CN101916825A - 一种聚合物基的纳米晶存储器电容及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于半导体存储器的制造技术领域，具体为一种聚合物基的纳米晶存储器电容及其制作方法。本发明以酞菁铜聚合物薄膜中嵌入锑纳米晶作为非挥发存储器中的电荷存储部分，具体包括半导体硅衬底、硅衬底上的无机介质层、第一层酞菁铜聚合物薄膜、锑纳米晶、第二层酞菁铜聚合物薄膜、金属电极。其中，无机介质层和第一层酞菁铜聚合物薄膜作为电荷隧穿层，锑纳米晶作为电荷电荷存储中心，第二层聚合物薄膜为电荷阻挡层。

Description

一种聚合物基的纳米晶存储器电容及其制作方法
技术领域
本发明属于半导体存储器制造技术领域，具体涉及一种有机聚合物材料和无机材料构成的存储器电容。
技术背景
随着存储器在通信、消费领域、计算机领域的普遍应用，以多晶硅作为浮栅的快速闪存（Flash）已成为占据一定市场份额的存储器芯片产品。但是半导体工业的进一步按比例缩小对纳米级厚度的隧穿氧化层的质量提出了极大的挑战。采用纳米晶作为电荷存储单元可以解决传统多晶硅浮栅存储器在尺寸进一步缩小情况下遇到的隧穿氧化层减薄和数据保持能力退化的两难处境[1]。纳米晶存储器的优点在于电荷存储在分立的纳米晶中，同时纳米晶之间被绝缘介质隔离。因而，隧穿氧化层中单一的电荷泄漏通道只能导致某一个或其附近的纳米晶存储电荷的流失，而不影响其它纳米晶的存储电荷。此外，金属纳米晶在费米能级附近有较高的态密度、与导电沟道有较强的耦合、功函数选择范围更大、载流子限制效应引起的能量扰动小等优势[2]，因此具有很好的应用前景。
另一方面，作为有机电子学的一个新型方向，聚合物存储器已成为一个新的研究热点。然而，大量有关聚合物存储器的报道主要集中在金属/聚合物/金属以及金属/聚合物和纳米晶混合层/金属两种结构上[3、4]。Kolliopoulou[5]等人将绝缘体有机物引入无机纳米晶存储器体系替代控制层的位置，制备了混合的硅-有机纳米晶存储器件，但是此器件的控制层并未被有机物替代。
因此，本发明结合上述思想和纳米晶电容，提出了一种半导体聚合物基的金属纳米晶存储器电容结构及其制备方法，旨在提供一种低成本和与硅基工艺兼容的混合硅-有机存储器或者全有机存储器。
参考文献
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[5]   S. Kolliopouou, P. Dimitrakis, P. Normnd, H.L. Zhang, N. Cant, M.C. Petty, D. Tsoukalas, “Hybrid silicon-organic nanoparticle memory device”, Journal of Applied Physcis, 2003, Vol.94. No.8, pp.5234-5239。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低的聚合物基的纳米晶存储器电容及其制备方法。
本发明提供的聚合物基的纳米晶存储器电容，其结构依次包括半导体硅衬底、硅衬底上的无机介质层、第一层酞菁铜聚合物薄膜、锑纳米晶、第二层酞菁铜聚合物薄膜、金属电极。其中，无机介质层和第一层酞菁铜聚合物薄膜作为电 荷隧穿层，锑纳米晶作为电荷电荷存储中心，第二层聚合物薄膜为电荷阻挡层。                 
本发明中，所述的第一层酞菁铜聚合物薄膜和锑纳米晶可以为重复多层。
本发明中，所述的无机介质层材料为SiO2、SiON或Al2O3。 
本发明提供的聚合物基的纳米晶存储器电容的制备步骤如下： 
1、p型（100）单晶硅片经过RCA清洗后，生长一层无机介质层，厚度为3－5纳米；
2、将生长有无机介质层的单晶硅片放入热蒸发腔内，腔内基压为1-3×10-5毫巴。通过热蒸发技术，沉积厚度为5-10纳米的酞菁铜聚合物薄膜（第一层）。紧接着，热蒸发沉积厚度为1-3纳米的金属锑，锑纳米晶可以自组装形成；
3、如果需要引入多层纳米晶，需要重复步骤（2）多次；
4、通过热蒸发，沉积厚度为10-30纳米的酞菁铜聚合物薄膜（第二层），作为电荷阻挡层；
5、通过热蒸发，沉积一层金属铝，作为电极。
本发明中，所述在硅片上生长无机介质层，通过热氧化方法生长一层SiO2薄膜或SiON薄膜，或通过原子层淀积方法生长一层Al2O3薄膜等。
本发明所述的聚合物薄膜，除了酞菁铜聚合物外，还可以是其它类型的绝缘体或半导体聚合物。
本发明具有以下优点：
1、本发明中纳米晶存储器电容的制备不用打破真空氛围，避免了很多不可控因素对器件的影响。
2、本发明中纳米晶的层数可以通过交替蒸发聚合物和金属的次数控制，工艺简单。
3、本发明中聚合物的可选择性强，可以为半导体类型或绝缘体类型的聚合物。此外，本发明甚至可以将聚合物薄膜与无机高介电常数介质薄膜结合起来，应用于纳米晶存储器。从而提供提供一种成本低，且与硅基工艺兼容的混合硅-有机存储器或者全有机存储器。
附图说明
图1、在硅片上热蒸发酞菁铜膜后的表面原子力显微照片。
图2、在酞菁铜薄膜上形成的金属锑纳米晶的表面原子力显微照片。
图3、嵌有金属锑纳米晶的有机MOS电容器的电容电压曲线。其中，（a）、（b）、（c）分别表示1 MHz、3 MHz和5 MHz频率下的情形。
具体实施方式
实施例1：
将带有2纳米SiO2薄膜的P型硅衬底进行清洗，依次经过：5分钟丙酮的超声清洗、5分钟酒精的超声清洗和5分钟去离子水的超声清洗。然后，将清洗后的硅片放入热蒸发腔中，腔内基压为1-3×10-5毫巴。此时，通过热蒸发技术沉积厚度为8纳米的酞菁铜薄膜，紧接着热蒸发沉积厚度为3纳米的金属锑，接着又热蒸发沉积厚度为24纳米的酞菁铜薄膜。最后蒸发金属铝作为上电极。
图1是在硅片上热蒸发酞菁铜膜后的表面原子力显微照片，图2是在酞菁铜膜表面热蒸发淀积金属锑后的表面原子力显微镜照片。通过比较发现，金属锑是以分离的纳米晶形式存在，垂直高度主要集中在10～25纳米范围内。图3是嵌有金属锑纳米晶的有机MOS电容器的电容－电压曲线。在1 MHz、3 MHz和5 MHz频率下该电容器均表现出显著的滞回窗口，且随着扫描电压范围增大而增大。这表明了该有机－锑纳米晶复合结构具有明显的电荷存储特性。

