的頻率響應。從導納頻譜分析(G-f)以及深層暫態頻譜分析(DLTS)上，我們可發現此缺陷在能帶中的活化能約略為0.5~0.6eV，而且此缺陷的濃度在能帶上呈現高斯分布的趨勢。我們由Shockley-Read-Hall （SRH）理論獲得的缺陷所在的背景濃度，也間接地証實了此訊號並非來自氧化層裡的穿隧效應，而可能是半導體與氧化層間的界面能態（interface state）。 在成長時間Si-NCs 2min的樣品發現，在DLTS的量測中多出了一個額外的訊號。從AFM圖中，成長Si-NCs的時間愈長，Si-NCs的尺寸愈大。由結構上的差異，可能是成長Si-NCs的尺寸大小造成的影響。但其他兩片樣品並未觀察到此現象，我們推論此peak訊號的來源並不是因Si-NCs產生的量子能階，而是因為成長Si-NCs愈大的尺寸產生的應力在Si-NCs與氮化矽層的界面造成缺陷。由於此訊號來自氧化層裡，我們利用灌載子（programmed）進入氧化層的方式去分析這個缺陷，但我們發現灌載子並未影響氧化層與半導體界面能態的特性。固定界面能態的時間常數，奈米矽晶體與氮化矽層間缺陷的時間常數隨著灌載子愈多有愈來愈長的趨勢，從阿瑞尼斯圖可看出此缺陷的活化能以及捕捉截面積也有愈來愈大的趨勢。活化能增加表示載子跨越的位障變高，經由灌載子的方式，電子佔據了抓電洞的缺陷導致抓電洞的缺陷濃度相對地提高，產生一個更高的位障（emission barrier）使得奈米矽晶體與氮化矽層的價帶提升，使得此缺陷的時間常數變長。而捕捉截面積愈大表示抓電洞的能力愈強，當電子被灌進氧化層時，電子進入缺陷產生一個庫倫吸引力，電洞更容易被捕捉至缺陷。