CN101452963A - 一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，包括：硅衬底1、位于硅衬底1上两侧重掺杂的源导电区6和漏导电区7、源导电区6与漏导电区7之间的载流子沟道上覆盖的隧穿介质层2、覆盖在隧穿介质层2上的金属纳米晶浮栅层3、覆盖在金属纳米晶浮栅层3上的控制栅介质层4，以及覆盖在控制栅介质层4上的栅电极材料层5。本发明同时公开了一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法。利用本发明，降低了浮栅结构非挥发性存储器的编程/擦除电压和操作功耗，提高了编程/擦除操作速度、数据保持特性、编程/擦除耐受性等存储性能，提高了器件的集成度，并简化了制作工艺，降低了制作成本，提高了制作效率。

Description

一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器及其制作方法

技术领域

本发明涉及纳米电子器件及纳米加工技术领域，尤其涉及一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器及其制作方法。

背景技术

近年来，存储器占整个集成电路(IC)芯片面积的百分比在急速上升。根据美国半导体行业协会编著的“国际技术路线图”，在2005年，逻辑电路占芯片面积的16％，而存储器占芯片面积的71％，这个转折意义重大。

目前的嵌入存储器包括静态随机存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、动态随机存储器(DRAM)和闪存(Flash Memory)。对于这些存储器，如何通过减少掩膜层数来提高性能和简化工艺，有效地控制工艺成本是急待解决的关键性问题。以纳米晶存储器为代表的Flash存储器即具有这方面的优势。

存储器产业目前约占整个半导体产业的1/4。在各种存储器中，Flash的产值也将逼近于DRAM。由于它的应用日趋广泛，应用于片上系统(SOC)中的非挥发性存储器以Flash为主，因此未来仍会有较大的成长空间。

传统Flash存储器的组成核心，是基于多晶硅薄膜浮栅结构的硅基非挥发性存储器。不过，多晶硅薄膜浮栅器件具有制造工艺较复杂、写入时间长、写入功耗较大等缺点。尤其在微电子工业的工艺节点逐步趋向于65nm甚至更低的情况下，它的尺寸缩小将变得受限，因而只能延续到65nm技术节点。而且随着器件尺寸的减小，擦除电压不断增大，V_th更快地趋于饱和，从而使得在提高擦除速度与增大存储窗口之间只能进行折衷选择。此外，由于非预想的栅电子注入，器件的可靠性也会受到影响。

多晶硅薄膜浮栅存储器的局限主要与器件的隧穿氧化层厚度有关。一方面要求隧穿氧化层能实现快速有效的电荷转移(低电场)，另一方面要具备较好的绝缘性能以保持信息存储十年以上。出于折衷的考虑，隧穿氧化层的厚度约为9至11nm。在器件制作工艺节点由1μm降到0.18μm的过程中，此厚度几乎没有变动。如果能降低隧穿氧化层的厚度，不仅有利于在更小的工艺节点制作器件以缩小尺寸，更可以获得降低操作电压及加快操作速度的好处。

自从90年代中期以来，纳米晶存储器由于具备可以使用更薄隧穿氧化层、更低的编程/擦除(P/E)电压、更快的P/E速度、更强的数据保持特性(retention)等优势引起了科学界、产业界的极大关注。

采用纳米晶材料可以提高存储器的电荷保持特性，其关键是沉积方法与尺寸、分布的有效控制，为满足高性能存储器的需求，纳米晶的密度需达到10¹²cm^-2，直径最好控制在5～6nm以下。

与Si或Ge纳米晶相比，采用金属纳米晶不会牺牲注入效应，而且采用那些功函数可调、在费米能级附近态密度很高、由于载流子局域而微扰小的金属纳米晶，可以增强存储器保持特性。

制备纳米晶存储器的关键工艺是纳米晶薄膜的制备。其制备方法多种多样，主要包括以下几种：

(1)离子注入的方法形成纳米晶颗粒；

(2)用磁控溅射结合快速热退火的方法形成纳米晶颗粒；

(3)用电子束蒸发结合快速热退火的方法形成纳米晶颗粒；

(4)CVD直接生长的方法制备纳米晶颗粒。

用上方法制备纳米晶颗粒均具有工艺复杂，设备比较庞大，成本较高等缺点，并且制备出来的纳米晶直径较大，影响浮栅存储器的存储性能。

如何克服上述困难，降低制备成本则成为制备纳米晶浮栅存储器的关键因素。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，以降低浮栅结构非挥发性存储器的编程/擦除(P/E)电压和操作功耗，提高编程/擦除操作速度、数据保持特性(retention)、编程/擦除(P/E)耐受性等存储性能，以适应半导体存储器件尺寸缩小的需要，提高器件的集成度。

本发明的另一个目的在于提供一种制作金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的方法，以简化制作工艺，降低制作成本，提高制作效率。

(二)技术方案

为达到上述一个目的，本发明提供了一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，该存储器包括：

硅衬底1、位于硅衬底1上两侧重掺杂的源导电区6和漏导电区7、源导电区6与漏导电区7之间的载流子沟道上覆盖的隧穿介质层2、覆盖在隧穿介质层2上的金属纳米晶浮栅层3、覆盖在金属纳米晶浮栅层3上的控制栅介质层4，以及覆盖在控制栅介质层4上的栅电极材料层5。

