許 杰, 劉小花, 徐 駿

(1. 南京郵電大學(xué) 電子與光學(xué)工程學(xué)院, 江蘇 南京 210023；2. 南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 南京 210093)

浮柵存儲(chǔ)器是一種重要的微電子器件,已得到廣泛應(yīng)用[1]。浮柵存儲(chǔ)單元是在傳統(tǒng)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)晶體管的氧化層中嵌入浮柵制備而成,浮柵多采用多晶硅或氮化硅材料制成,通過柵極電壓的編程操作,溝道電荷能夠隧穿進(jìn)入浮柵并被存儲(chǔ)起來,由此改變器件的閾值電壓,實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)功能。由于浮柵中的存儲(chǔ)電荷不受器件斷電影響,因此浮柵存儲(chǔ)器是一種非易失性存儲(chǔ)器[2]。在微電子專業(yè)的本科教學(xué)中,為了使學(xué)生了解學(xué)科發(fā)展動(dòng)態(tài),加深對(duì)浮柵存儲(chǔ)器件的認(rèn)識(shí),設(shè)計(jì)和開展了相應(yīng)的探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué),提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)與實(shí)踐能力[3]。近年來,隨著掃描探針顯微技術(shù)的發(fā)展,開爾文力顯微鏡(KFM)被開發(fā)出來,能夠在微觀尺度探測(cè)材料表面電荷的存儲(chǔ)和輸運(yùn)過程[4-5]。KFM測(cè)試具有無損傷探測(cè)、操作簡(jiǎn)便、環(huán)境友好、信號(hào)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),適合本科階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要[6]。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用KFM研究浮柵結(jié)構(gòu)的電荷存儲(chǔ)特性,并根據(jù)半導(dǎo)體器件物理知識(shí)定量計(jì)算注入電荷面密度,鍛煉學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理

浮柵存儲(chǔ)器工作時(shí),電荷在柵壓作用下注入并保持在浮柵介質(zhì)中,而存儲(chǔ)的電荷也會(huì)逐漸通過隧穿氧化層泄漏至襯底溝道,導(dǎo)致存儲(chǔ)的失效[7]。浮柵電荷的保持時(shí)間越長(zhǎng),存儲(chǔ)器的可靠性越好。KFM顯微探測(cè)技術(shù)基于開爾文方法,通過納米級(jí)的導(dǎo)電探針針尖探測(cè)試樣表面的電勢(shì)分布。利用KFM可實(shí)現(xiàn)在微觀尺度下觀察電荷在浮柵結(jié)構(gòu)中的注入與保持特性[6]。最后,根據(jù)半導(dǎo)體器件物理知識(shí),通過求解靜電場(chǎng)泊松方程,可以獲知KFM信號(hào)與電荷存儲(chǔ)密度之間的定量關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試樣準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)中,KFM采用布魯克公司Nanoscope 3D型號(hào)多模式原子力顯微鏡系統(tǒng),導(dǎo)電探針選用布魯克公司SCM-PIT型號(hào)。浮柵結(jié)構(gòu)試樣結(jié)構(gòu)為氮化硅/氧化硅/p型硅襯底(Si3N4/SiO2/p-Si,襯底電阻率約為1 Ω·cm),其中氧化硅厚度約為3 nm,采用常規(guī)干氧氧化工藝制備,氮化硅厚度約為6 nm,采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備淀積制備,試樣與樣品托盤間采用導(dǎo)電銀漿粘連。本實(shí)驗(yàn)試樣的表面形貌如圖1所示,其均方根粗糙度僅為0.3 nm,說明試樣準(zhǔn)備情況良好,薄膜生長(zhǎng)和淀積較均勻。由于后續(xù)實(shí)驗(yàn)為無損操作,因此樣品可以重復(fù)使用。另外,氧化工藝和氮化硅薄膜淀積工藝是微電子工藝實(shí)驗(yàn)課程的主要內(nèi)容[8-9],其工藝方法成熟。因此,本實(shí)驗(yàn)可作為微電子工藝實(shí)驗(yàn)課程的后續(xù)內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)安排。學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作前,要了解浮柵存儲(chǔ)器的工作原理和KFM測(cè)試原理。

