鎳矽氧化物與鎳矽氮化物奈米點在非揮發性記憶體應用之研究

Abstract

非揮發性記憶體(NVM)目前在元件尺寸持續微縮下的需求為高密度記憶單元、低功率損耗、快速讀寫操作、以及良好的可靠度(Reliability)。傳統浮動閘極(floating gate)記憶體在操作過程中如果穿隧氧化層產生漏電路徑會造成所有儲存電荷流失回到矽基板，所以在資料保存時間(Retention)和耐操度(Endurance)的考量下，很難去微縮穿隧氧化層的厚度。非揮發性奈米點記憶體被提出希望可取代傳統浮動閘極記憶體，由於奈米點可視為電荷儲存層中彼此分離的儲存點，可以有效改善小尺寸記憶體元件多次操作下的資料儲存能力。近年來發展了許多方法來形成奈米點，一般而言，大多數的方法都需要長時間高溫的熱製程，這個步驟會影響現階段半導體製程中的熱預算和產能。 在本文中，一個簡單、低溫的製程方法用來形成鎳矽氧化物(Ni-Si-O)和鎳矽氮化物(Ni-Si-N)奈米點，並應用於非揮發性記憶體。室溫下，在氬氣和氧氣(Ar/O2) 的環境中濺鍍(sputtering)混合鈀材Ni0.3Si0.7 形成氧化矽(SiOx)包覆著鎳矽氧化物(Ni-Si-O)奈米點的非揮發性記憶體結構，我們認為在濺鍍過程中形成奈米點，氧氣扮演一個重要的腳色，可以簡單並均勻地形成高密度(~1012 cm-2)的奈米點。我們同時也提出室溫下在氬氣和氮氣(Ar/N2)的環境中濺鍍混合鈀材Ni0.3Si0.7 來形成鎳矽氮化物(Ni-Si-N)奈米點,結果也發現高密度的鎳矽氮化物奈米點被包覆在氮化矽(SiNx)中，並且有更好的儲存能力。 我們使用一個低溫的快速熱退火製程來增進奈米點的結晶性(crystalline)和記憶體的可靠度，熱處理可以減少奈米點周圍氧化矽及氮化矽中的缺陷(defect)。和氧化矽包覆奈米點相較下，氮化矽包覆奈米點作為電荷儲存層有比較大的記憶窗口和較佳的可靠度。 多層鎳矽化物奈米點記憶體比單層金屬奈米點擁有較好的電荷儲存能力和保存能力。此外，這個應用在非揮性記憶體的製程技術同時也適用於現階段積體電路製程。