高密度电荷俘获型非挥发存储器研究

发布时间：2017-05-27 12:05

  本文关键词：高密度电荷俘获型非挥发存储器研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于应用市场对非挥发闪存日益增长的高密度和大容量的要求,闪存的工艺水平已经进入1X nm节点,传统的浮栅型存储器件因为可缩小性差,相邻单元干扰增加而面临可靠性下降的问题;电荷俘获型存储器(CTM)成为其可能的替代技术。针对CTM,目前有三种提高存储密度的方法:采用多值或者多位存储技术提高每个器件单元的存储位数,采用高k材料作为电荷俘获层增大器件存储窗口,平面型器件转为三维(3D)存储结构降低单元等效面积。本论文主要针对高k材料作为电荷俘获层的存储特性以及与3D存储结构尺寸缩小相关的可靠性问题展开研究,同时论文研究了针对嵌入式闪存的高密度存储方法。论文开展了高k材料作为电荷俘获层的存储结构遴选、工艺优化和能带结构优化的工作。通过对比研究了单层Ta2O5、Hf O2以及两者的复合结构Ta2O5/Hf O2/Ta2O5(THT)和Hf O2/Ta2O5/Hf O2(HTH)的存储特性;研究表明复合存储材料能够实现更大的编程和擦除窗口,其中THT能带结构中间的势垒阻挡了编程和擦除时的电荷俘获和隧穿发射,而HTH结构的存储特性优于THT结构。论文进而优化了HTH结构的制备工艺,结果表明增加退火温度会提高器件编程擦除速度,采用O2退火氛围可以抑制背栅注入。最后,通过改变HTH结构中两个Hf O2势垒层的厚度配比,制备获得了优化的MAHTHOS(Al-Al2O3-Hf O2-Ta2O5-Hf O2-Si O2-Si)器件,实现了较大的存储窗口和良好的可靠性,有利于多位存储技术的应用。针对电荷俘获型3D存储器件,电荷会沿着纵向连续的氮化硅迁移而引起相邻单元间串扰,制约了存储阵列纵向尺寸的缩小。论文提出并通过仿真验证了从器件保持特性中分离电荷横向迁移影响的表征方法,并基于该方法对电荷横向迁移特性进行研究;建模和机理分析结果表明Poole-Frenkel发射对电荷横向迁移起主要作用,而陷阱之间的隧穿作用可以忽略;另外,论文还分析了氮化硅厚度和电场应力导致的退化对电荷横向迁移的影响。针对嵌入式闪存应用领域,论文基于双位非均匀沟道的CTM器件提出一种实现e NAND和e NOR混合存储架构的方案,并对其操作方法进行研究。同时,论文通过仿真和实验验证对高密度大容量存储阵列的电路系统设计方法进行了研究,最终成功制备了1 Gb NOR型闪存验证芯片,实现单字节100 ns的随机读取速度。
【关键词】：电荷俘获型存储器 高k材料 三维器件 电荷横向迁移 可靠性
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 第1章 引言9-28
• 1.1 快闪存储器简介9-11
• 1.2 传统闪存器件在工艺尺寸缩小后面临的挑战11-17
• 1.2.1 浮栅存储器件的可靠性下降11-14
• 1.2.2 电荷俘获型存储器件的擦除问题14-15
• 1.2.3 多值存储与多位存储技术的挑战15-17
• 1.3 从器件角度看闪存未来的发展趋势17-25
• 1.3.1 高k材料的应用17-21
• 1.3.2 三维存储技术21-23
• 1.3.3 高k金属栅与三维存储技术的结合23-25
• 1.4 从系统及电路角度看闪存技术发展25-26
• 1.5 本论文的研究内容及研究成果26-27
• 1.6 论文章节安排27-28
• 第2章 高k电荷俘获介质层的研究28-56
• 2.1 存储电容器件的制备及表征测试方法28-32
• 2.1.1 原子层沉积技术28-29
• 2.1.2 薄膜材料的表征29-30
• 2.1.3 存储器件电学性能测试方法30-32
• 2.2 高k存储器件的结构与实验设计32-35
• 2.2.1 多层材料的结构设计32-33
• 2.2.2 电容器件的工艺流程33-34
• 2.2.3 多层材料的电荷存储能力34-35
• 2.3 高k存储结构的工艺优化35-43
• 2.3.1 电容器件的退火温度处理35-40
• 2.3.2 电容器件的退火氛围40-43
• 2.4 不同能带结构的电荷俘获层的存储特性43-48
• 2.4.1 器件制备及结构设计43-44
• 2.4.2 器件的编程擦除特性及分析44-48
• 2.4.3 器件的保持特性48
• 2.5 基于能带工程的MAHTHOS器件结构48-53
• 2.5.1 器件制备及结构设计49
• 2.5.2 HTH势阱位置对器件编程擦除特性的影响49-51
• 2.5.3 HTH能带结构对器件编程擦除特性影响分析51-52
• 2.5.4 器件的疲劳特性和保持特性52-53
• 2.6 本章小结53-56
• 第3章 三维SONOS器件的可靠性研究56-79
• 3.1 引言56
• 3.2 3D-SONOS的基本特性56-60
• 3.2.1 器件结构及工艺制造流程56-58
• 3.2.2 器件的操作及存储特性58-60
• 3.3 3D-SONOS横向迁移的表征60-70
• 3.3.1 器件保持特性丢失机制60-61
• 3.3.2 电荷横向迁移的表征方法61-68
• 3.3.3 电子和空穴的横向迁移68-70
• 3.4 电荷的横向迁移机制的研究70-75
• 3.4.1 氮化硅中电荷横向迁移模型70-72
• 3.4.2 电荷的横向迁移机制的讨论72-75
• 3.5 不同情况下电荷的横向迁移分析75-78
• 3.5.1 不同厚度氮化硅电子横向迁移75-76
• 3.5.2 器件退化后的电子横向迁移76-78
• 3.6 本章小结78-79
• 第4章 高密度存储阵列及电路系统79-107
• 4.1 引言79
• 4.2 高密度嵌入式混合存储阵列79-92
• 4.2.1 混合存储阵列实现方案79-80
• 4.2.2 阵列存储单元器件结构80
• 4.2.3 e NAND型阵列结构及操作方法80-82
• 4.2.4 e NOR型阵列82-90
• 4.2.4.1 阵列基本单元的操作原理83-84
• 4.2.4.2 e NOR型阵列结构及操作方法84-85
• 4.2.4.3 e NOR型阵列的读取串扰及读取方法改进85-88
• 4.2.4.4 e NOR型阵列结构规划88-89
• 4.2.4.5 初步仿真结果89-90
• 4.2.5 混合存储阵列的初步流片结果90-92
• 4.3 高密度存储阵列的电路系统设计92-105
• 4.3.1 电路系统设计要求92-93
• 4.3.2 电路系统设计难点93-94
• 4.3.3 电路设计方法94-100
• 4.3.3.1 精确仿真模型建立94-96
• 4.3.3.2 阵列规划及分级译码管理系统96-99
• 4.3.3.3 关键路径设计结果99-100
• 4.3.4 高密度版图技术100
• 4.3.5 芯片验证结果100-105
• 4.4 本章小结105-107
• 第5章 结论107-111
• 5.1 论文的主要工作与研究成果107-109
• 5.2 论文的创新点109
• 5.3 未来工作展望109-111
• 参考文献111-120
• 致谢120-122
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果122-124

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