利用KFM研究浮柵結構存儲特性的實驗設計

許 杰, 劉小花, 徐 駿

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

浮柵存儲器是一種重要的微電子器件,已得到廣泛應用[1]。浮柵存儲單元是在傳統的金屬-氧化物-半導體(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入浮柵并被存儲起來,由此改變器件的閾值電壓,實現存儲功能。由于浮柵中的存儲電荷不受器件斷電影響,因此浮柵存儲器是一種非易失性存儲器[2]。在微電子專業的本科教學中,為了使學生了解學科發展動態,加深對浮柵存儲器件的認識,設計和開展了相應的探究性實驗教學,提高學生的創新意識與實踐能力[3]。近年來,隨著掃描探針顯微技術的發展,開爾文力顯微鏡(KFM)被開發出來,能夠在微觀尺度探測材料表面電荷的存儲和輸運過程[4-5]。KFM測試具有無損傷探測、操作簡便、環境友好、信號靈敏度高等優點,適合本科階段實驗教學的需要[6]。本實驗設計利用KFM研究浮柵結構的電荷存儲特性,并根據半導體器件物理知識定量計算注入電荷面密度,鍛煉學生理論與實踐相結合的能力。

1 實驗原理

浮柵存儲器工作時,電荷在柵壓作用下注入并保持在浮柵介質中,而存儲的電荷也會逐漸通過隧穿氧化層泄漏至襯底溝道,導致存儲的失效[7]。浮柵電荷的保持時間越長,存儲器的可靠性越好。KFM顯微探測技術基于開爾文方法,通過納米級的導電探針針尖探測試樣表面的電勢分布。利用KFM可實現在微觀尺度下觀察電荷在浮柵結構中的注入與保持特性[6]。最后,根據半導體器件物理知識,通過求解靜電場泊松方程,可以獲知KFM信號與電荷存儲密度之間的定量關系。

2 實驗

2.1 實驗儀器與試樣準備

本實驗中,KFM采用布魯克公司Nanoscope 3D型號多模式原子力顯微鏡系統,導電探針選用布魯克公司SCM-PIT型號。浮柵結構試樣結構為氮化硅/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,采用等離子體增強化學氣相沉積設備淀積制備,試樣與樣品托盤間采用導電銀漿粘連。本實驗試樣的表面形貌如圖1所示,其均方根粗糙度僅為0.3 nm,說明試樣準備情況良好,薄膜生長和淀積較均勻。由于后續實驗為無損操作,因此樣品可以重復使用。另外,氧化工藝和氮化硅薄膜淀積工藝是微電子工藝實驗課程的主要內容[8-9],其工藝方法成熟。因此,本實驗可作為微電子工藝實驗課程的后續內容進行教學安排。學生在進行實驗操作前,要了解浮柵存儲器的工作原理和KFM測試原理。

圖1 浮柵結構試樣的表面形貌圖

2.2 浮柵結構的電荷注入

在進行KFM測試前,需要對浮柵結構試樣進行電荷注入操作。本實驗利用KFM探針在原位進行電荷注入操作。在電荷注入過程中,探針工作在特殊的輕敲模式下,反饋控制設定為“TM Deflection”=1.0(通常反饋控制設定“AmplitudeSetpoint”選項),使探針振幅最小化并維持在排斥力區間[10]。同時,通過控制回路對導電探針施加-3 V偏壓,線掃描速率為1 Hz,掃描范圍為邊長500nm的正方形區域。在電荷注入的操作過程中,學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,探究影響電荷注入特性的各種因素。

2.3 浮柵結構電荷存儲的KFM測試

在電荷注入操作后,對試樣進行KFM測試,研究其電荷存儲情況。采用兩步交錯式掃描進行KFM測試[10]：第一步,在常規輕敲模式下,探測試樣的表面形貌；第二步,如圖2所示,探針在形貌掃描的基礎上向上抬起一定距離d(本實驗中d=50 nm),此時KFM反饋系統對探針施加一直流偏壓VDC和交流電壓VAC,其中VAC為調制信號(實驗中調制頻率設置為探針的固有頻率,幅值設置為1 V),而VDC為反饋信號,反饋系統通過調節VDC使探針振動停止,最后輸出VDC作為KFM信號。理論上,KFM信號等于探針與樣品的接觸電勢差,由于導電探針為等勢體,因此該信號反映了樣品表面的電勢分布信息[5-6]。通過測試浮柵結構試樣的表面電勢隨時間的變化,就能夠獲知存儲電荷隨時間的變化情況。

