借助脈沖激光沉積和原子層沉積系統，采用SiO2作為隧穿氧化物，Al2O3作為阻擋氧化物，制備了多層HfO2/Al2O3薄膜基電荷陷阱存儲器件。實驗發現，當電極偏壓為±12 V 時，存儲窗口達到7.1 V，電荷存儲密度約為2.5 × 10¹³cm^-2。HfO2/Al2O3之間的界面在電荷存儲過程中起著關鍵的作用，更多的電荷存儲在界面的陷阱之上。經過3.6 × 10⁴ s 的保持時間，25，85 和150℃測試溫度下，器件的電荷損失量分別為5%，12%和23.5%。線性外推實驗數據得到，150℃下，經過10 年的電荷損失量約為42%。器件優異的保持性能主要歸因于HfO2/Al2O3薄膜之間較大的導帶補償。由此可以看出，多層HfO2/Al2O3薄膜基電荷陷阱存儲器件是一種極具應用前景的電荷存儲結構。

　　近年來，為了解決多晶硅浮柵存儲器小型化過程中遇到的諸多問題，開發新型非揮發性電荷存儲器成為微電子行業研究的熱點。目前，SONOS(Polysilicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 結構是應用最為廣泛的電荷存儲結構( 如圖1(a) 所示) ，其中，頂層的SiO2主要用于防止Si3N4中電子的流失，稱為阻擋氧化物；Si3N4主要用于俘獲和存儲電子，稱為電荷陷阱存儲層；底層SiO2為隧穿氧化物，該器件結構已經用于65 nm 以上節點的存儲單元。但是，Si3N4的缺陷態具有復雜的陷阱能級分布，部分俘獲的電荷被存儲在淺能級缺陷態上，這些被淺能級束縛的電荷會由于Poole-Frankel 發射等原因而發生逃逸，導致存儲信息被篡改，而且Si3N4與SiO2之間較小的導帶補償也不利于存儲電荷的保持。

　　為了解決這一問題，國內外研究學者就器件的結構提出了一系列改進措施。美國Texas 大學的Kwong發現利用HfO2作為隧穿層，具有改善器件抗疲勞性能的特點。然而，相比傳統的SiO2隧穿層，HfO2與Si 襯底之間的界面穩定性問題及隧穿層中較低的電場強度成為限制該存儲結構發展的難題。韓國Kwangwoon 大學的You 等發現，HfO2作為存儲層具有較大的導帶補償和電荷陷阱密度。但是，HfO2的結晶溫度較低，晶化將導致較大的漏電流和嚴重的雜質擴散，從而影響存儲器件的保持性能。

　　國外研究學者提出利用多元氧化物高介電常數(high-k) 材料作為存儲層來提高電荷存儲密度及器件存儲特性。以上改進措施在一定程度上提高了電荷存儲器件的存儲性能，但是，仍有一些關鍵問題有待解決，例如，提高存儲層陷阱密度的同時，如何確保器件具有良好的保持性能。本文利用多層HfO2/Al2O3薄膜作為存儲層，借助脈沖激光和原子層沉積系統制備電荷陷阱存儲器件，并對器件的存儲特性進行了系統分析。

　　1、器件的制備與測試分析

　　1.1、 陶瓷靶材的制備

　　利用固態燒結方法分別制備HfO2和Al2O3陶瓷靶材( 靶材規格：厚5 mm × 直徑20 mm) 。首先將高純HfO2和Al2O3粉體置于行星球磨機( MSKSFM-1) 中充分研磨24 h；然后將研磨后的粉體放入烘箱( EQ-DHG-9140) 中烘干； 而后利用手動壓片機(YLJ-15T) 將烘干后的粉體壓制成型( 施加壓強：15MPa) ；最終將預成型樣品置于高溫箱式爐(KSL-1500X-S) 中，在1400 ℃下燒制8 h。

　　1.2、電荷存儲器件的制備

　　首先對硅襯底(p-Si) 進行標準的化學處理除去表面的雜質和氧化層，然后利用熱氧化方法在p-Si表面氧化一層3 nm SiO2薄膜作為隧穿氧化物(TO) ； 脈沖激光沉積( PLD) 系統是制備納米薄膜的主要方法，因此，利用PLD 在TO 上依次生長HfO2和Al2O3納米薄膜作為存儲層(CTL) ，HfO2和Al2O3的厚度均為2 nm( 激光發射源用KrF 準分子紫外脈沖激光器，頻率范圍為1 ～ 5 Hz，激光強度為1. 8 J /cm ^-2，沉積腔內的真空度為1 × 10^-4Pa) ； 然后采用原子層沉積( ALD) 系統在CTL 上沉積10 nmAl2O3薄膜作為阻擋氧化物(BO) ，選用Al( CH3)3和臭氧作為金屬鋁和氧的沉積源。而后，將樣品置于快速退火爐( RTP300) 中退火30 s( 爐內溫度：900℃；退火氣氛：N2) ； 最后，將退火后的樣品置于磁控濺射腔體內，在BO 上生長一層200 nm 厚的金屬鉑( Pt) 作為上電極，制備的電荷陷阱存儲結構如圖1(b) 所示。

圖1 電荷陷阱存儲結構示意圖

　　1.3、器件的微觀結構表征和電學性能分析

　　實驗過程中利用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察器件的微觀結構，采用X 射線光電子能譜(XPS) 分析器件的能帶排列，通過4200 半導體參數測試儀(Keithley 4200 SCS) 測量器件的電容-電壓(C-V) 特性和保持性能。

　　3、結論

　　借助PLD 和ALD 系統，制備了多層HfO2 /Al2O3薄膜基電荷陷阱存儲器件，進而系統研究了器件的存儲特性。實驗發現，當電極偏壓為±12 V時，電荷存儲窗口達到7.1 V，電荷存儲密度為2.5× 10¹³cm^-2。這主要歸因于器件的多層存儲結構，更多的電荷存儲在HfO2和Al2O3之間的界面陷阱上。

　　通過外推實驗數據，25，85 和150℃ 測試溫度下，器件經過10 年后的電荷損失量分別為18%，22%和42%。利用XPS 分析了器件的能帶排列，由此得知，多層HfO2 /Al2O3薄膜基電荷存儲器件中較大的CBO 是提高器件保持性能的主要原因。因此我們認為多層HfO2 /Al2O3薄膜基電荷存儲器件是一種極具應用前景的電荷陷阱存儲結構。