CN102117810A - 一种电荷俘获型非易失存储器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电荷俘获型非易失存储器及其制作方法。该存储器包括：硅衬底；在硅衬底上重掺杂的源导电区和漏导电区；在源导电区和漏导电区之间载流子沟道上覆盖的由SiO2材料构成的隧穿介质层；在隧穿介质层上覆盖的具有锥形能带结构的HfAlO高K材料俘获介质层；在俘获介质层上覆盖的由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层；以及在控制栅介质层上覆盖的栅材料层。利用本发明，有效地提高了电荷俘获型非易失存储器的电荷保持特性，并且有益于增大存储窗口，提高擦写速度，综合改善了其存储性能，为器件的进一步缩小奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及纳米电子器件及纳米加工技术领域，尤其涉及一种采用能带结构渐变的俘获介质层提高器件性能的电荷俘获型非易失存储器及其制作方法。
背景技术
非挥发性存储器的主要特点是在不加电的情况下也能够长期保持存储的信息，它既有只读存储器(ROM)的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗较小。随着多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，非挥发性存储器，特别是闪速存储器(Flash)，所占半导体器件的市场份额变得越来越大，成为一种非常重要的存储器类型。
传统的Flash存储器是采用多晶硅薄膜浮栅结构的硅基非挥发存储器，其局限主要与器件隧穿介质层(一般是氧化层)的厚度有关：一方面要求隧穿介质层比较薄，以实现快速有效的P/E操作，另一方面要求具备较好的数据保持性能以保持电荷存储十年以上。出于折衷的考虑，隧穿介质层的厚度约为9～11nm。在器件制作工艺节点由1μm降到0.13μm的过程中，此厚度几乎没有变动。为了克服这一缺点，电荷俘获存储结构的非挥发性存储器被提出，并获得了广泛的研究，它以Si3N4层作为电荷存储介质，具有极少量电子操作、器件尺寸小、编程速度快、功耗小、操作电压低的优点，并且兼容于硅基微电子工艺。
然而，电荷俘获存储器(CTM)存在一个主要的技术难点是其保持特性与擦除速度的矛盾。为了使器件具有优良的保持特性(大于10年)，要求俘获介质层的导带位置较低。而当前主流电荷俘获存储器采用的俘获介质层Si3N4与SiO2隧穿介质层带隙差仅为1.1ev，很难获得较好的保持特性。
因此，寻找能带结构更为优化的存储材料及栅介质体系成为电荷俘获存储器(CTM)进一步发展的关键。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有电荷俘获存储器中俘获介质层材料的能带结构导致器件较差保持能力的问题，本发明的主要目的在于提供一种电荷俘获型非易失存储器及其制作方法，以提高电荷俘获存储器件的电荷保持特性，同时不牺牲器件其他方面的性能。
(二)技术方案
为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种电荷俘获型非易失存储器，该存储器包括：
硅衬底1；
在硅衬底1上重掺杂的源导电区6和漏导电区7；
在源导电区6和漏导电区7之间载流子沟道上覆盖的由SiO2材料构成的隧穿介质层2；
在隧穿介质层2上覆盖的具有锥形能带结构的HfAlO高K材料俘获介质层3；
在俘获介质层3上覆盖的由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层4；以及
在控制栅介质层4上覆盖的栅材料层5。
上述方案中，所述HfAlO高K材料俘获介质层3采用Hf靶和Al靶在O2气氛中反应溅射的方法淀积生长，通过溅射过程中改变Hf靶和Al靶的溅射功率，实现HfAlO薄膜自上而下的渐变组分结构。
为达到上述目的的另一个方面，本发明提供了一种电荷俘获型非易失存储器的制作方法，该方法包括：
A、在硅衬底上生长一层SiO2材料的隧穿介质层；
B、在SiO2隧穿介质层上生长自下而上能带逐渐变宽的HfAlO高k材料俘获介质层；
C、在俘获介质层上沉积由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层。
上述方案中，步骤A中所述生长SiO2材料的隧穿介质层的方法为：热氧化、原子层沉积ALD、化学气相淀积CVD；所述SiO2材料的隧穿介质层的厚度为3nm至5nm。
上述方案中，步骤B中所述生长HfAlO高k材料俘获介质层的方法为反应磁控溅射，所述HfAlO高k材料俘获介质层的厚度为5nm至15nm。
上述方案中，步骤C中所述沉积由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层的方法为：原子层沉积ALD或者磁控溅射；所述沉积的Al2O3控制栅介质层的厚度为15nm至30nm。
上述方案中，该方法在步骤C之后进一步包括：在控制栅介质层上形成栅电极和源、漏，完成电荷俘获型非易失存储器的制作。
(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、利用本发明，器件的加工工艺与传统CMOS工艺兼容。
2、本发明提出的非易失存储器采用能带渐变的HfAlO高k材料俘获介质层，可以有效降低电荷泄漏几率，不采用额外手段提高器件的保持性能，并且有益于增大存储窗口，提高擦写速度，综合改善了器件的存储特性，并为电荷俘获存储器件的进一步缩小奠定了基础。
附图说明
图1是本发明提供的非易失存储器的基本结构示意图；
