文档介绍：项目名称:
纳米结构电荷俘获材料及高密度多值存储基础研究
首席科学家:
张满红中国科学院微电子研究所
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
中国科学院
一、研究内容
本项目在研究内容的确立上紧密围绕新一代CTM存储材料和高密度多值存储中的关键科学问题与技术,以解决国家重大战略需求、获得自主知识产权为宗旨,将关键新材料、器件机理、模型研究、兼容芯片制造工艺的高密度集成、新结构多值存储设计与模拟研究等有机地结合起来,使各方面的研究工作既具有明确的目标,同时又相互紧密联系,形成下一代新型存储器完整的系统研究,为我国在相关领域的可持续发展,参与国际竞争奠定基础。围绕上述科学问题,本项目将重点开展以下几方面的研究工作:
1)纳米结构电荷俘获存储材料
探索满足隧穿、俘获存储及阻挡等多方面功能要求并与下一代存储器技术工艺兼容的纳米结构多层复合栅结构材料体系,获得高可靠的电荷俘获存储材料、隧穿介质材料和阻挡层栅介质材料,解决不同材料之间的界面问题及复杂能带匹配问题。同时为了与复合栅介质兼容,开展与之匹配的金属栅材料的研究。通过采用新材料,构造隧穿层、电荷俘获层和阻挡层之间合理的能带分布,解决栅结构体系与Si沟道材料及金属栅材料的界面问题。通过研究多层复合栅结构材料中的复杂能带匹配问题构造合理的能带结构,从而提高电荷俘获存储的可靠性,并实现复合栅结构材料体系的优化设计。研究新材料的制备工艺技术、材料与工艺的整合技术、材料的热电机械稳定性问题,并研究多层介质材料的工艺匹配问题及兼容性。研究阈值电压窗口与俘获层的依赖关系,通过调节俘获层的材料抑制各物理存储点之间的电荷扩散,提高多位存储器的可靠性。
2)电荷转移过程和存储机理
纳米尺度的材料和结构本身的性质、纳米结构间的界面的性质直接决定着器件的性能。CTM存储单元中俘获层与隧穿层、栅介质的界面和栅介质与栅电极的界面的结构,特别是缺陷结构直接影响了在界面处的电荷俘获,决定了存储器的性能。然而,纳米尺度材料的结构和性质与同成分的块体材料有显著的差别,且与材料的尺寸、表面状态密切相关,纳米材料和纳米结构个体之间也不尽相同。通过研究纳米CTM材料、结构及其与周围介质的界面的结构关系,获得材料结构与器件性能的相互关系。利用电子能量损失谱等技术研究CTM材料和结构的电子结构,获得晶体结构与电子结构的关系。利用高分辨电子显微学和扫描透射电子显微学等研究界面的结构和成分变化,并结合聚焦离子束制样技术和纳米加工技术将器件的性能与微观结构相结合。发展以电子显微镜为基础的纳米结构的原位表征、加工和性能测量技术,在电子显微镜中对同一个纳米结构进行结构和性能的研究,使结构与性能真正对应。利用先进的表征和测量手段获得纳米材料、纳米结构、界面结构,从物理层面揭示电荷转移、载流子的输运过程和存储机理,为器件设计和性能改进提供基础。
3)CTM器件理论及模型模拟
通过深入研究量子约束效应、隧穿效应、陷阱对电子的俘获与释放等效应,解决量子效应的准确、高效模拟,解决陷阱辅助隧穿、陷阱俘获与释放的模型与模拟方法等的关键问题;发展能够同时模拟存在热载流子输运、直接隧穿、FN隧穿、缺陷辅助的隧穿、缺陷对电荷的俘获与释放等多种载流子输运机制的模型和模拟方法。研究CTM使用过程中出现的电荷和缺陷的再分布以及新增陷阱的特性等一系列影响CTM的性能和可靠性问题。建立CTM存储单元仿真模型,实现纳米尺度下存储单元的关键电学特征与过程的仿真与实验校准,为存储单元的设计提取关键参数和电学模型。建立能够模拟电荷俘获存储器等涉及介质层与半导体的异质界面间载流子输运以及缺陷对电荷的俘获与释放的器件模拟程序。结合并行计算与数据库技术开展多层次、多维度的模拟手段,发展基于基本物理原理的能够描述小尺寸CTM器件输运特性的器件模拟与优化设计平台。开展基于新结构、新材料的CTM器件中的特性与优化设计,发展适于高密度存储的新材料、新结构CTM器件的模拟软件。为新材料、新结构CTM器件在电路中的使用提供设计模型,为发展新一代的CTM器件和电路提供EDA工具。
4)高密度新型多值存储器件及阵列
从新结构单元着手,通过改变存储单元结构,如双层陷阱层、三维存储结构等技术,改善CTM多值存储器的存储性能。采取定性分析、模拟验证、参数优化、工艺设计、工艺实现、测试分析等步骤进行研究。通过采用新材料,构造隧穿层、电荷俘获层和阻挡层之间合理的能带分布,提高多值存储特性。通过增加俘获层的陷阱可以增加最大阈值电压窗口,缓解多级存储各级之间的区分难度。通过改变陷阱层的材料,抑制多位存储各物理存储点之间的电荷扩散。
构造合理的能带结构,提高多值存储的可靠性。采用多值存储的新型存储方案后,相应的操作机制需要发生改变,比如多级存储中,为了产生多