[发明专利]一种可擦写的金属-绝缘体-硅电容器结构

说明书

技术领域

本发明属电容器技术领域，具体涉及一种高密度可擦写的金属-绝缘体-硅电容器结构。

背景技术

便携式电子产品市场的日益膨胀大大刺激了非挥发存储器的研究发展。在众多非挥发存储结构中，快闪存储器由于其出色的性能和很好的工艺兼容性独占鳌头¹。近些年来，由于存储单元的不断缩小，基于二氧化硅/氮化硅/二氧化硅(ONO)介质结构的下一代快闪存储器得到广泛的关注和研究^1-4，因为多晶硅/ONO/硅(SONOS)结构具有较低的成本和耐辐射特性。在通常的SONOS结构中，氮化硅作为电荷存储层，而二氧化硅作为阻挡氧化层，然而擦除饱和、电荷捕获效率低是该结构中两个严重的缺陷^5，6。此外，为了提高编程/擦除速度，穿过隧穿氧化层的电场(E_TO)应该加大，而穿过阻挡氧化层上的电场(E_BL)应该尽量减小，以避免Fowler-Nordheim(F-N)隧穿电流。前者可以通过降低隧穿氧化层厚度来实现，比如减少到2纳米⁷，但是这也会带来大量的存储电荷泄漏，因为电子隧穿几率随着隧穿氧化层的厚度减小成指数增长。后者可以通过加大阻挡氧化层的厚度来实现，但是这会引起工作电压增大，同样也会使得器件的小型化变得困难。

基于ONO介质结构的MIS电容的工作原理如图1所示。

当编程时，在金属栅极上加一正电压，此时能带图如图1(a)所示，电子从衬底隧穿通过隧穿氧化层(SiO₂)到达电荷俘获层，完成写入操作。如果使用多晶硅作为栅极，那么此时还可能有空穴从栅极注入电荷俘获层(氮化硅)，因此会降低编程效率。当进行擦除操作时，在栅极上加一负电压，能带图如图1(b)所示，空穴从衬底向电荷俘获层(氮化硅)中注入，并与电子复合，甚至在氮化硅层中产生额外的正电荷，完成擦除操作。如果在进行擦除操作时，还有电子从栅极通过F-N隧穿注入到氮化硅层中，这会降低器件的擦除效率(擦除速率)。

参考文献

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[7]J.Bu and M.H.White，Solid-State Electron.44，2004：113.

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有快擦写速度、无擦除饱和、大存储窗口的MIS电容结构。

本发明提出的MIS电容结构，其电容介质结构适合于快闪存储器单元-金属/氧化物/半导体场效应晶体管中的栅介质。其结构为：依次以高温干氧热氧化的SiO₂薄膜做电荷隧穿层，采用原子层淀积的HfO₂/Al₂O₃/HfO₂三明治纳米叠层做电荷俘获层，采用原子层淀积的Al₂O₃薄膜做电荷阻挡层，并且其形成以后没有经过高温热退火步骤；衬底采用P型单晶硅；采用磁控反应溅射的HfN/TaN双层薄膜做金属电极，其中HfN与电荷阻挡层Al₂O₃直接接触。