图2是本发明提供的制作非易失存储器的工艺流程图；
图3是说明HfAlO介质能带结构随材料组分的变化规律；
图4是依照本发明实施例的非易失存储器的能带结构示意图。
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。
如图1所示，图1是本发明提供的非易失存储器的基本结构示意图，该存储器包括：硅衬底1；在硅衬底1上重掺杂的源导电区6和漏导电区7；在源导电区6和漏导电区7之间载流子沟道上覆盖的由SiO2材料构成的隧穿介质层2；在隧穿介质层2上覆盖的具有锥形能带结构的HfAlO高K材料俘获介质层3；在俘获介质层3上覆盖的由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层4；以及在控制栅介质层4上覆盖的栅材料层5。
其中，HfAlO高K材料俘获介质层3采用Hf靶和Al靶在O2气氛中反应溅射的方法淀积生长，通过溅射过程中改变Hf靶和Al靶的溅射功率，实现HfAlO薄膜自上而下的渐变组分结构。
基于图1所示的非易失存储器的基本结构示意图，图2示出了本发明提供的制作非易失存储器的工艺流程图，包括以下步骤：
步骤201：在硅衬底上生长一层SiO2材料的隧穿介质层；
在本步骤中，生长SiO2材料的隧穿介质层的方法为：热氧化、原子层沉积ALD、化学气相淀积CVD；所述SiO2材料的隧穿介质层的厚度为3nm至5nm。
步骤202：在SiO2隧穿介质层上生长自下而上能带逐渐变宽的HfAlO高k材料俘获介质层；
在本步骤中，生长HfAlO高k材料俘获介质层的方法为反应磁控溅射，所述HfAlO高k材料俘获介质层的厚度为5nm至15nm。
步骤203：在俘获介质层上沉积由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层；
在本步骤中，沉积由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层的方法为：原子层沉积ALD或者磁控溅射；所述沉积的Al2O3控制栅介质层的厚度为15nm至30nm。
步骤204：在控制栅介质层上形成栅电极和源、漏，完成电荷俘获型非易失存储器的制作。
在本发明的一个实施例中，首先在硅衬底上用950℃干氧的条件生长4.8nm SiO2隧穿介质层；在SiO2隧穿介质上生长采用射频磁控溅射的方法淀积第一层HfAlO俘获介质层，厚度为15nm；生长方法为：金属Hf靶和金属Al靶在氧气气氛中共同进行反应溅射，溅射过程中逐渐减小金属Hf靶的溅射功率，并逐渐提高金属Al靶的溅射功率，使得靠近SiO2隧穿介质层的薄膜组分为富Hf的HfAlO，而靠近Al2O3阻挡层的薄膜组分为富Al的HfAlO。随着薄膜中自下而上Hf组分的降低(Al组分升高)，HfAlO介质的能带将由窄变宽。HfAlO介质能带结构随材料组分的变化规律如图3所示。在俘获介质层上采用原子层淀积的方式(温度为250℃)沉积高k材料Al2O3控制栅介质层，所述Al2O3控制栅介质层厚度为15nm。
图4示出了依照本发明实施例的非易失存储器的能带结构示意图，由于靠近SiO2隧穿介质层的HfAlO导带位置较低，可以减低电子隧穿回衬底的几率，从而使器件的电荷保持特性得到提高。
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 (7)
1.一种电荷俘获型非易失存储器，其特征在于，该存储器包括：
硅衬底(1)；
在硅衬底(1)上重掺杂的源导电区(6)和漏导电区(7)；
在源导电区(6)和漏导电区(7)之间载流子沟道上覆盖的由SiO2材料构成的隧穿介质层(2)；
在隧穿介质层(2)上覆盖的具有锥形能带结构的HfAlO高K材料俘获介质层(3)；
在俘获介质层(3)上覆盖的由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层(4)；以及
在控制栅介质层(4)上覆盖的栅材料层(5)。
2.根据权利要求1所述的电荷俘获型非易失存储器，其特征在于，所述HfAlO高K材料俘获介质层(3)采用Hf靶和Al靶在O2气氛中反应溅射的方法淀积生长，通过溅射过程中改变Hf靶和Al靶的溅射功率，实现HfAlO薄膜自上而下的渐变组分结构。
3.一种电荷俘获型非易失存储器的制作方法，其特征在于，该方法包括：
A、在硅衬底上生长一层SiO2材料的隧穿介质层；
B、在SiO2隧穿介质层上生长自下而上能带逐渐变宽的HfAlO高k材料俘获介质层；
C、在俘获介质层上沉积由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层。
4.根据权利要求3所述的电荷俘获型非易失存储器的制作方法，其特征在于，步骤A中所述生长SiO2材料的隧穿介质层的方法为：热氧化、原子层沉积ALD、化学气相淀积CVD；所述SiO2材料的隧穿介质层的厚度为3nm至5nm。
5.根据权利要求3所述的电荷俘获型非易失存储器的制作方法，其特征在于，步骤B中所述生长HfAlO高k材料俘获介质层的方法为反应磁控溅射，所述HfAlO高k材料俘获介质层的厚度为5nm至15nm。
6.根据权利要求3所述的电荷俘获型非易失存储器的制作方法，其特征在于，步骤C中所述沉积由高k材料Al2O3构成的控制栅介质层的方法为：原子层沉积ALD或者磁控溅射；所述沉积的Al2O3控制栅介质层的厚度为15nm至30nm。
7.根据权利要求3所述的电荷俘获型非易失存储器的制作方法，其特征在于，该方法在步骤C之后进一步包括：
在控制栅介质层上形成栅电极和源、漏，完成电荷俘获型非易失存储器的制作。
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