圖2 利用KFM研究浮柵結構電荷注入特性的測試示意圖

3 結果與討論

KFM測試時探針線掃描速率設定為1.5 Hz,因此每幅完整圖像的掃描需要耗時12 min。圖3(a)為浮柵結構試樣在電荷注入操作后立即進行KFM測試的結果,圖像中心區域為電荷注入區。結果顯示,電荷注入區域的KFM信號降低,也即試樣表面電勢降低,這說明探針在-3 V偏壓注入操作時向浮柵結構注入了電子。圖3(b)為KFM圖像信號(橫截面)隨時間的變化情況,從中可以獲知：(1)電荷注入區域的KFM信號不隨時間發生橫向擴散,表明存儲在氮化硅浮柵中的電荷并不發生橫向的移動,這證明氮化硅介質具有橫向絕緣的性質；(2)電荷注入區域的KFM信號強度隨時間減弱,從12 min時的-0.328 V變為48 min時的-0.306 V,由于電荷橫向擴散受限,因此KFM信號的變化表明存儲電荷能夠在縱向通過隧穿氧化層泄漏至襯底。這些特點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)存儲器的設計理念和工作特點相吻合[11],驗證了實驗結果的可靠性。

圖3 浮柵結構電荷注入后的KFM測試圖像

為了進一步定量地研究電荷的存儲特性,下面根據半導體器件物理知識建立KFM信號與存儲電荷之間的定量關系。假設浮柵結構中注入的電荷均勻地分布在氮化硅層中,則存儲電荷引起的表面電勢變化Δφ(即KFM信號的變化量,見圖3(b)中的標注)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算[2,12]：

(2)

其中，σ為存儲電荷面密度,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。

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

(3)

其中：σim=-σ，為襯底鏡像電荷面密度；εSi為硅介電常數；β=q/kBT，為熱電壓倒數(q為單位電荷量,kB為玻爾茲曼常數,T為室溫)；np0和pp0分別為硅襯底中電子和空穴的平衡態載流子濃度(可根據襯底電阻率查表得知)；LD=(εSi/qpp0β)1/2，為襯底載流子的德拜長度。式中負號和正號的確定與Vs的正負相關,當且僅當Vs<0時取負號，而當Vs>0時取正號。由此,式(1)—式(3)即建立了KFM信號與浮柵結構存儲電荷之間的定量關系。

通過數值計算,可以獲得Vf、Vs和Δφ隨浮柵結構存儲電荷面密度σ之間的定量關系,結果如圖4所示,表明空穴存儲(正電荷)將導致KFM信號的提升,而電子存儲(負電荷)導致KFM信號的降低,并且具有一定的非線性關系。根據Δφ-σ曲線和圖3(b),可查知試樣在12 min時存儲電荷面密度約為9.25×1011cm-2,而在48 min時減小為8.41×1011cm-2,即存儲電荷數量衰減了約9.08%。作為探究性實驗,學生可自主選擇電荷注入時探針偏壓及掃描速率等參數,研究不同條件下浮柵結構的電荷存儲特性,鍛煉學生的創新和實踐能力。

圖4 浮柵結構試樣中存儲電荷面密度與KFM信號之間的關系

4 結語

浮柵存儲器作為一種可靠的非易失性存儲器,在微電子領域應用廣泛。本實驗利用KFM顯微探測技術,在微觀尺度下展示了基于氮化硅材料的浮柵結構的電荷存儲特性,通過觀察KFM信號隨時間的變化情況,推斷出存儲電荷不發生橫向移動，但會通過隧穿氧化層發生縱向泄漏,這與氮化硅材料的存儲特點相吻合。此外,根據半導體器件物理知識,通過求解靜電場泊松方程,計算出了KFM信號與存儲電荷面密度之間的定量關系,計算出的存儲電荷面密度達到1011cm-2量級。學生可進一步改變電荷注入條件進行探究性實驗,系統研究影響浮柵結構存儲特性的因素。本實驗有助于加深學生對浮柵存儲器的理解,激發學生的學習興趣,鍛煉學生利用半導體理論知識解決實際問題的能力,具有良好的教學效果。