Claims (6)

1.一种聚合物基的纳米晶存储器电容，其特征在于依次为：半导体硅衬底、硅衬底上的无机介质层、第一层酞菁铜聚合物薄膜、锑纳米晶、第二层酞菁铜聚合物薄膜、金属电极；其中，无机介质层和第一层酞菁铜聚合物薄膜作为电荷隧穿层，锑纳米晶作为电荷存储中心，第二层聚合物薄膜作为电荷阻挡层。
2.根据权利要求1所述的聚合物基的纳米晶存储器电容，其特征在于所述的第一层酞菁铜聚合物薄膜和锑纳米晶为重复多层。
3.根据权利要求1或2所述的聚合物基的纳米晶存储器电容，其特征在于所述的无机介质层材料为SiO2、SiON或Al2O3。
4.如权利要求1所述的聚合物基的纳米晶存储器电容的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
（1）以p型（100）单晶硅片为衬底，生长一无机介质层，厚度为3－5纳米；
（2）将生长有无机介质层的单晶硅片放入热蒸发腔内，腔内基压为1×10-5-3×10-5毫巴，通过热蒸发，沉积厚度为5-10纳米的第一层酞菁铜聚合物薄膜；紧接着，热蒸发沉积厚度为1-3纳米的金属锑，锑纳米晶自组装形成；
（3）通过热蒸发，沉积厚度为10-30纳米的第二层酞菁铜聚合物薄膜，作为电荷阻挡层；
（4）通过热蒸发，沉积一层金属铝，作为电极。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤（2）中，热蒸发沉积第一层酞菁铜聚合物薄膜和热蒸发沉积金属锑，重复多次。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述的无机介质层材料为SiO2、SiON或Al2O3。
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