圖1 浮柵結(jié)構(gòu)試樣的表面形貌圖

2.2 浮柵結(jié)構(gòu)的電荷注入

在進(jìn)行KFM測(cè)試前,需要對(duì)浮柵結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行電荷注入操作。本實(shí)驗(yàn)利用KFM探針在原位進(jìn)行電荷注入操作。在電荷注入過程中,探針工作在特殊的輕敲模式下,反饋控制設(shè)定為“TM Deflection”=1.0(通常反饋控制設(shè)定“AmplitudeSetpoint”選項(xiàng)),使探針振幅最小化并維持在排斥力區(qū)間[10]。同時(shí),通過控制回路對(duì)導(dǎo)電探針施加-3 V偏壓,線掃描速率為1 Hz,掃描范圍為邊長(zhǎng)500nm的正方形區(qū)域。在電荷注入的操作過程中,學(xué)生可自主改變探針偏壓的極性和大小、掃描速率和范圍等參數(shù),探究影響電荷注入特性的各種因素。

2.3 浮柵結(jié)構(gòu)電荷存儲(chǔ)的KFM測(cè)試

在電荷注入操作后,對(duì)試樣進(jìn)行KFM測(cè)試,研究其電荷存儲(chǔ)情況。采用兩步交錯(cuò)式掃描進(jìn)行KFM測(cè)試[10]：第一步,在常規(guī)輕敲模式下,探測(cè)試樣的表面形貌；第二步,如圖2所示,探針在形貌掃描的基礎(chǔ)上向上抬起一定距離d(本實(shí)驗(yàn)中d=50 nm),此時(shí)KFM反饋系統(tǒng)對(duì)探針施加一直流偏壓VDC和交流電壓VAC,其中VAC為調(diào)制信號(hào)(實(shí)驗(yàn)中調(diào)制頻率設(shè)置為探針的固有頻率,幅值設(shè)置為1 V),而VDC為反饋信號(hào),反饋系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)VDC使探針振動(dòng)停止,最后輸出VDC作為KFM信號(hào)。理論上,KFM信號(hào)等于探針與樣品的接觸電勢(shì)差,由于導(dǎo)電探針為等勢(shì)體,因此該信號(hào)反映了樣品表面的電勢(shì)分布信息[5-6]。通過測(cè)試浮柵結(jié)構(gòu)試樣的表面電勢(shì)隨時(shí)間的變化,就能夠獲知存儲(chǔ)電荷隨時(shí)間的變化情況。

圖2 利用KFM研究浮柵結(jié)構(gòu)電荷注入特性的測(cè)試示意圖

3 結(jié)果與討論

KFM測(cè)試時(shí)探針線掃描速率設(shè)定為1.5 Hz,因此每幅完整圖像的掃描需要耗時(shí)12 min。圖3(a)為浮柵結(jié)構(gòu)試樣在電荷注入操作后立即進(jìn)行KFM測(cè)試的結(jié)果,圖像中心區(qū)域?yàn)殡姾勺⑷雲(yún)^(qū)。結(jié)果顯示,電荷注入?yún)^(qū)域的KFM信號(hào)降低,也即試樣表面電勢(shì)降低,這說明探針在-3 V偏壓注入操作時(shí)向浮柵結(jié)構(gòu)注入了電子。圖3(b)為KFM圖像信號(hào)(橫截面)隨時(shí)間的變化情況,從中可以獲知：(1)電荷注入?yún)^(qū)域的KFM信號(hào)不隨時(shí)間發(fā)生橫向擴(kuò)散,表明存儲(chǔ)在氮化硅浮柵中的電荷并不發(fā)生橫向的移動(dòng),這證明氮化硅介質(zhì)具有橫向絕緣的性質(zhì)；(2)電荷注入?yún)^(qū)域的KFM信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間減弱,從12 min時(shí)的-0.328 V變?yōu)?8 min時(shí)的-0.306 V,由于電荷橫向擴(kuò)散受限,因此KFM信號(hào)的變化表明存儲(chǔ)電荷能夠在縱向通過隧穿氧化層泄漏至襯底。這些特點(diǎn)與基于氮化硅浮柵的多晶硅/控制氧化層/氮化硅/隧穿氧化層/硅襯底(SONOS)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)理念和工作特點(diǎn)相吻合[11],驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖3 浮柵結(jié)構(gòu)電荷注入后的KFM測(cè)試圖像

