研究生: |
羅雲山 Lo, Yun-Shan |
---|---|
論文名稱: |
以化學氣相沈積之高介電氧化物薄膜於非揮發性記憶體應用之研究 The Study of High-κ Dielectrics Deposited by Chemical Vapor Deposition for Nonvolatile Memory Applications |
指導教授: | 吳泰伯 |
口試委員: | |
學位類別: |
博士 Doctor |
系所名稱: |
工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering |
論文出版年: | 2010 |
畢業學年度: | 98 |
語文別: | 中文 |
論文頁數: | 112 |
中文關鍵詞: | 化學氣相沈積法 、二氧化鉿 、快閃記憶體 、奈米晶記憶體 、能帶工程 、電場加強效應 |
相關次數: | 點閱:2 下載:0 |
分享至: |
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報 |
本實驗利用化學氣相蒸鍍法(MOCVD),成功的在p型矽基板上鍍製出厚度8 nm、介電常數15.5、有效固定電荷約3.9 × 1011 / cm2的HfO2薄膜。在300℃的鍍膜溫度下,初鍍的薄膜呈非晶質,當退火溫度超過600℃後則是呈現明顯的單斜晶相結晶。
接著我們將鍍製的HfO2薄膜應用到Au/Al2O3/HfO2/SiO2/silicon (MAHOS)記憶體元件的電荷儲存層,並且探討HfO2薄膜在經過不同退火溫度及退火氣氛後的電荷捕捉特性。由C-V的量測結果顯示,真空退火的HfO2薄膜在電子的儲存行為上會受到抑制;氧氣氛退火的HfO2薄膜則是在電洞的儲存上變得較為困難。造成這種差異的原因,是因為真空退火使薄膜產生較多未鍵結的Hf原子並形成深層陷阱,由於Hf元素的特性較容易接受電洞而不易接受電子,使得C-V曲線在正偏壓方向(電子射入)的遲滯窗隨退火溫度的升高而逐漸縮小。相反的,氧氣氛退火的HfO2薄膜,由於膜內未鍵結的Hf原子大量的減少,因此在C-V曲線的表現上轉變為負偏壓方向(電洞射入)的遲滯窗隨著退火溫度的升高而較難張開。
接下來我們將HfO2薄膜應用到穿遂層的能帶工程,鍍製出具有內凹型能帶結構的Al2O3/HfO2/SiO2堆疊式穿遂層。在適當的外加偏壓下,此結構可輕易的將有效能障大幅的拉低,使元件擁有極佳的電荷穿遂效率。而在電荷保存特性方面,藉由較厚的物理厚度及使用高能障且非晶質的Al2O3及SiO2來分別臨接Au奈米晶粒及矽基板,有效的降低了直接穿遂與晶界漏電的問題,使得長時間的電荷保存能力亦符合非揮發性記憶體的需求。
最後,我們設計三種不同厚度排列的Al2O3/HfO2/Al2O3穿遂層結構,觀察奈米晶電場加強效應對電荷穿遂特性的影響。經由電性量測與電場分佈模擬的結果可以得知,若適當安排疊層式穿遂層結構中高能障材料的厚度分佈,可有效的發揮Au奈米晶粒的電場加強效應,在不犧牲電荷保存特性的前提下,進一步降低電子和電洞在穿遂過程中所面對的有效能障,提升電荷的穿遂效率。
1. R. H. Dennard, F. H. Gaensslen, H. Yu, V. L. Rideout, E. Bassous, and A. R. LeBlanc, IEEE J. Solid-State Circuits 9, 256 (1974).
