CN102168268A

CN102168268A - 一种金属纳米晶的制备方法

Info

Publication number: CN102168268A
Application number: CN 201110049373
Authority: CN
Inventors: 丁士进; 陈红兵
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明属于半导体存储器技术领域，具体涉及一种金属纳米晶的制备方法。本发明方法，具体包括：（1）对单晶硅片进行标准化清洗；（2）在单晶硅衬底上生长一层绝缘介质薄膜；（3）在绝缘介质薄膜上淀积一层超薄金属层；（4）在超薄金属层上淀积一层超薄绝缘介质薄膜；（5）在真空或惰性气氛中，高温退火处理。此制备方法与现行CMOS工艺兼容，操作简单，可控性较好，能够获得密度高达10¹²cm^-2数量级的金属纳米晶。制备的金属纳米晶适用于金属纳米晶闪存器件。

Description

一种金属纳米晶的制备方法

技术领域

本发明属于半导体存储器技术领域，具体涉及一种金属纳米晶的制备方法，适用于金属纳米晶快闪存储器件。

背景技术

在纳米晶非挥发存储器领域，主要有半导体纳米晶和金属纳米晶两类存储器，其中金属纳米晶由于其在费米能级附近具有更高的态密度、与沟道有更好的耦合作用、金属功函数可选择范围大等优点而备受青睐[1]。而高密度金属纳米晶的获得是制备高性能金属纳米晶存储器的关键。因此，本发明提供一种制备高密度金属纳米晶的方法，该技术与传统的存储器制造工艺相兼容。并且，制备过程中所涉及到的热工艺温度相对较低，可控性好，成本较低，产品良率较高。

参考文献：

[1] Z. Liu, C. Lee, V. Narayanan, G. Pei, E. C. Kan, “Metal nanocrystal memoriesⅠ: Device design and fabrication”, IEEE Trans. Elec. Dev. 49, 9 (2002).。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与传统的存储器制造工艺相兼容，并且，可控性好、成本低、产品良率的制备金属纳米晶的方法。

本发明提出的制备金属纳米晶的方法，是在高介电常数介质（如Al₂O₃、La₂O₃等）或者二氧化硅（SiO₂）薄膜表面生长高密度金属纳米晶的制备方法。具体通过依次淀积金属和介质薄膜，然后进行后退火处理，在相对较低的温度条件下，获得高密度金属纳米晶。本发明中所有工艺步骤与标准CMOS工艺相兼容，不需要引入新的设备，因此可确保存储器的低制造成本。

本发明提出的在高介电常数介质薄膜或者二氧化硅薄膜表面淀积高密度金属纳米晶的制备方法，具体步骤如下：

1、对单晶硅片进行清洗（一般为标准清洗），并利用稀氢氟酸去除残留的自然氧化层。

2、在清洗后的单晶硅片上生长一层绝缘介质层。例如可采用原子层淀积（ALD）生长的高介电常数介质层（如Al₂O₃，HfO₂，La₂O₃等），或采用热氧化的方法生长一层SiO₂薄膜。也可以是由它们之中的任两种或三种不同材料组成的叠层。在单晶硅片表面生长的绝缘介质薄膜的厚度为4～10纳米。

3、在上述介质薄膜上面淀积一层金属薄膜。该金属薄膜可以是Ru，Pd，或Co等单一金属材料，或者是PtFe或FeNi等合金材料。该金属薄膜的厚度为2～3纳米。

4、接着在上述金属薄膜表面淀积一层超薄介质层。该介质层可以是ALD生长的高介电常数介质薄膜，如Al₂O₃，La₂O₃等；或者是溅射生长的SiO₂薄膜；或者是化学气相淀积的氮化硅薄膜。该超薄介质层的厚度为1～3纳米。

5、对所得样品进行热退火处理，以形成一定大小和形状的纳米晶颗粒。退火条件是真空或者惰性氛围。

本发明具有以下优点：

1）本发明绝缘介质层上淀积初始金属薄膜，通过控制薄膜的初始厚度、淀积后热退火的温度和时间，从而可以控制纳米晶的尺寸和密度，操作方便简单。

2）本发明采用的工艺技术可以保证薄膜的均匀性，能得到均匀的金属纳米晶，不会引入污染，所有工艺步骤和现行的CMOS工艺兼容。

3）本发明在金属薄膜上接着淀积一层非常薄的绝缘介质层，再热退火样品，最大限度上降低样品被沾污和氧化。

附图说明

图1：在单晶硅衬底上淀积一层绝缘介质层。

图2：在绝缘介质层上淀积一层金属薄膜。

图3：在金属薄膜上淀积一层超薄绝缘介质层。

图4：对样品进行退火后，得到的金属纳米晶。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详尽的说明。

步骤1：参照图1，在衬底200上淀积一层201作为电荷遂穿层，其中200是单晶硅片；201是SiO₂薄膜，采用湿法氧化生长，生长温度800⁰C，厚度为5nm。

步骤2：参照图2，在201上生长一层202，其中202是铁铂金属薄膜；厚度为3纳米，采用磁控溅射的方法生长，溅射时间为372秒。磁控溅射所用靶材为铁铂合金靶（FePt），溅射气体为氩气（Ar），淀积前腔体内气压为3.8×10^-6帕。溅射过程中，氩气的流量控制在8sccm，腔内工作气压为1.2帕。铁铂靶上所加载的射频功率控制在50瓦，衬底温度控制在20⁰C～25⁰C范围内，衬底转速为8rpm；

步骤3：参照图3，在202上磁控溅射一层203，其中203是SiO₂薄膜，厚度为1纳米。

步骤4：参照图4，对所得样品进行热退火，形成204，其中204是铁铂纳米晶，退火条件为真空条件下，温度为700⁰C，时间为1小时。基于上述工艺，可以获得平均直径2.2 纳米、密度为5.4×10¹² cm^-2的铁铂纳米晶。

Claims

1.一种金属纳米晶的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）对单晶硅片进行清洗；

（2）在单晶硅衬底上生长一层绝缘介质薄膜；

（3）在绝缘介质薄膜上淀积一层超薄金属层；

（4）在超薄金属层上淀积一层超薄绝缘介质薄膜；

（5）在真空或惰性气氛中，高温退火处理。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述单晶硅衬底上的绝缘介质薄膜材料为SiO₂，或者为高介电常数介质：Al₂O₃、HfO₂或La₂O₃，或者为由它们之中的任两种或三种不同材料组成的叠层；该绝缘介质薄膜的总厚度为3～8纳米。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于所述超薄金属层的材料是单一金属：Ru、Pd或Ni，或者是多元金属：PtFe或CoNi；该超薄金属层的厚度为2～3纳米。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述超薄金属层上的超薄绝缘介质薄膜材料为氧化硅或氮化硅，或者为高介电常数材料：Al₂O₃、HfO₂或La₂O₃；该超薄介质薄膜的厚度为1～3纳米。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于高温退火的惰性气氛为氮气或氩气。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述在单晶硅衬底上生长绝缘介质薄膜，是采用高温快速热氧化生长SiO₂薄膜，采用原子层淀积生长高介电常数介质层：Al₂O₃、HfO₂或La₂O₃。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述超薄金属层生长采用物理气相淀积方法，或原子层淀积生长方法。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述超薄金属层上的超薄绝缘介质薄膜通过反应溅射，或化学气相沉积，或原子层淀积得到。