氮化矽層內嵌奈米矽晶體之SONOS型記憶體

Abstract

對廣泛使用的非揮發性記憶體 ─ 快閃記憶體而言，通常會遇到兩個問題：一是在元件尺寸繼續微縮下之瓶頸，由於尺寸微縮後穿隧氧化層(或閘極氧化層)之厚度亦隨之下降，如此雖可得到較快的讀寫速度，但電荷保存時間亦隨之下降，故須在兩者之間取得平衡點；二是在經過多次讀寫後在穿隧氧化層品質容易劣化而產生漏電路徑，一旦有一條漏電路徑產生，所有儲存在浮動閘極(Floating Gate)的電荷都會經由此漏電路徑而全部流失掉。為了克服上述兩個問題，主要有兩種改良的方法被提出，一是SONOS 非揮發性記憶體，另一種是奈米晶體(量子點)非揮發性記憶體。 在本文中，一個將前述兩種改良非揮發性記憶體結合之新記憶體被提出。利用半導體奈米點作為電荷儲存的單元。在元件的反覆操作下，即使穿隧氧化層產生缺陷或漏電路徑，所損失掉的儲存電子，僅是單一奈米點的電子漏失，對整體元件特性的影響並不明顯。因此，穿隧氧化層的厚度得以縮減，使得操作速度增快，元件積集度提升，元件可操作的次數(Endurance)以及保存時間(Retention)也同時得到改善。當電子儲存在奈米點時，由於庫倫阻絕(Coulomb Blockade)效應，儲存的電子會限制後續電子的注入。奈米點的庫倫阻絕效應使得記憶體元件的儲存及操作更加的穩健。當閘極偏壓使通道產生反轉層後，通道的電子藉由直接穿隧效應或是F-N穿隧效應通過穿隧氧化層，而讓奈米點捕獲，是為寫入動作。當閘極偏壓反向時，儲存的電子變經由穿隧氧化層回到通道，是為抹除動作。藉由電容-電壓(C-V)量測，當電子注入奈米點之後，元件之起始電壓會發生偏移，此偏移的量即(△VFB=6.25V)定義為記憶體元件的記憶窗(Program Window)。 本研究提出利用氮化矽內嵌奈米矽晶體(Si-NCs)來取代SONOS非揮發性記憶體中的氮化矽(Si3N4)薄膜，如此便完成了將兩種記憶體結合之新型記憶體。由於奈米矽晶體及內嵌奈米矽晶體之氮化矽皆可儲存電荷，故新型記憶體的記憶窗比單純只有氮化矽薄膜來得更大，電荷保存能力也較佳。在改變奈米矽晶體尺寸大小，其它條件不變之下，尺寸愈大的奈米矽晶體之記憶窗愈大，但記憶窗愈大之記憶體電荷保存能力沒有愈佳，因此本研究尋找適當大小的奈米矽晶體之新記憶體元件，使之更容易達到十年的電荷保存時間。 我們亦針對可靠度問題對我們的元件進行測試。我們分別在室溫、150℃以及250℃高溫進行資料保存能力測試。在室溫及150℃方面，單純只有氮化矽薄膜與新型記憶體均有好的資料儲存能力，推測十年後的電荷保存能力可維持在75%以上。在250℃高溫，由於穿隧氧化層之品質較差所以導致部份儲存電荷流失，但奈米矽晶體優異的資料儲存能力仍優於氮化矽薄膜。