2. S. Asai and Y. Wada, Proc. IEEE 85, 505 (1997).
3. R. M. Wallace and G. D. Wilk, Crit. Rev. Solid State, 28, 231 (2003)
4. R. M. Wallace and G. D. Wilk, MRS. Bull., 27, 186 (2002)
5. S. H. Lo, D. A. Buchanan, Y. Taur, and W. Wang, IEEE Electron Dev. Lett., 18 209 (1997)
6. G. Timp, A. Agarwal, F. H. Baumann, T. Boone, M. Buonanno, R. Cirelli, V. Donnelly, M. Ford, D. Grant, M. Green, H. Gossmann, S. Hillenius, J. Jackson, D. Jackson, R. Kleiman, A. Kornblit, J. Sapjeta, P. Silverman, T. Sorsch, W. W. Tai, D. Tennant, H. Vuong, and B. Weir, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 930 (1997).
7. J. H. Stathis and D. J. Dimaria, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 167 (1998).
8. R. W. Mutro, M. I. Gardner, G. A. Brown, P. M. Zeitzoff, and H. R. Huff, Solid State Technol. 46, 43 (2003).
9. J. Robertson, Eur. Phys. J. Appl. Phys., 28, 327 (2006).
10. L. Kang, B. H. Lee, W. J. Qi, Y. Jeon, R. Nieh, S. Gopalan, K. Onishi, and J. C. Lee, IEEE Electron Dev. Lett., 21, 181 (2000).
11. B. H. Lee, L. Kang, W. J. Qi, R. Nieh, Y. Jeon, K. Onishi, and J. C. Lee, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 133 (1999).
12. A. I. Kingon, J. P. Maria, and S. K. Streiffer, Nature, 406, 1032 (2000).
13. K. J. Hubbard, and D. G. Schlom, J. Mater. Res., 11, 2757 (1996).
14. W. J. Zhu, T. P. Ma, S. Zafar, and T. Tamagawa, IEEE Electron Dev. Lett., 23, 597 (2002).
15. N. V. Skorodumova, R. Ahuja, S. I. Simak, I. A. Abrikosov, B. Johansson, and B. I. Lundqvist, Phys. Rev. B., 64, 115108 (2001).
16. J. C. Wang, Y. P. Hung, C. L. Lee, and T. F. Lei, J. Electrochem. Soc., 151, F17 (2004).
17. Y. Nishikawa, T. Yamaguchi, M. Yushiki, H. Satake, and N. Fukushima, Appl. Phys. Lett., 81, 4386 (2002).
18. V. A. Rozhkov, V. P. Goncharov, and A. Y. Trusova, Proceedings of the 1995 IEEE Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics, 552 (1995).
19. V. A. Rozhkov, A. I. Petrov, V. P. Goncharov, and A. Y. Trusova, Proceedings of the 1995 IEEE Conference on Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics, 418 (1995).
20. V. A. Rozhkov, A. Y. Trusova, and I. G. Berezhnoy, Thin Solid Films, 325, 151 (1998).
21. K. H. Kim, H. J. Won, and J. S. Choi, J. Phys. Chem. Solids, 45, 1259 (1984).
22. A. A. Dakhel, J. Alloy. Comp., 365, 233 (2004).
23. Y. H. Wu, M. Y. Yang, A. Chin, W. J. Chen, and C. M. Kwei, IEEE Electron Dev. Lett., 21, 341 (2000).
24. C. H. Hsu, M. T. Wang, and J. Y. –M. Lee, J. Appl. Phys., 100, 1 (2006).
25. C. H. Lee, ,J. S. Sim, C. S. Kang, Jang-Sik Lee, Juhyung Kim, Yoocheol Shin, Ki-Tae Park, Sanghun Jeon, Jongsun Sel, Yungseok Jeong, Byeongin Choi, Viena Kim, Wonseok Jung, Chung-Il Hyun, Jungdal Choi, and Kinam Kim, Non-Volatile Semiconductor Memory Workshop, 54 (2006).
26. C. H. Lee, K. I. Choi, M. K. Cho, Y. H. Song, K. C. Park, and K. N. Kim, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 613 (2003).
27. Y. W. Park, J. D. Choi, C. S. Kang, C. H. Lee, Y. C. Shin, B. H. Choi, J. H. Kim, S. H. Jeon, J. S. Sel, J. T. Park, K. H. Choi, T. H. Yoo, J. S. Sim, and K. N. Kim, Int. Electron Dev. Meet., 29 (2006).
