利用原子層沉積方法制備了高介電常數材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜基電荷俘獲型存儲器件，并對器件的電荷存儲性能做了系統研究.利用高分辨透射電子顯微(HRTEM)技術表征了(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜的形貌、尺寸及器件結構.采用4200半導體分析儀測試了存儲器件的電學性能.研究發現，存儲器件在柵極電壓為±8V時的存儲窗口達到3.5V;25℃，85℃和150℃測試溫度下，通過外推法得到，經過10年的數據保持時間，存儲器件的存儲窗口減小量分別為17%，32% 和48%;(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜基電荷俘獲型存儲器件經過105 次寫入/擦除操作后的電荷損失量僅為4.5%.實驗結果表明，利用高介電常數材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜作為存儲層能夠提高器件的電荷俘獲性能，具有良好的應用前景.

　　對于傳統的浮柵型非易失性存儲器，由于其隧穿層的厚度已經接近其物理極限，以致隧穿層中的一個缺陷就能導致多晶硅浮柵中存儲的電荷全部損失，因此，探索新型存儲結構成為研究的熱點.主要集中在尋找低功耗和高密度的固態存儲器，例如可用于相機、手機和MP3播放器上的存儲設備.非易失性存儲器家族中，硅-氧化物-氮化物-氧化物-多晶硅(SONOS)型存儲器作為最具發展前景代替傳統浮柵型存儲器得到廣泛地研究.這主要是由于它的一些優異性能，例如小尺寸、分立能級和與傳統半導體工藝良好的兼容性能.但是，Si3N4作為存儲層同樣面臨數據保持能力差和尺寸減小問題.這就需要在傳統SONOS型基礎上，開發新型電荷存儲器件.一些研究學者提出利用納米晶代替Si3N4作為存儲介質，提高器件的電荷存儲性能.但是，納米晶基電荷存儲器件面臨納米晶密度及尺寸難以控制等缺點.基于以上考慮，本文采用高介電常數材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜代替傳統的Si3N4作為存儲層，制備高介電常數材料基電荷俘獲型存儲器件，并系統研究了存儲器件的電荷存儲性能.

1、實驗

　　1.1、存儲器件的制備

　　存儲器件的襯底材料采用電阻率為3～20Ω·cm 的p-Si.首先，通過傳統半導體襯底清洗工藝去除Si襯底表面的氧化物;而后，利用熱生長工藝在Si襯底表面生長一層4nm的SiO2薄膜作隧穿層;在此基礎上，利用原子層沉積系統，采用Hf-Cl4、Al(CH3)3和O3作為沉積薄膜的源，生長6nm厚的高介電常數材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2(簡稱HAO)薄膜作為存儲層，其中，Hf與Al的含量通過調節薄膜生長過程中的沉積循環次數;隨后，利用原子層沉積系統制備7nm厚的Al2O3

　　薄膜作為阻擋層;最后，利用磁控濺射沉積一層Pt作為電極材料.為了模擬半導體工藝條件，將制備的Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件在900 ℃，N2氣氛中快速退火1min.

　　1.2、樣品的性能及表征

　　實驗過程中采用FEI公司制造的場離子發射透射電子顯微鏡(TecnaiG2F20STEM)進行HAO 薄膜的形貌及存儲器件的微結構.Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的電學性能測試使用Keithley4200半導體參數分析儀(4200-SCS).

2、結果與討論

　　2.1、存儲器件的結構分析

　　圖1為Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的高分辨透射電子顯(HRTEM)截面圖像，從圖中觀察可知，隧穿層、存儲層和阻擋層的厚度分別為4nm、6nm和7nm，與預先設計值一致，且薄膜之間界面清晰.圖1中的插圖為存儲層HAO薄膜的選區電子衍射圖像，從圖中的衍射彌散環可知，經過900℃高溫退火處理，存儲層HAO薄膜仍然保持非晶態.

圖1　Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的HRTEM 截面圖，其中插入為HAO薄膜的選區電子衍射圖像

　　2.2、器件的存儲特性分析

　　HAO薄膜基電荷俘獲型存儲單元的電容-電壓曲線如圖2所示.從圖中可以看出，當掃描電壓從正掃到負再掃到正的過程中，器件表現出了明顯的逆時針滯回存儲窗口.當掃描電壓為±8V時，存儲窗口達到3.5V.可以根據下式估算存儲電荷的密度：

　　其中COX為器件的積累態電容;VFB為器件的平帶電壓;q 為原電荷;A 為有效電極面積.因此可以計算出電荷存儲密度約為1×1013/cm².

圖2　Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件高頻(1MHz)電壓-電容曲線

　　研究了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件處于不同測試溫度(25℃，85℃和150℃)下的數據保持能力，如圖3所示.起初對存儲器件施加+8V，1ms和-8V，1ms的寫入/擦除操作.從圖中可得知，經過10h的保持時間，器件在25℃，85℃和150℃下的存儲窗口減小量分別為5%，12%和21%.借助外推法得到，經過10年的保持時間，存儲窗口減小量分別為17%，32% 和48%.相比之前報道的納米晶基電荷存儲器具有更加優良的數據保持性能。

圖3　Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的數據保持能力

　　由于抗疲勞性能是衡量存儲器件的重要參數，因此研究了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的抗疲勞性能，其中寫入和擦除的條件分別為+8V，1ms和-8V，1ms，如圖4所示.從圖可以看出，經過105次寫入/擦除操作后，器件的窗口由起初的3.3V減小為3.15V，變化量僅為4.5%.實驗結果表明，利用高介電常數材料HAO薄膜代替傳統的Si3N4作為存儲層，能夠提高存儲器件的電荷俘獲性能.因此，可以合理的推斷，Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件具有良好的應用前景，可以成為半導體工藝發展中一種極具潛力的候選存儲結構.

圖4　Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷存儲器件的抗疲勞性能

結論

　　利用高介電常數材料(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜代替傳統的Si3N4作為存儲層，制備了Pt/Al2O3/HAO/SiO2/Si電荷俘獲型存儲器件，并系統地研究了器件的電荷存儲性能.25℃，85℃和150℃測試溫度下，通過外推法得到，經過10年的數據保持時間，存儲器件的存儲窗口減小量分別為17%，32% 和48%;經過105 次寫入/擦除操作后的電荷損失量僅為4.5%.研究結果表明，利用(HfO2)0.8(Al2O3)0.2薄膜作為存儲層能夠提高器件的數據保持能力和抗疲勞性能，具有良好的應用前景.