不同硅氮比闪存SiNx电荷陷阱层中氢分布调控对存储器性能的优化机制

这篇研究通过后退火处理调控ONO（SiO2/SiNx/SiO2）堆栈中的氢分布，揭示了硅氮比（x:1.02与1.24）差异对电荷陷阱层性能的调控机制。SiNx(x:1.02)在N2退火中形成Si─Si键和悬挂键，通过极化子效应减少电荷损失；而富氮SiNx(x:1.24)在形成气体退火中通过N─H键解离钝化界面陷阱，使存储器窗口（MW）从4.68V提升至6.57V，保留率达89.7%。该研究为3D NAND闪存的可靠性瓶颈提供了创新解决方案。

　　

氢行为与硅氮比协同调控的存储器性能优化

氢分布机制与陷阱层工程

研究团队通过时间飞行二次离子质谱（TOF-SIMS）和X射线光电子能谱（XPS）分析，揭示了ONO堆栈中氢的独特分布行为。在富硅SiN_x(x:1.02)中，氢原子因SiN_x的致密结构被阻挡在BO/CTL界面，形成Si─H键钝化悬挂键；而富氮SiN_x(x:1.24)则因氮空位优先捕获氢形成N─H键。这种差异为后续退火工艺的差异化调控奠定了基础。

富硅体系的极化子效应

N₂退火使富硅SiN_x发生脱氢反应，Si─H键解离后相邻悬挂键重组为Si─Si键。XPS显示Si³⁺组分（代表Si─Si键）占比显著提升。能带分析表明，中性Si─Si键的局域化半径大，编程/擦除效率提升；而捕获电荷后，几何位移诱导的极化子效应使其能级深陷于带隙中，电荷保留率提升至82.6%。这种"动态深陷阱"特性突破了传统浅陷阱电荷易扩散的瓶颈。

富氮体系的界面钝化奇迹

形成气体退火（FGA）对富氮SiN_x(x:1.24)展现出截然不同的效果：N─H键在600°C解离后，释放的氢原子与界面悬挂键结合形成Si─H键，同时促进Si─N键重构。XPS数据显示Si²⁺（Si─H）和Si⁴⁺（Si─N）组分增加，而Si³⁺（悬挂键）减少。这种界面钝化使电子隧穿效率提升38.6%，同时抑制了陷阱辅助隧穿（TAT）导致的电荷泄漏，实现MW与保留率的同步优化。

能级分布的定量解析

通过热激活保留模型量化陷阱密度分布发现：N₂退火使富硅体系浅陷阱（0.98-1.19eV）密度降低40%，深陷阱（>1.19eV）占比提升；FGA处理的富氮体系则展现出更陡峭的深陷阱分布。这种能级调控证实了氢介导的陷阱变形可定向优化电荷存储性能。

3D NAND的工艺兼容性创新

该研究提出的后退火策略可直接集成于现有3D NAND制造流程：在完成ONO侧壁沉积后，利用天然的高深宽比结构实现氢的纵向均匀扩散。特别适用于键合式VNAND（BVNAND）架构，其阵列与外围电路分离制造的特性允许对存储单元进行独立退火处理。这种"一步法"陷阱工程为超高密度QLC闪存提供了兼具性能与成本优势的解决方案。

研究还发现富氮体系的优异保留特性（10年电荷损失仅0.68V）与其带隙中缺乏N─H键态有关，而富硅体系的Si─Si键动态深陷阱特性则打破了传统陷阱密度与MW的权衡关系。这些发现为下一代存储器材料设计提供了原子尺度的调控思路。