28. C. H. Lee, J. D. Choi, C. S. Kang, Y. C. Shin, B. H. Choi, J. H. Kim, S. H. Jeon, J. S. Sel, J. T. Park, K. H. Choi, T. H. Yoo, J. S. Sim, and K. N. Kim, 2006 Symposium on VLSI Technology - Digest of Technical Papers, 21 (2006).
29. S. C. Lai, H. T. Lue, M. J. Yang, J. Y. Hsieh, S. Y. Wang, T. B. Wu, G. L. Luo, C. H. Chien, E. K. Lai, K. Y. Hsieh, Rich Liu, and C. Y. Lu, 2007 22th Non-Volatile Semiconductor Memory Workshop, 26 (2007)
30. S. Y. Wang and H. T. Lue, IEEE Trans. on Dev. and Mater. Reliab., 8, 2 (2008).
31. H. T. Lue, S. Y. Wang, Y. H. Hsiao, E. K. Lai, L. W. Yang, T. H. Yan, K. C. Che, K. Y. Hsieh, Rich Liu, and C. Y. Lu, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 346822 (2006).
32. C. H. Lai, C. C. Huang, K. C. Chiang, M. J. Yang, J. Y. Hsieh, S. Y. Wang, T. B. Wu, G. L. Luo, C. H. Chien, E. K. Lai, K. Y. Hsieh, Rich Liu,, and C. Y. Lu, Device Research Conference Digest, 1, 99 (2005).
33. Albert Chih, C. C. Laio, C. Chen, C. Chiang, D. S. Yu, W. J. Yoo, G. S. Samudra, T. Wang, I. J. Hsieh, S. P. McAlister, and C. C. Chi, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 165 (2005).
34. X. G. Wang, J. Liu, W. P. Bai, and D. L. Kwong, IEEE Trans. on Electron Dev., 51, 4 (2004)
35. Y. Q. Wang, W. S. Hwang, G. Zhang, G. Samudra, Y. C. Yeo, and W. J. Yoo, IEEE Trans. on Electron Dev., 54, 10 (2007).
36. C. Lee, A. Gorur-Seetharam, and E. C. Kan, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 557 (2003)
37. Z. Tan, S. Samanta, W. Yoo, and S. Lee, Appl. Phys. Lett., 86, 013107 (2005).
38. J. Lee, Y. Harada, J. Pyun, and D. L. Kwong, Appl. Phys. Lett., 86, 103505 (2005).
39. T. C. Chang, P. T. Liu, S. T. Tan, and S. M. Sze, Electrochem. Solid-State Lett., 8, G71 (2005).
40. S. Samanta, Z. Tan, W. Yoo, G. Samudra, S. Lee, L. Bera, and N. Balasubramanian, J. Vac. Sci. Technol. B, 23, 2278 (2005).
41. Moore G E, Electronics 38 114-117 (1965).
42. See Moore’s law at http://www.intel.com/technology/mooreslaw/index.htm
43. M. Depas, B. Vermeire, P. W. Mertens, R. L. Van Meirhaeghe, and M. M. Heyns, Solid-State Electron., 38, 1465 (1995).
44. S. H. Lo, D. A. Buchanan, Y. Taur, and W. Wang, IEEE Electron Dev. Lett., 18, 209 (1997).
45. E. Harari, J. Appl. Phys., 49, 2478 (1978).
46. D. J. DiMaria and E. Cartier, J. Appl. Phys., 78, 3883 (1995).
47. J. H. Stathis, J. Appl. Phys., 86, 5757 (1999).
48. R. Chau, INFOS 2005 presentation.
49. D. M. Hausmann, E. Kim, J. Becker, and R. G. Gordon, Chem. Mater., 14, 4350 (2002).
50. J. Robertson, P. W. Peacock, in: M. Houssa (Ed.), High-κ Gate Dielectrics, IOP, London, p. 372, 2003.
51. J. Robertson, MRS Bulletin, Mar. 217 (2002).
52. See on line: http://www.forbes.com/global/2002/0624/030.html
53. Fujio Masuoka, US Patent 4531203.
54. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, New York, 1981.