上述方案中，所述隧穿介质层2为SiO₂、Si₃N₄或高介电常数(k)材料中的一种或几种的组合叠加，高k材料包括HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、La₂O₃、HfAlO、HfSiON和HfTaON中的任意一种；所述隧穿介质层2的厚度为2nm至20nm。

上述方案中，所述金属纳米晶浮栅层3中的金属纳米晶为金属W、Al、Ni、Co、Cr、Pt、Ru、Sn、Ti、Au和Ag中的任意一种，金属纳米晶的直径为1nm至10nm，密度为1×10¹¹cm^-2至1×10¹²cm^-2。

上述方案中，所述控制栅介质层4由SiO₂、Si₃N₄或高k材料制作而成，所述控制栅介质层4的厚度为10nm至50nm。

上述方案中，所述的栅电极材料层5采用多晶硅栅，或者采用金属栅，所述金属栅包括TaN、IrO₂或金属硅化物；所述沉积的多晶硅材料或者金属材料的栅电极材料层的厚度为100nm。

为达到上述另一个目的，本发明提供了一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，该方法包括：

A、在硅衬底上生长隧穿介质层；

B、在隧穿介质层上采用旋涂法制备金属纳米晶浮栅层；

C、在金属纳米晶浮栅层上沉积控制栅介质层；

D、在控制栅介质层上沉积多晶硅材料或者金属材料的栅电极材料层；

E、光刻，在栅电极材料层上的抗蚀剂中形成栅线条图形；

F、以栅线条图形为掩模刻蚀栅电极材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层，形成栅堆结构；

G、光刻、离子注入，在栅线条两侧硅衬底中形成源导电区和漏导电区；

H、生长绝缘介质、光刻、腐蚀、蒸发金属、剥离、退火，形成源电极、漏电极和栅电极，并封装。

上述方案中，步骤A中所述生长隧穿介质层的步骤包括：热氧化、化学气相淀积CVD、原子层沉积ALD、脉冲激光沉积PLD、电子束蒸发或者磁控溅射。

上述方案中，步骤B中所述采用旋涂法制备金属纳米晶浮栅层的步骤包括：在衬底上旋涂含有金属纳米晶颗粒的溶液，然后烘干去除溶剂，形成金属纳米晶颗粒；旋涂的转速根据溶液中金属纳米晶颗粒的浓度控制在500转/分钟至3000转/分钟；烘干处理采用热板加热的方法，热板温度控制在100℃，加热10分钟。

上述方案中，步骤C中所述沉积控制栅介质层的步骤采用化学气相淀积CVD、原子层沉积ALD、电子束蒸发或者磁控溅射。

上述方案中，步骤D中所述沉积栅电极材料层的步骤采用化学气相淀积CVD、原子层沉积ALD、脉冲激光沉积PLD、电子束蒸发或者磁控溅射。

上述方案中，步骤E中所述光刻为光学光刻或者电子束光刻，光刻后形成的栅线条图形的宽度即栅长为20nm至2000nm；

所述光学光刻的具体工艺步骤包括：在栅电极材料层表面涂敷一层厚度为1.5μm的AZ5214负性光学抗蚀剂，对所涂敷的AZ5214负性光学抗蚀剂采用热板在100℃下前烘100秒，接着对光学抗蚀剂AZ5214采用光刻机利用光掩模版按所设计的栅图形进行30秒的曝光，然后用热板在115℃下烘烤70秒，接着泛曝，不用光掩模版而直接裸曝60秒，最后用AZ5214专用显影液1Microposit 351：5H₂O或1AZ400K：4H₂O，在室温下显影50秒，只在待形成的栅堆上方留下AZ5214光学抗蚀剂，最后采用去离子水在室温下定影30秒，完成在AZ5214负性光学抗蚀剂中形成栅线条图形；采用光学光刻形成的AZ5214负性光学抗蚀剂栅线条的宽度为500nm至2000nm；

所述电子束光刻的具体工艺步骤包括：在栅电极材料表面涂敷一层厚度为500nm的SAL601负性电子抗蚀剂，对所涂敷的SAL601负性电子抗蚀剂用热板在105℃下前烘2分钟，接着采用电子束直写光刻系统按栅图形进行曝光，然后对曝光后的SAL601负性电子抗蚀剂用热板在105℃下后烘2分钟，接着采用MF CD-26显影液在室温下显影1至10分钟，再采用去离子水在室温下定影30秒，完成在SAL601负性电子抗蚀剂中形成栅线条图形；采用电子束光刻形成的SAL601负性电子抗蚀剂栅线条的宽度为20nm至500nm。

上述方案中，所述步骤F包括：将栅表面上覆盖的AZ5214负性光学抗蚀剂或者SAL601负性电子抗蚀剂栅线条图形作为掩模，采用高密度电感耦合等离子ICP刻蚀方法或者反应离子刻蚀RIE方法依次刻蚀栅电极材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层，再去胶，形成栅堆结构；所述去胶方法为湿法去胶，采用浓H₂SO₄+H₂O₂煮胶去胶。

