SONOS结构中ONO性质的研究

SONOS结构中ONO性质的研究

     传统的浮栅(FG)目前已接近其尺寸缩小的极限。过去几年，人们非常关注并努力实现用多晶硅-氧化物-氮化物-氧化物-单晶硅(SONOS)结构替代传统浮栅(FG)用于下一代非易失存储器。与传统的FG技术不同，SONOS结构在氮化物层的深阱中局部存储电荷，这可较好地保持电荷且没有漂移位和浮栅间的耦合。此外，当沟道热载流子注入用于编程时，SONOS结构能实现每单元2-bit功能，bit密度能大大提高。NROM（Nitrided Read Only Memory）是采用此技术的主要代表。
    
     在SONOS类型的非易失存储器(NVM)中，载流子注入损伤是氧化物-氮化物-氧化物（ONO）退化的原因，它对电荷的保持和器件可靠性有重大影响。Qbd度量载流子注入损伤上氧化物的容差，且是评估ONO结构可靠性很好的参考量。本文系统地研究了NROM应用的ONO的Qbd、有和没有NO退火的下层氧化物、LPCVD生长且氧化后在不同温度下退火的上层氧化物，以及用再氧化ONO氮化物层形成的上层氧化物。
    
     实验
     NROM中采用的SONOS NVM栅极结构为：4～7nm的热生长氧化物作为下层氧化物(BOX)，～5nm的Si3N4作为电荷陷阱层，～10nm的LPCVD氧化物作为上层氧化物(TOX)。本研究中制作了70×20μm2的两类MOS电容。一类是短环加工样品，直接形成电容，没有经历整个标准NROM加工程序。另一类是全加工样品，此电容是在标准NROM加工程序过程中形成，作为测试键。全部样品都用n+多晶硅作为栅极。各种栅极氧化物和ONO栅极是在8英寸硅衬底上形成的，由NROM BOX类的热生长氧化物、NROM TOX类LPCVD氧化物、NROM类短环加工和全加工ONO栅氧化物组成。表1总结了BOX和TOX的结构与加工条件。下层热氧化物是在850℃下生长的，LPCVD氧化物是在780℃下生长的。所有氮化物层用LPCVD在650℃下形成，其厚度为～5nm，在ALD中生长的split J除外。
    
     每一类的取样数量在20以上。测试在Agilent 4072自动测试仪上进行。测试过程中，多晶硅栅极上加负偏压，衬底接地。加应力测试前，对击穿电压（Vbd）取样，应力点设置于平均Vbd的90%处。监测3MV/cm时的漏电流，当3MV/cm时的漏电流大于100pA定义为击穿。
    
     结果与讨论
    
     图1比较了split A、C、D、E和F的Qbd。从Weibull图可见，split F（ONO）和split C（800℃退火的LPCVD oxide)的Qbd是相当的。split A(热生长氧化物)的Qbd比split C和F的Qbd高约二倍。Split D(950℃退火的LPCVD氧化物)和E(1000℃退火的LPCVD氧化物)显示了相当的Qbd，且比其余的Qbd高得多。这一比较说明，LPCVD氧化物的质量能通过将退火温度从800℃提高到950℃而显著提高，观测到Qbd提高了5倍。但是，将退火温度进一步从950℃提高到1000℃时，增益微不足道。800℃退火LPCVD氧化物的ONO的Qbd与热氧化物的Qbd相当，说明在这种情况下，ONO的Qbd主要受TOX的Qbd限制。此外，将上层LPCVD氧化物的退火温度从800℃增加到950℃或更高时，Qbd会有明显提高。
    
     图2比较了LPCVD氧化物各组别退火温度部分制程和全制程ONO的Qbd(组别F、G、H、I和J)。比较中还有一组是完全由Si3N4在1050℃再氧化3小时形成的TOX。与有800℃退火的LPCVD氧化物的部分制程样品(组别F)比较，全制程样品(组别G)要低得多，表明氧化物质量经历全制程会受到很大影响。如在部分制程研究中看到的那样，退火温度从800℃增至950℃时ONO的Qbd明显提高，Qbd从8提高到10。
    
     图2说明，具有ALD Si3N4再氧化形成的TOX一组(split J)比具有LPCVD氧化物的组高10倍左右。这表明Si3N4再氧化形成的TOX能极大地提高ONO的总Qbd，说明ONO的Qbd是由TOX主导的。
    
     结论
     对NROM应用的ONO及其下层和上层氧化物的Qbd进行了系统研究。发现ONO的Qbd主要取决于上层氧化物。上层LPCVD氧化物的退火温度从800℃增至950℃时，Qbd显著提高，表明LPCVD氧化物得到改善。但进一步增加退火温度并不会使Qbd再提高。