55. 賴昇志,清華大學博士論文 (2008)
56. M. Noguchi, T. Yaegashi, H. Koyama, M. Morikado, Y. Ishibashi, S. Ishibashi, K. Ino, K. Sawamura, T. Aoi, T. Maruyama, A. Kajita, E. Ito, M. Kishiba, K. Kanda, K. Hosono, S. Miyamoto, F. Ito, Y. Hirata, G. Hemink, M. Higashitani, A. Mak, J. Chen, M. Koyanagi, S. Ohshima, H. Shibata, H. Tsunoda, and S. Tanaka, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 445 (2007).
57. Toshiharu Watanabe, IEDM Short Course 2008.
58. K. N. Kim, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 323 (2005).
59. K. N. Kim, J. H. Choi, J. D. Choi, and H. S. Jeong, IEEE VLSI-TSA Int. Sympo. 88 (2005).
60. H. A. R. Wegener, A. J. Lincoln, H. C. Pao, M. R. O'Connell, and R. E. Oleksiak, presented at the Int. Electron Dev. Meet., 1967.
61. A. Kanjilal, J. L. Hansen, P. Gaiduk, A. N. Larsen, N. Cherkashin, A. Claverie, P. Normand, E. Kapelanakis, D. Skarlatos, and D. Tsoukalas, Appl. Phys. Lett. 82, 1212 (2003).
62. Y. C. King, T. J. King, and C. Hu, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 115 (1998).
63. Z. Zhang, B. Xia, W. L. GladFelter, and S. A. Campbell, J. Vac. Sci. & Tech. A, 24, 418 (2006).
64. H. B. Bhandari, P. Chen, and T. M. Klein, Mater. Res. Soc., 811, 241 (2004).
65. Q. Fang, J. –Y. Zhang, Z. M. Wang, J. X. Wu, B. J. O’Sullivan, P. K. Hurley, T. L. Leedham, H. Davies, M. A. Audier, C. Jimenez, J. –P. Senateur, and I. W. Boyd, Thin Solid Films, 427, 391 (2003).
66. P. Chen, H. B. Bhandari, and T. M. Klein, Appl. Phys. Lett., 85, 1574 (2004).
67. M. Losurdo, M. M. Giangreqorio, M. Luchena, P. Capezzuto, G. Bruno, D. Barreca, A. Gasparotto, and E. Tondello, Mater. Res. Soc. Symposium Proceedings, 786, 227 (2004).
68. J. Aarik, A. Aidla, A. Kikas, T. Käämbre, R. Rammula, P. Ritslaid, T. Uustare, and V. Sammelselg, Appl. Surf. Sci., 203, 292 (2004).
69. K. Forsgren, A. Hårsta, J. Aarik, A. Aidla, J. Westlinder, and J. Olsson, J. Electrochem. Soc., 149, F139 (2002).
70. K. Kukli, M. Ritala, T. Sajavaara, J. Keinonen, and M. Leskelä, Chem. Vap. Deposition., 8, 199 (2002).
71. G. Papoian, J. K. Norskov, and R. Hoffmann, J. Am. Chem. Soc., 122, 4129 (2000).
72. K. Kukli, M. Ritala, J. Lu, A. Håsta, and M. Leskelä, J. Electrochem. Soc., 149, F18 (2002).
73. M. T. Ho, Y. Wang, R. T. Brewer, L. S. Wielunski, Y. J. Chabal, N. Moumen, and M. Boleslawski, Appl. Phys. Lett., 87, 133103 (2005).