上述方案中，所述步骤G包括：在表面涂敷一层厚度为1.5μm的AZ9912正性光学抗蚀剂，采用热板在100℃下前烘100秒，在光刻机上采用光刻掩模版掩蔽在栅线条两侧的源、漏区域进行曝光，然后用AZ9912专用显影液在室温下显影50秒，最后用去离子水在室温下定影30秒，完成在AZ9912正性光学抗蚀剂中形成源、漏区域图形；再向所形成的源、漏区域的硅衬底中注入P³¹⁺离子，注入能量为50keV，注入剂量为1×10¹⁸cm^-2，再在浓H₂SO₄+H₂O₂中煮胶去胶；然后在1100℃温度下在N₂气氛中快速退火10秒，从而在栅线条两侧硅衬底中形成源导电区和漏导电区。

上述方案中，步骤H中所述生长绝缘介质、光刻、腐蚀、蒸发金属、剥离、退火，形成源电极、漏电极和栅电极包括：

在表面淀积一层绝缘介质，材料包括：SiO₂、磷硅玻璃PSG或硼磷硅玻璃BPSG；然后在该绝缘介质层上涂敷一层厚度为1.5μm的AZ9912正性光学抗蚀剂，采用热板在100℃下前烘100秒、在光刻机上采用光刻掩模版掩蔽进行曝光；接下来用AZ9912正性光学抗蚀剂的专用显影液在室温下显影50秒；最后用去离子水在室温下定影30秒，完成在源、漏、栅上方形成接触孔图形；

利用AZ9912正性光学抗蚀剂图形作为掩模，采用氢氟酸缓冲液HF+NH₄F+H₂O在常温下腐蚀绝缘介质层；

在露出的源、漏、栅材料表面及未去除的AZ9912正性光学抗蚀剂上蒸发一层厚度小于AZ9912正性光学抗蚀剂厚度的Al-1％Si薄膜作为金属电极材料，所述Al-1％Si薄膜的厚度为1μm；

采用丙酮超声剥离AZ9912正性光学抗蚀剂及其上方蒸发的金属电极材料；

对剥离后剩余的金属电极材料进行退火处理形成源、漏、栅电极；所述对剥离后剩余的金属电极材料进行退火处理的条件为：在400℃温度下在N₂气氛中退火处理5分钟；然后在400℃温度下在N₂/H₂混合气体中退火20分钟；最后在400℃温度下在N₂气氛中退火5分钟。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，制作在体硅衬底上，不需要昂贵的衬底材料，既节约了成本，同时又有利于散热。

2、本发明提供的这种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，其结构和制作工艺十分简单，在硅衬底上依次生长或旋涂隧穿介质薄膜、金属纳米晶颗粒、控制栅介质薄膜、多晶硅或者金属栅电极材料薄膜后，利用光刻、刻蚀、源漏离子注入、退火等工艺即可制备出本发明所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器。

3、由于采用了金属纳米晶浮栅材料，可以提高存储器的存储性能，特别是数据保持特性、P/E速度、工作电压、耐受性等性能指标。

4、为了制备金属纳米晶颗粒，本发明采用了旋涂的方法，把含有金属纳米晶颗粒的溶胶液涂旋到衬底材料上，然后再通过加热的方法使得溶剂挥发，制备得到金属纳米晶颗粒薄膜。此步骤简单，方便的实现了金属纳米晶颗粒的制备，同时使得金属纳米晶颗粒的直径可控。

5、本发明提供的这种制作金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的方法，基于旋涂的方法实现，与常规的制备纳米晶浮栅非挥发性存储器比较，具有工艺灵活，设备简单，成本低廉，效率高，工艺稳定，并且制备的金属纳米晶颗粒直径可控，均匀性好，器件性能优良等诸多优点，有利于本发明的推广和应用。

6、各种金属纳米晶浮栅材料、介质层材料、栅电极材料均可采用旋涂、氧化、磁控溅射、电子束蒸发或化学气相沉积(CVD)这些传统方法制备，因此所需材料的制备工艺和制作存储器的完整工艺过程均与传统CMOS工艺完全兼容。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明提供的采用金属纳米晶颗粒制作的浮栅非挥发存储器的结构示意图；

图2是本发明提供的采用金属纳米晶颗粒制作浮栅非挥发存储器的制作方法的总体技术方案的实现流程图；

图3-1是在硅衬底上沉积一层隧穿介质层的示意图；

图3-2是在隧穿介质层上旋涂一层金属纳米晶颗粒作为浮栅层的示意图；

图3-3是在金属纳米晶浮栅层上沉积一层控制栅介质层的示意图；

图3-4是在控制栅介质层上沉积一层栅材料层的示意图；

图3-5是在栅材料表面涂敷一层负性抗蚀剂并前烘的示意图；

图3-6是对所涂敷的负性抗蚀剂进行曝光、显影和定影形成栅线条图形的示意图；

图3-7是利用负性抗蚀剂图形为掩模刻蚀栅材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层的示意图；

图3-8是去胶形成栅堆结构的示意图；

图3-9是在完成上述步骤的衬底表面涂敷一层正性光学抗蚀剂并前烘的示意图；

图3-10是对所涂敷的正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影和定影形成源、漏区域图形的示意图；