為了進(jìn)一步定量地研究電荷的存儲(chǔ)特性,下面根據(jù)半導(dǎo)體器件物理知識(shí)建立KFM信號(hào)與存儲(chǔ)電荷之間的定量關(guān)系。假設(shè)浮柵結(jié)構(gòu)中注入的電荷均勻地分布在氮化硅層中,則存儲(chǔ)電荷引起的表面電勢(shì)變化Δφ(即KFM信號(hào)的變化量,見圖3(b)中的標(biāo)注)可以分解為浮柵分壓Vf和襯底分壓VS兩部分,即

Δφ=Vf+Vs

(1)

浮柵分壓可用平板電容公式計(jì)算[2,12]：

(2)

其中，σ為存儲(chǔ)電荷面密度,dn和dox分別為氮化硅和氧化硅厚度,εn和εox分別為氮化硅和氧化硅介電常數(shù)。

硅襯底中的鏡像電荷將產(chǎn)生額外的電壓,這部分電壓可采用靜電場(chǎng)泊松方程描述如下[12-13]：

(3)

其中：σim=-σ，為襯底鏡像電荷面密度；εSi為硅介電常數(shù)；β=q/kBT，為熱電壓倒數(shù)(q為單位電荷量,kB為玻爾茲曼常數(shù),T為室溫)；np0和pp0分別為硅襯底中電子和空穴的平衡態(tài)載流子濃度(可根據(jù)襯底電阻率查表得知)；LD=(εSi/qpp0β)1/2，為襯底載流子的德拜長(zhǎng)度。式中負(fù)號(hào)和正號(hào)的確定與Vs的正負(fù)相關(guān),當(dāng)且僅當(dāng)Vs<0時(shí)取負(fù)號(hào)，而當(dāng)Vs>0時(shí)取正號(hào)。由此,式(1)—式(3)即建立了KFM信號(hào)與浮柵結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷之間的定量關(guān)系。

通過數(shù)值計(jì)算,可以獲得Vf、Vs和Δφ隨浮柵結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷面密度σ之間的定量關(guān)系,結(jié)果如圖4所示,表明空穴存儲(chǔ)(正電荷)將導(dǎo)致KFM信號(hào)的提升,而電子存儲(chǔ)(負(fù)電荷)導(dǎo)致KFM信號(hào)的降低,并且具有一定的非線性關(guān)系。根據(jù)Δφ-σ曲線和圖3(b),可查知試樣在12 min時(shí)存儲(chǔ)電荷面密度約為9.25×1011cm-2,而在48 min時(shí)減小為8.41×1011cm-2,即存儲(chǔ)電荷數(shù)量衰減了約9.08%。作為探究性實(shí)驗(yàn),學(xué)生可自主選擇電荷注入時(shí)探針偏壓及掃描速率等參數(shù),研究不同條件下浮柵結(jié)構(gòu)的電荷存儲(chǔ)特性,鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

圖4 浮柵結(jié)構(gòu)試樣中存儲(chǔ)電荷面密度與KFM信號(hào)之間的關(guān)系

4 結(jié)語

浮柵存儲(chǔ)器作為一種可靠的非易失性存儲(chǔ)器,在微電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本實(shí)驗(yàn)利用KFM顯微探測(cè)技術(shù),在微觀尺度下展示了基于氮化硅材料的浮柵結(jié)構(gòu)的電荷存儲(chǔ)特性,通過觀察KFM信號(hào)隨時(shí)間的變化情況,推斷出存儲(chǔ)電荷不發(fā)生橫向移動(dòng)，但會(huì)通過隧穿氧化層發(fā)生縱向泄漏,這與氮化硅材料的存儲(chǔ)特點(diǎn)相吻合。此外,根據(jù)半導(dǎo)體器件物理知識(shí),通過求解靜電場(chǎng)泊松方程,計(jì)算出了KFM信號(hào)與存儲(chǔ)電荷面密度之間的定量關(guān)系,計(jì)算出的存儲(chǔ)電荷面密度達(dá)到1011cm-2量級(jí)。學(xué)生可進(jìn)一步改變電荷注入條件進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)研究影響浮柵結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)特性的因素。本實(shí)驗(yàn)有助于加深學(xué)生對(duì)浮柵存儲(chǔ)器的理解,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,鍛煉學(xué)生利用半導(dǎo)體理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力,具有良好的教學(xué)效果。