74. J. H. Lee, J. P. Kim, J. H. Lee, Y. S. Kim, H. S. Jung, N. I. Lee, H. K. Kang, K. P. Suh, M. M. Jeong, K. T. Hyun, H. S. Baik, Y. S. Chung, X. Liu, S. Ramanathan, T. Seidel, J. Winkler, A. Londergan, H. Y. Kim, J. M. Ma, and N. K. Lee, Dig. Int. Electron Dev. Meet., 221 (2002).
75. Y. Kim, J. Koo, J. Han, S. Choi, H. Jeon, and C. Park, J. Appl. Phys., 92, 5443 (2002).
76. J. Hauser, CVC ○c1996 NCSU software, Department Elect. Comput. Eng. North Carolina State University, Raleigh, NC.
77. F. Stren and W. E. Howard, Phys. Rev., 163, 816 (1967).
78. A. Haque and M. Z. Kauser, IEEE Trans. on Electron Dev., 49, 1580 (2002).
79. S. Mudanai, L. F. Register, A. F. Tasch, and S. K. Banerjee, IEEE Electron Dev. Lett., 22, 145 (2001).
80. F. Li, S. Mudanai, L. F. Register, and S. K. Banerjee, IEEE Trans. on Electron Dev., 52, 1148 (2005).
81. B. Cheng, M. Cao, R. Rao, A. Inani, P. Vande Voorde, W. M. Greene, J.M.C. Stork, Z. Yu, P. M. Zeitzoff, and J.C.S. Woo, IEEE Trans. on Electron Dev., 46, 1537 (1999).
82. R. A. McKee, F. J. Walker, and M. F. Chisholm, Phys. Rev. Lett., 81, 3014 (1998).
83. K. Eisenbeiser, J. M. Finder, Z. Yu, J. Ramdani, J. A. Curless, A. A. Hallmark, R. Droopad, W. J. Ooms, L. Slame, S. Bradshaw, and C. D. Overgaard, Appl. Phys. Lett., 76, 1324 (2000).
84. L. Kang, K. Onishi, Y. Jeon, B. H. Lee, C. Kang, W. J. Qi, R. Nieh, S. Gopalan, R. Choi, and J. C. Lee, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 35 (2000).
85. K. J. Choi, J. B. Park, and S. G. Yoon, J. Electrochem. Soc., 150, F75 (2005).
86. G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony, J. Appl. Phys., 89, 5243 (2001).
87. J. Schaeffer, N. V. Edwards, R. Liu, D. Roana, B. Hradsky, R. Gregory, J. Kulik, E. Duda, L. Contreras, J. Christiansen, S. Zollner, P. Tobin, B. Y. Nguyena, R. Nieha, M. Ramon, R. Rao, R. Hedge, R. Rai, J. Baker, and S. Voight, J. Electrochem. Soc., 150, F67 (2003).
88. K. J. Hubbard and D. G. Schlom, J. Mater. Res., 11, 2757 (1996).
89. G. D. Wilk, and R. M. Wallace, Appl. Phys. Lett., 74, 2854 (1999).
90. S. Zaima, N. WaKai, T. Yamauchi, and Y. Yasuda, J. Appl. Phys., 74, 6703 (1993).
91. O. Renault, D. Samour, J. –F. Damlencourt, D. Blin, F. Martin, S. Marthon, N. T. Barrett, P. Besson, Appl. Phys. Lett., 81, 3627 (2002).
92. J. –F. Damlencourt, O. Renault, D. Samour, A. –M. Papon, C. Leroux, X. Garros, F. Martin, S. Marthon, and M. –N. Séméria, Solid-State Electron., 47, 1613 (2003).
93. Raghavasimhan Sreenivasan, Paul C. Mclntyre, Hyoungsub Kim, and Krishna C. Saraswat, Appl. Phys. Lett., 89, 112903 (2006).
94. H. J. Yang, C. F. Cheng, W. B. Chen, S. H. Lin, F. S. Yeh, and Sean P. MacAlister, IEEE Trans. on Electron Dev., 55, 6 (2008).