图3-11是对所形成的源、漏区域的硅衬底离子注入形成源、漏导电区的示意图；

图3-12是去胶并进行快速退火的示意图；

图3-13是在完成以上步骤后的结构表面淀积一层绝缘介质层的示意图；

图3-14是在绝缘介质层上涂敷一层正性光学抗蚀剂并前烘的示意图；

图3-15是对所涂敷的正性光学抗蚀剂进行曝光、显影和定影在源、漏、栅上方形成接触孔图形的示意图；

图3-16是利用正性光学抗蚀剂图形作为掩模在常温下腐蚀绝缘层薄膜露出源、漏、栅材料的示意图；

图3-17是在露出的源、漏、栅材料表面及未去除的正性光学抗蚀剂上蒸发一层Al-1％Si薄膜作为金属电极材料的示意图；

图3-18是剥离正性光学抗蚀剂及其上方蒸发的金属电极材料，并对剥离后剩余的金属电极材料进行退火处理形成源、漏、栅电极的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明提供的采用金属纳米晶颗粒制作的浮栅非挥发性存储器的结构示意图，该金属纳米晶浮栅非挥发性存储器包括：硅衬底1、位于硅衬底1上两端重掺杂的源导电区6和漏导电区7、源导电区6与漏导电区7之间的载流子沟道上覆盖的隧穿介质层2、覆盖在隧穿介质层上的金属纳米晶浮栅层3、覆盖在纳米晶浮栅层上的控制栅介质层4以及覆盖在控制栅介质层上的栅材料层5。

硅衬底1、隧穿介质层2、金属纳米晶浮栅层3、控制栅介质层4、栅材料层5构成栅堆结构，源导电区6和漏导电区7位于栅堆结构两侧的硅衬底1中。

其中，硅衬底1为p型，用于支撑整个金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，并用于形成整个金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的源导电区6、漏导电区7及源漏导电区之间的沟道；隧穿介质层2由SiO₂材料、Si₃N₄材料或高k材料如HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、La₂O₃、HfAlO、HfSiON和HfTaON等的任意一种或几种组合叠加制作而成；所述隧穿介质层2的厚度为2nm至20nm。

金属纳米晶浮栅层3用作电荷存储介质。所述金属纳米晶材料为W、Al、Ni、Co、Cr、Pt、Ru、Sn、Ti、Au和Ag金属中的任意一种。所述金属纳米晶的直径为1nm至10nm，密度为1×10¹¹cm^-2至1×10¹²cm^-2。

所述控制栅介质层4由SiO₂材料、Si₃N₄材料或高k材料制作而成，高k材料包括HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、La₂O₃、HfAlO、HfSiON、HfTaON中的任意一种；所述控制栅介质层4的厚度为10nm至50nm。

所述的栅材料层5采用多晶硅栅或金属栅，所述金属栅材料包括TaN、IrO₂或金属硅化物。

基于图1所示的采用金属纳米晶颗粒制作的浮栅非挥发性存储器的结构示意图，图2示出了本发明制作金属纳米晶浮栅非挥发存储器的总体技术方案的实现流程图，该方法包括以下步骤：

步骤201：在硅衬底上生长隧穿介质层；

步骤202：在隧穿介质层上旋涂金属纳米晶浮栅层；

步骤203：在金属纳米晶浮栅层上沉积SiO₂材料或Si₃N₄材料或高k材料的控制栅介质层；

步骤204：在控制栅介质层上沉积多晶硅材料或者金属材料的栅材料层；

步骤205：光刻，在栅材料层上的抗蚀剂中形成栅线条图形；

步骤206：以栅线条图形为掩模刻蚀栅材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层，形成栅堆结构；

步骤207：光刻、离子注入，在栅线条两侧硅衬底中形成源导电区和漏导电区；

步骤208：生长绝缘介质、光刻、腐蚀、蒸发金属、剥离、退火，形成源电极、漏电极和栅电极，并封装。

与上述步骤201所述在硅衬底上生长一层隧穿介质层对应的工艺流程如图3-1所示，图3-1为在硅衬底301上生长一层隧穿介质层302的示意图。步骤201中所述硅衬底为p型硅衬底；所述在硅衬底上生长一层隧穿介质层的目的是隔离硅衬底和用作电荷存储层的浮栅层；所述生长隧穿介质层的方法为磁控溅射、电子束蒸发、化学气相淀积CVD、原子层淀积ALD或脉冲激光沉积PLD；所述隧穿介质层的厚度为2nm至20nm。

与上述步骤202所述在隧穿介质层上旋涂一层金属纳米晶浮栅层对应的工艺流程如图3-2所示，图3-2为在隧穿介质层302上旋涂一层金属纳米晶颗粒303的示意图。步骤202中所述在隧穿介质层上旋涂一层金属纳米晶颗粒的目的是用作电荷存储介质。所述旋涂金属纳米晶浮栅层的方法为：在隧穿介质层上旋涂含有金属纳米晶颗粒的溶液，然后烘干去除溶剂，形成金属纳米晶颗粒。旋涂的转速根据溶液中金属纳米晶颗粒的浓度控制在500rpm至3000rpm。烘干处理采用热板加热的方法，热板温度控制在100℃，加热10分钟。

