调控钴硅杂化纳米结构电荷捕获特性：热处理对物相与界面效应的机制研究

本综述系统探讨了退火温度对钴硅杂化纳米结构（CSHN）电荷捕获层（CTL）在金属-氧化物-绝缘体-氧化物-半导体（MOIOS）存储器中的调控作用。研究通过电容-电压（C-V）测试与X射线光电子能谱（XPS）分析，揭示了730°C热处理可形成金属钴纳米结构、抑制硅化物界面键合，并实现仅空穴捕获的理想行为，为低功耗高性能非易失性存储器（NVM）的设计提供了关键工艺-结构-性能关联机制。

　　

Highlight

我们系统研究了沉积后退火温度对采用钴硅杂化纳米结构（CSHN）作为电荷捕获层（CTL）的金属-氧化物-绝缘体-氧化物-半导体（MOIOS）结构存储器特性的影响。

Experimental Section

我们使用四英寸p型硅（100）晶向晶圆，厚度为500微米。通过热蒸发沉积300纳米厚的铝电极作为背栅极。随后在氧气氛围中通过溅射法在硅晶圆上沉积5纳米厚的二氧化硅作为隧穿氧化层。紧接着，在同一腔室中通过共溅射硅和钴靶材，在氩气64.9 sccm和氧气1.1 sccm的气流速率下沉积12纳米厚的电荷捕获层。

Results and Discussion

当前闪存的基本结构——MOIOS结构，在绝缘体（即MOIOS中的“I”层）中捕获电荷，该层也称为电荷捕获层（CTL）。图1a展示了我们的MOIOS器件结构。我们采用12纳米的CSHN作为CTL，并以5纳米和20纳米的SiO₂分别作为隧穿氧化层和阻挡氧化层。如表1所述，我们通过快速热退火（RTA）工艺控制CTL中的金属纳米结构（MNS）。预期器件在正常操作下的响应及对应的C-V特性表明，仅在730°C退火的样品表现出逆时针滞后回线、宽记忆窗口和接近0V的平带电压，表明通过衬底实现了理想的仅空穴捕获行为。XPS分析进一步揭示，这一优化性能与金属钴纳米结构的形成以及界面硅化物键合的抑制密切相关。研究还发现陷阱极性由主导的钴氧化物相决定：CoO促进空穴捕获，而Co₃O₄倾向于电子捕获；界面键合状态则影响电荷注入路径。

Conclusion

本研究全面分析了沉积后退火温度对MOIOS结构中钴硅杂化纳米结构（CSHN）电荷捕获层（CTL）电荷捕获行为的影响。在530至880°C五个不同退火温度下制备的MOIOS配置在相同条件下进行比较。其中，730°C退火的样品（T730）表现出最理想的存储行为，其特征包括逆时针滞后回线、增强的记忆窗口以及通过衬底实现的理想空穴捕获。