高介電常數奈米微晶粒材料之研究與記憶體元件之製作(I)

Abstract

本計畫目的將製作一個最佳特性的非揮發性快閃記憶體，將使用數種材料、不同的 製程方法及結構來製備捕陷電荷層，來取代現今傳統氮化矽 (Si3N4) 材料。再用不同的 寫入/抹除的操作方式，在低電壓下來操作快閃記憶體。以達成電荷捕捉效率佳、有快速 的寫入/抹除速度、大的記憶窗口、儲存資料持久性、以及寫入、清除操作造成的性能退 化少的非揮發性快閃記憶體。 在材料方面，我們將利用高介電常數 (High-?) 的材料如氧化鉿（HfO2）、氧化 鋯（ZrO2）、氧化鑭（ZrO2）和氧化鐠（Pr2O3）等高介電常數材料來製備捕陷電荷層。 利用這類材料擁有大量的捕陷位置，足夠深的捕陷電荷能量深度，來增加電荷的保存能 力，使保存電荷的時間加長，增加電荷捕捉效率來達到大的操作窗口。而利用高介電常 數的優點縮減元件的等效厚度來降低操作電壓，並在未來積體電路的製作上，獲得較高 的元件密度。 在製程方面，我們將提出一種新型捕陷電荷層的結構，利用高介電常數的金屬矽氧 化物材料如矽氧化鉿（HfSixOy）、矽氧化鋯（ZrSixOy）來製作奈米微晶粒，利用快速升 溫退火製程，將可利用相分離的方式使該高介電常數的金屬矽氧化物之薄膜層分離產生 高介電常數的材料的奈米微晶粒被包於氧化矽中。此種結構，電荷在水平移動以及垂直 移動的表現上，將會被牢牢捕陷住使電荷不易移動流失，而使存入資料的持久性的特性 表現的更好。再配合高介電常數材料具有大量的捕陷位置，足夠深的捕陷電荷能量深度 的優點，來增加快閃記憶體大的操作窗口以及電荷保存能力。 在元件操作方面，我們將利用不同的寫入/抹除的操作方式，利用通道熱電子注入的 方法來寫入，相對的，則是用能帶對能帶熱電洞注入來抹除。這兩種方法，該熱電子之 結構是在靠在源極端或在汲極端所產生的，因此可以在源極端或在汲極端來進行寫入/ 抹除的操作，而我們電荷儲存在分離式的儲存點中，因此儲存的電荷之間不會互相作 用，使該穿透氧化層的局部缺陷也不會造成全部電荷的流失，因此儲存方式可以很區域 性，可利用上述之寫入/抹除的操作方式，可使記憶體達到一個單元儲存二個位元的效 果。而能帶對能帶熱電洞注入來抹除的操作方式，也可避免掉利用富勒-諾得漢穿隧的 機制來抹除造成飽和抹除操作的缺點。我們將研究不同寫入/抹除的操作方式對快閃記 憶體的可靠度的影響。 本計畫最終目的為製作一個最佳特性的非揮發性快閃記憶體。將整合數種材料、不 同的製程方法及結構來取代現今傳統氮化矽材料。再使用低電壓的操作方式達到現今低 功率的要求。全面性的探討及應用於CMOS 元件製程上，以達到最佳化之先進製程元件。