与上述步骤203所述在金属纳米晶浮栅层上沉积一层SiO₂材料或Si₃N₄材料或高k材料的控制栅介质层对应的工艺流程如图3-3所示，图3-3为在金属纳米晶颗粒303上沉积一层SiO₂材料或Si₃N₄材料或高k材料的控制栅介质层304的示意图。步骤203中所述在金属纳米晶浮栅层上沉积SiO₂材料或Si₃N₄材料或高k材料的控制栅介质层的方法为：利用化学气相淀积CVD、原子层沉积ALD、脉冲激光沉积PLD、电子束蒸发或磁控溅射；所述沉积的SiO₂材料或Si₃N₄材料或高k材料的控制栅介质层的厚度为10nm至50nm。

与上述步骤204所述在控制栅介质层上沉积一层栅材料层对应的工艺流程如图3-4所示，图3-4为在控制栅介质层304上沉积一层栅材料层305的示意图。步骤204中所述在控制栅介质层上沉积栅材料的方法为：用化学气相淀积CVD、原子层沉积ALD、脉冲激光沉积PLD、电子束蒸发或磁控溅射等方法在控制栅介质薄膜表面生长一层多晶硅或者金属薄膜；所述薄膜的厚度至少为100nm。

上述步骤205中所述光刻，在栅材料层上的抗蚀剂中形成栅线条图形还可以进一步包括：在栅材料表面涂敷一层抗蚀剂并前烘，对所涂敷的抗蚀剂进行曝光、显影和定影形成栅线条图形

与上述在栅材料表面涂敷一层抗蚀剂并前烘对应的工艺流程如图3-5所示，图3-5为在栅材料305表面涂敷一层抗蚀剂306并前烘的示意图。所述抗蚀剂306为：AZ5214负性光学抗蚀剂或SAL601负性电子抗蚀剂，所述AZ5214负性光学抗蚀剂的厚度为1.5μm，对应的前烘条件为：采用热板在100℃下烘烤100秒；所述SAL601负性电子抗蚀剂的厚度为500nm，对应的前烘条件为：采用热板在105℃温度下烘烤2分钟。

与上述对所涂敷的抗蚀剂进行曝光、显影和定影形成栅图形对应的工艺流程如图3-6所示，图3-6为对所涂敷的抗蚀剂306进行曝光、显影和定影形成栅线条图形307的示意图。光刻后形成的栅结构的线条宽度即栅长为20nm至2000nm。

所述对所涂敷的AZ5214负性光学抗蚀剂306进行曝光、显影和定影形成栅线条图形307的具体工艺步骤包括：对AZ5214负性光学抗蚀剂306利用光掩模版用光刻机按所设计的栅线条图形曝光30秒，然后用热板在115℃下烘烤70秒，接着泛曝(即不用光掩模版而直接裸曝)60秒，最后用AZ5214专用显影液(1Microposit 351：5H2O或1AZ400K：4H2O)在室温下显影50秒，只在待形成的栅堆上方留下AZ5214光学抗蚀剂，最后采用去离子水在室温下定影30秒，完成在AZ5214光学抗蚀剂中形成栅线条图形。采用光学光刻形成的AZ5214光学抗蚀剂栅线条图形的宽度为500nm至2000nm。

所述对所涂敷的SAL601负性电子束抗蚀剂306进行曝光、显影和定影形成栅线条图形307的具体工艺步骤包括：对SAL601负性电子抗蚀剂306采用电子束直写光刻系统按所设计的栅线条图形进行曝光，然后对曝光后的SAL601负性电子抗蚀剂用热板在105℃下后烘2分钟，接着采用MF CD-26显影液在室温下显影1至10分钟，最后采用去离子水在室温下定影30秒，完成在SAL601电子抗蚀剂中形成栅线条图形。采用电子束光刻形成的SAL601电子抗蚀剂栅线条图形的宽度为20nm至500nm。

上述步骤206中所述以栅线条图形为掩模刻蚀栅材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层，形成栅堆结构还可以进一步包括：利用抗蚀剂图形为掩模刻蚀栅材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层，去胶形成栅堆结构。

与上述利用抗蚀剂图形为掩模刻蚀栅材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层对应的工艺流程如图3-7所示，图3-7为利用抗蚀剂图形307为掩模刻蚀栅材料层305、控制栅介质层304、金属纳米晶浮栅层303及隧穿介质层302的示意图。图3-7中，308、309、310、311分别为被刻蚀后的隧穿介质层、金属纳米晶浮栅层、控制栅介质层、栅材料层。所述利用抗蚀剂图形为掩模刻蚀栅材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层形成栅堆结构的工艺过程包括：将栅表面上覆盖的AZ5214光学抗蚀剂或SAL601电子抗蚀剂栅线条图形作为掩模，采用CCl₄、BCl₃、CHF₃、SF₆、CF₂Cl₂等刻蚀气体采用高密度电感耦合等离子ICP刻蚀方法或反应离子刻蚀RIE方法或电子回旋共振ECR刻蚀方法依次刻蚀多晶硅或者金属栅材料层、SiO₂材料或者Si₃N₄材料或者高k材料控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层、SiO₂材料或者Si₃N₄材料或者高k材料或者这几种材料组合叠加构成的隧穿介质层。