95. B. Eitan, P. Pavan, I. Bloom, E. Aloni, A. Flommer, and D. Finzi, IEEE Electron Dev. Lett., 543 (2000).
96. H. T. Lue, S. Y. Wang, E. K. Lai, Y. H. Shih, S. C. Lai, L.W. Yang, K. C. Chen, J. Ku, K. Y. Hsieh, R. Liu, and C. Y. Lu, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 547 (2005).
97. S. Tiwari, F. Rana, K. Chan, H. Hanafi, W. Chan, and D. Buchanan, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 521 (1995)
98. J. J. Lee, X. Wang, W. Bai, N. Lu, J. Liu, and D. L. Kwong, IEEE Trans. on Electron Dev., 50, 2067 (2003).
99. S. Choi, M. Cho, H. Hwang, and J. W. Kim, J. Appl. Phys., 94, 5408 (2003).
100. C. C. Wang, Y. K. Chiou, C. H. Chang, J. Y. Tseng, L. J. Wu, C. Y. Chen, and T. B. Wu, J. Phys. D: Appl. Phys., 40, 1673 (2007).
101. C. C. Wang, C. S. Liang, J. Y. Tseng, and T. B. Wu, Appl. Phys. Lett., 90, 182101 (2007).
102. K. Konstantin. Likharev, Appl. Phys. Lett., 73, 2137 (1998).
103. P. Blomme, J. Van Houdt, and K. De Meyer, IEEE Trans. on Dev. and Mater. Reliab., 4, 345 (2004).
104. K. S. Seol, S. J. Choi, J. Y. Choi, E. J. Jang, B. K. Kim, S. J. Park, D. G. Cha, I. Y. Song, J. B. Park, Y. Park, and S. H. Choi, Appl. Phys. Lett., 89, 083109 (2006).
105. Y. Q. Wang, W. S. Hwang, G. Zhang, Y. –C. Yeo, and W. J. Yoo, IEEE Trans. on Electron Dev., 54, 2699 (2007).
106. Z. Liu, C. Lee, V. Narayanan, G. Pei, and E. C. Kan, IEEE Trans. on Electron Dev., 49, 1606 (2002).
107. Z. Liu, C. Lee, V. Narayanan, G. Pei, and E. C. Kan, IEEE Trans. on Electron Dev., 49, 1614 (2002).
108. P. Cappelletti, C. Golla, P. Olivo, and E. Zanoni, “Flash Memory”, Norwell, MA: Kluwer (1999).
109. C. C. Wang, J. Y. Wu, Y. K. Chou, C. H. Chang, and T. B. Wu, Appl. Phys. Lett., 91, 202110 (2007).
110. M. Lenzlinger, and E. H. Snow, J. Appl. Phys., 40, 278 (1969).
111. C. W. Cheng, Y. C. Tseng, T. B. Wu, and L. J. Chou, J. Mater. Res., 19, 1043 (2004).
112. T. Watanabe, H. H. Funke, R. Torres, M. W. Raynor, J. Vininski, and V. H. Houlding, J. Cryst. Growth, 248, 67 (2003).
113. C. C. Cheng, and E. A. Fitzgerald, Appl. Phys. Lett., 93, 031902 (2008).
114. S. Oda, H. Tokunaga, N. Kitajama, J. Hanna, I. Shimizu, and H. Kokado, Jpn. J. Appl. Phys., 24, 1607 (1985).
115. D. A. Lamb, and S. J. C. Irvine, J. Cryst. Growth, 273, 111 (2004).
116. E. Fredriksson, and K. Forsgren, Surf. Coat. Tech., 88, 255 (1996).
117. R. Ohba, N. Sugiyama, K. Uchide, J. Koga, and A. Toriumi, Tech. Dig. Int. Electron Dev. Meet., 313 (2000).
118. T. Z. Lu, M. Alexe, R. Scholz, V. Talelaev, and M. Zacharias, Appl. Phys. Lett., 87, 202110 (2005).