与上述去胶形成栅堆结构对应的工艺流程如图3-8所示，图3-8为去除抗蚀剂307形成栅堆结构的示意图。所述去胶的方法为：湿法去胶，采用浓H₂SO₄+H₂O₂煮胶去胶。

上述步骤207中所述光刻、离子注入，在栅线条两侧硅衬底中形成源导电区和漏导电区还可以进一步包括：在表面涂敷一层AZ9912正性光学抗蚀剂并前烘；对所涂敷的AZ9912正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影和定影形成源、漏区域图形；对源、漏区域的硅衬底离子注入形成源、漏导电区；去胶，并快速退火。

与上述涂敷一层AZ9912正性光学抗蚀剂并前烘对应的工艺流程如图3-9所示，图3-9为涂敷一层AZ9912正性光学抗蚀剂312并前烘的示意图。所述所涂敷AZ9912正性光学抗蚀剂312的厚度为1.5μm；所述前烘的条件为：采用热板在100℃下前烘100秒。

与上述对所涂敷的AZ9912正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影和定影形成源、漏区域图形对应的工艺流程如图3-10所示，图3-10为对所涂敷的AZ9912正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影和定影形成源、漏区域图形的示意图。图3-10中，313为曝光后的AZ9912正性光学抗蚀剂，314、315分别为曝光形成的源、漏区域图形。所述对所涂敷的AZ9912正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影和定影的方法为：在光刻机上采用光刻掩模版掩蔽按所设计的在栅线条两侧的源、漏区域图形进行曝光，然后用AZ9912的专用显影液在室温下显影50秒，最后用去离子水在室温下定影30秒，完成在AZ9912正性光学抗蚀剂中形成源、漏区域图形。

与上述对所形成的源、漏区域的硅衬底离子注入形成源、漏导电区对应的工艺流程如图3-11所示，图3-11为对所形成的源、漏区域的硅衬底离子注入形成源、漏导电区的示意图。图3-11中，316、317分别为离子注入所形成的源、漏。所述对所形成的源、漏区域的硅衬底离子注入的具体条件为：向所形成的源、漏区域的硅衬底中注入P³¹⁺离子，注入能量为50keV，注入剂量为1×10¹⁸cm^-2。

与上述去胶、并快速退火对应的工艺流程如图3-12所示，图3-12为去除抗蚀剂313并快速退火的示意图。所述去胶的方法为：湿法去胶，即采用浓H₂SO₄+H₂O₂煮胶；所述快速退火的目的是激活杂质、减少缺陷，从而在栅线条两侧硅衬底中形成源、漏导电区；所述快速退火的具体条件为：在N₂气氛中在1100℃温度下快速退火10秒。

上述步骤208中所述生长绝缘介质、光刻、腐蚀、蒸发金属、剥离、退火，形成源电极、漏电极和栅电极，并封装还可以进一步包括：

淀积一层绝缘介质；

在绝缘介质层上涂敷一层AZ9912正性光学抗蚀剂并前烘；

对所涂敷的AZ9912正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影和定影，在源、漏、栅区域上方形成接触孔图形；

利用AZ9912正性光学抗蚀剂图形作为掩模在常温下腐蚀绝缘介质薄膜露出源、漏、栅材料；

在露出的源、漏、栅材料表面及未去除的AZ9912正性光学抗蚀剂上蒸发一层Al-1％Si薄膜作为金属电极材料；

剥离AZ9912正性光学抗蚀剂及其上方蒸发的金属电极材料，并对剥离后剩余的金属电极材料进行退火处理形成源、漏、栅电极。

与上述淀积一层绝缘介质层对应的工艺流程如图3-13所示，图3-13为淀积一层绝缘介质层318的示意图。所述绝缘介质材料包括SiO₂、磷硅玻璃PSG、硼磷硅玻璃BPSG等；所述绝缘介质的沉积方法为等离子增强化学气相淀积PECVD或低压化学气相淀积LPCVD。

与上述在绝缘介质上涂敷一层AZ9912正性光学抗蚀剂并前烘对应的工艺流程如图3-14所示，图3-14为涂敷AZ9912正性光学抗蚀剂319并前烘的示意图。所述AZ9912正性光学抗蚀剂的厚度为1.5μm，对所涂敷的AZ9912正性光学抗蚀剂进行前烘的条件为：采用热板在100℃下前烘100秒。

与上述在对所涂敷的AZ9912正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影、定影，在源、漏、栅上方形成接触孔图形对应的工艺流程如图3-15所示，图3-15为对所涂敷的AZ9912正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影和定影的示意图。图3-15中，320、321、322中分别为在栅、源、漏上方形成的接触孔图形。所述对所涂敷AZ9912正性光学抗蚀剂进行光学曝光、显影和定影的具体条件为：在光刻机上采用光刻掩模版掩蔽进行曝光，然后用AZ9912的专用显影液在室温下显影50秒，最后用去离子水在室温下定影30秒，完成在源、漏、栅上方形成接触孔图形。

与上述利用AZ9912正性光学抗蚀剂图形作为掩模在常温下腐蚀绝缘介质薄膜露出源、漏、栅材料对应的工艺流程如图3-16所示，图3-16为利用AZ9912正性光学抗蚀剂图形作为掩模在常温下腐蚀绝缘介质薄膜的示意图。图3-16中，323、324、325分别为腐蚀绝缘介质层薄膜后露出的栅、源、漏材料。所述腐蚀绝缘介质薄膜的方法为：利用AZ9912正性光学抗蚀剂图形作为掩模，采用氢氟酸缓冲液(HF+NH₄F+H₂O)在常温下腐蚀绝缘层薄膜。

与上述在露出的源、漏、栅材料表面及未去除的AZ9912正性光学抗蚀剂上蒸发一层Al-1％Si薄膜作为金属电极材料对应的工艺流程如图3-17所示，图3-17为在露出的源、漏、栅材料表面及未去除的AZ9912正性光学抗蚀剂上蒸发一层Al-1％Si薄膜326作为金属电极材料的示意图。所述Al-1％Si薄膜的厚度为1μm，该厚度应小于AZ9912正性光学抗蚀剂的厚度。

与上述剥离AZ9912正性光学抗蚀剂及其上方蒸发的金属电极材料，并对剥离后剩余的金属电极材料进行退火处理形成源、漏、栅电极对应的工艺流程如图3-18所示，图3-18为剥离并对对剩余的金属电极进行退火处理的示意图。图3-18中，327、328、329分别为剥离后形成的栅、源、漏电极。所述剥离的方法为：采用丙酮超声剥离AZ9912正性光学抗蚀剂及其上方蒸发的金属电极材料；所述退火处理的具体条件为：在400℃下在N₂气氛中退火处理5分钟；然后在400℃下在N₂/H₂混合气体中退火20分钟；最后在400℃下在N₂气氛中退火5分钟。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1、一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，其特征在于，该存储器包括：

硅衬底(1)、位于硅衬底(1)上两侧重掺杂的源导电区(6)和漏导电区(7)、源导电区(6)与漏导电区(7)之间的载流子沟道上覆盖的隧穿介质层(2)、覆盖在隧穿介质层(2)上的金属纳米晶浮栅层(3)、覆盖在金属纳米晶浮栅层(3)上的控制栅介质层(4)，以及覆盖在控制栅介质层(4)上的栅电极材料层(5)。

2、根据权利要求1所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，其特征在于，所述隧穿介质层(2)为SiO₂、Si₃N₄或高介电常数k材料中的一种或几种的组合叠加，高k材料包括HfO₂、Al₂O₃、ZrO₂、Ta₂O₅、La₂O₃、HfAlO、HfSiON和HfTaON中的任意一种；所述隧穿介质层(2)的厚度为2nm至20nm。

3、根据权利要求1所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，其特征在于，所述金属纳米晶浮栅层(3)中的金属纳米晶为金属W、Al、Ni、Co、Cr、Pt、Ru、Sn、Ti、Au和Ag中的任意一种，金属纳米晶的直径为1nm至10nm，密度为1×10¹¹cm^-2至1×10¹²cm^-2。

4、根据权利要求1所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，其特征在于，所述控制栅介质层(4)由SiO₂、Si₃N₄或高k材料制作而成，所述控制栅介质层(4)的厚度为10nm至50nm。

5、根据权利要求1所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器，其特征在于，所述的栅电极材料层(5)采用多晶硅栅，或者采用金属栅，所述金属栅包括TaN、IrO₂或金属硅化物；所述沉积的多晶硅材料或者金属材料的栅电极材料层的厚度为100nm。

6、一种金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，该方法包括：

A、在硅衬底上生长隧穿介质层；

B、在隧穿介质层上采用旋涂法制备金属纳米晶浮栅层；

C、在金属纳米晶浮栅层上沉积控制栅介质层；

D、在控制栅介质层上沉积多晶硅材料或者金属材料的栅电极材料层；

E、光刻，在栅电极材料层上的抗蚀剂中形成栅线条图形；

F、以栅线条图形为掩模刻蚀栅电极材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层，形成栅堆结构；

G、光刻、离子注入，在栅线条两侧硅衬底中形成源导电区和漏导电区；

H、生长绝缘介质、光刻、腐蚀、蒸发金属、剥离、退火，形成源电极、漏电极和栅电极，并封装。

7、根据权利要求6所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，步骤A中所述生长隧穿介质层的步骤包括：

热氧化、化学气相淀积CVD、原子层沉积ALD、脉冲激光沉积PLD、电子束蒸发或者磁控溅射。

8、根据权利要求6所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，步骤B中所述采用旋涂法制备金属纳米晶浮栅层的步骤包括：

在衬底上旋涂含有金属纳米晶颗粒的溶液，然后烘干去除溶剂，形成金属纳米晶颗粒；旋涂的转速根据溶液中金属纳米晶颗粒的浓度控制在500转/分钟至3000转/分钟；烘干处理采用热板加热的方法，热板温度控制在100℃，加热10分钟。

9、根据权利要求6所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，步骤C中所述沉积控制栅介质层的步骤采用化学气相淀积CVD、原子层沉积ALD、电子束蒸发或者磁控溅射。

10、根据权利要求6所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，步骤D中所述沉积栅电极材料层的步骤采用化学气相淀积CVD、原子层沉积ALD、脉冲激光沉积PLD、电子束蒸发或者磁控溅射。

11、根据权利要求6所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，步骤E中所述光刻为光学光刻或者电子束光刻，光刻后形成的栅线条图形的宽度即栅长为20nm至2000nm；

所述光学光刻的具体工艺步骤包括：在栅电极材料层表面涂敷一层厚度为1.5μm的AZ5214负性光学抗蚀剂，对所涂敷的AZ5214负性光学抗蚀剂采用热板在100℃下前烘100秒，接着对光学抗蚀剂AZ5214采用光刻机利用光掩模版按所设计的栅图形进行30秒的曝光，然后用热板在115℃下烘烤70秒，接着泛曝，不用光掩模版而直接裸曝60秒，最后用AZ5214专用显影液1Microposit 351：5H₂O或1AZ400K：4H₂O，在室温下显影50秒，只在待形成的栅堆上方留下AZ5214光学抗蚀剂，最后采用去离子水在室温下定影30秒，完成在AZ5214负性光学抗蚀剂中形成栅线条图形；采用光学光刻形成的AZ5214负性光学抗蚀剂栅线条的宽度为500nm至2000nm；

所述电子束光刻的具体工艺步骤包括：在栅电极材料表面涂敷一层厚度为500nm的SAL601负性电子抗蚀剂，对所涂敷的SAL601负性电子抗蚀剂用热板在105℃下前烘2分钟，接着采用电子束直写光刻系统按栅图形进行曝光，然后对曝光后的SAL601负性电子抗蚀剂用热板在105℃下后烘2分钟，接着采用MF CD-26显影液在室温下显影1至10分钟，再采用去离子水在室温下定影30秒，完成在SAL601负性电子抗蚀剂中形成栅线条图形；采用电子束光刻形成的SAL601负性电子抗蚀剂栅线条的宽度为20nm至500nm。

12、根据权利要求6所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤F包括：

将栅表面上覆盖的AZ5214负性光学抗蚀剂或者SAL601负性电子抗蚀剂栅线条图形作为掩模，采用高密度电感耦合等离子ICP刻蚀方法或者反应离子刻蚀RIE方法依次刻蚀栅电极材料层、控制栅介质层、金属纳米晶浮栅层及隧穿介质层，再去胶，形成栅堆结构；所述去胶方法为湿法去胶，采用浓H₂SO₄+H₂O₂煮胶去胶。

13、根据权利要求6所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，所述步骤G包括：

在表面涂敷一层厚度为1.5μm的AZ9912正性光学抗蚀剂，采用热板在100℃下前烘100秒，在光刻机上采用光刻掩模版掩蔽在栅线条两侧的源、漏区域进行曝光，然后用AZ9912专用显影液在室温下显影50秒，最后用去离子水在室温下定影30秒，完成在AZ9912正性光学抗蚀剂中形成源、漏区域图形；再向所形成的源、漏区域的硅衬底中注入P³¹⁺离子，注入能量为50keV，注入剂量为1×10¹⁸cm^-2，再在浓H₂SO₄+H₂O₂中煮胶去胶；然后在1100℃温度下在N₂气氛中快速退火10秒，从而在栅线条两侧硅衬底中形成源导电区和漏导电区。

14、根据权利要求6所述的金属纳米晶浮栅非挥发性存储器的制作方法，其特征在于，步骤H中所述生长绝缘介质、光刻、腐蚀、蒸发金属、剥离、退火，形成源电极、漏电极和栅电极包括：

在表面淀积一层绝缘介质，材料包括：SiO₂、磷硅玻璃PSG或硼磷硅玻璃BPSG；然后在该绝缘介质层上涂敷一层厚度为1.5μm的AZ9912正性光学抗蚀剂，采用热板在100℃下前烘100秒、在光刻机上采用光刻掩模版掩蔽进行曝光；接下来用AZ9912正性光学抗蚀剂的专用显影液在室温下显影50秒；最后用去离子水在室温下定影30秒，完成在源、漏、栅上方形成接触孔图形；

利用AZ9912正性光学抗蚀剂图形作为掩模，采用氢氟酸缓冲液HF+NH₄F+H₂O在常温下腐蚀绝缘介质层；

在露出的源、漏、栅材料表面及未去除的AZ9912正性光学抗蚀剂上蒸发一层厚度小于AZ9912正性光学抗蚀剂厚度的Al-1％Si薄膜作为金属电极材料，所述Al-1％Si薄膜的厚度为1μm；

采用丙酮超声剥离AZ9912正性光学抗蚀剂及其上方蒸发的金属电极材料；

对剥离后剩余的金属电极材料进行退火处理形成源、漏、栅电极；所述对剥离后剩余的金属电极材料进行退火处理的条件为：在400℃温度下在N₂气氛中退火处理5分钟；然后在400℃温度下在N₂/H₂混合气体中退火20分钟；最后在400℃温度下在N₂气氛中退火5分钟。

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