CN103247629B - 一种非易失性存储器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非易失性存储器及其制备方法，该存储器包括：硅衬底；在该硅衬底上重掺杂的源区和漏区；在该源区和漏区之间载流子沟道上形成的栅介质层；以及在该栅介质层之上形成的栅电极。其中栅介质层由在该硅衬底沟道之上依次形成的隧穿氧化层、电荷存储层和电荷阻挡层构成，且该电荷存储层为金属纳米晶存储层。本发明提供的非易失性存储器及其制备方法，综合了高k材料和核壳型纳米晶的优点，该存储器具有高速低压，优良的保持特性和疲劳特性，可以有效提高器件的性能，具有工艺灵活，设备简单，成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明涉及微电子及存储器制备技术领域，尤其涉及一种非易失性存储器及其制备方法，是一种具有局域化存储电荷的核壳型纳米晶非易失性存储器及其制备方法。
背景技术
目前的微电子产品主要分为逻辑器件与存储器件两大类，存储器件在微电子领域占有非常重要的地位。存储器件一般可分为易失性存储器与非易失性存储器。非易失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，非易失性存储器，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，也越来越成为一种相当重要的存储器类型。对于这些存储器，如何通过调整结构材料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。
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易失性存储器。但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。而且随着技术节点的不断降低，器件隧穿氧化层也越来越薄，这使得器件的电荷泄露问题日趋严重。这是因为对于传统的多晶硅薄膜浮栅结构存储器，隧穿氧化层上的一处缺陷即会形成致命的放电通道使器件失效。
为了解决这个问题，电荷俘获型存储器被提出来。利用俘获层中电荷局域化存储的特性，电荷俘获型存储器实现分立电荷存储，隧穿氧化层上的缺陷只会造成局部的电荷泄漏，这样使电荷保持更加稳定。其中纳米晶存储器由于具备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)等的优势引起了科学界，产业界的极大关注。同时引入高k材料作为隧穿层和阻挡层可以有效的解决数据保持和高擦写的折中问题。因为采用高k栅介质，在保证单位栅电容不变条件下，栅介质层的物理厚度将高于传统材料(如二氧化硅，氮化硅)的物理厚度，从而可有效解决栅泄漏电流问题并保持高的编程擦除速度。
采用纳米晶材料的陷阱俘获存储器可以满足高性能存储器的需求，得到了广泛的研究。同时，金属纳米晶与Si或Ge纳米晶相比，具有更大的优势，如功函数可调、在费米能级附近态密度很高、微扰小等因此受到了产业界和科研界的广泛关注。
为了进一步提高金属纳米晶的器件性能，本发明提出了一种核壳型纳米晶存储器，这种方法可以有效的提高器件的数据保持能力等存储特性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种核壳型纳米晶浮栅非易失性存储器及其制备方法，以提高存储器的存储性能。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种非易失性存储器，包括：硅衬底101；在该硅衬底101上重掺杂的源区102和漏区103；在该源区102和漏区103之间载流子沟道上形成的栅介质层；以及在该栅介质层之上形成的栅电极107。
上述方案中，所述栅介质层由在该硅衬底101沟道之上依次形成的隧穿氧化层104、电荷存储层105和电荷阻挡层106构成，且该电荷存储层105为金属纳米晶存储层。所述电荷存储层105是在隧穿氧化层104上依次淀积铝/金/铝三层薄膜，然后利用氧气氛围下的快速热退火的方法形成的核壳结构纳米晶。所述铝/金/铝三层薄膜的厚度均为1～2nm。
上述方案中，所述隧穿氧化层104和电荷阻挡层106均为具有介电常数高于Si3N4的高k材料形成，或者由多层高k材料堆叠形成。所述具有介电常数高于Si3N4的高k材料为氧化铪HfO2或氧化铝Al2O3。
上述方案中，所述栅电极107采用的材料为贵重金属Pt、Ag或Pd，或者为金属W、Ti、Al或Cu，或者为金属氧化物ITO或IZO，或者为多晶Si材料。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制备非易失性存储器的方法，包括：对硅衬底进行离子注入及快速退火；在硅衬底上形成浅沟隔离STI；在硅衬底上生长高k介质的隧穿氧化层；在隧穿氧化层上采用自组装方法形成核壳型纳米晶存储层；在纳米晶存储层上淀积高k介质的电荷阻挡层；对电荷阻挡层、纳米晶存储层和隧穿氧化层进行刻蚀，并对硅衬底进行注入在硅衬底中形成源漏掺杂区；在电荷阻挡层上制备栅电极，分别由漏极掺杂区及栅电极引出位线及字线，完成非易失性存储器的制备。
上述方案中，所述在隧穿氧化层上采用自组装方法形成核壳型纳米晶存储层，是采用电子束蒸发方法在隧穿氧化层上依次淀积铝/金/铝三层薄膜，然后利用氧气氛围下的快速热退火的方法形成核壳型纳米晶存储层。所述快速热退火工艺中退火温度为650℃，退火时间为180秒。
(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、本发明提供的非易失性存储器及其制备方法，综合了高k材料和核壳型纳米晶的优点，该存储器具有高速低压，优良的保持特性和疲劳特性。
2、本发明提供的非易失性存储器及其制备方法，综合利用了纳米晶的电荷局域化存储特性和高k栅介质的防泄漏特性，制备的核壳型纳米晶存储器可以有效提高器件的性能。
3、本发明提供的非易失性存储器及其制备方法，是基于自组装方法来实现，具有工艺灵活，设备简单，成本低廉等优点。
附图说明
图1是本发明提供的非易失性存储器的截面示意图；
图2至图10是本发明提供的制备非易失性存储器的工艺流程图；
图11是本发明所涉及的NOR型阵列的示意图；
图12为该存储器电容结构的数据保持特性。
其中：101为硅衬底；102为源区；103为漏区；104为电荷隧穿层；105为核壳型纳米晶存储层；106为电荷阻挡层；107为栅电极。
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，本发明提供的非易失性存储器包括：硅衬底101、在该硅衬底101上重掺杂的源区102和漏区103、在该源区102和漏区103之间载流子沟道上形成的栅介质层，以及在该栅介质层之上形成的栅电极107。
其中，所述栅介质层由在该硅衬底101沟道之上依次形成的隧穿氧化层104、电荷存储层105和电荷阻挡层106构成，且该电荷存储层105为金属纳米晶存储层。电荷存储层105是在隧穿氧化层104上依次淀积铝/金/铝三层薄膜，然后利用氧气氛围下的快速热退火的方法形成的核壳结构纳米晶。其中铝/金/铝三层薄膜的厚度均为1～2nm。
隧穿氧化层104和电荷阻挡层106均为具有介电常数高于Si3N4的高k材料形成，或者由多层材料堆叠形成，其中具有介电常数高于Si3N4的高k材料为氧化铪HfO2或氧化铝Al2O3。
栅电极107采用的材料为贵重金属Pt、Ag或Pd，或者为金属W、Ti、Al或Cu，或者为金属氧化物ITO或IZO，或者为多晶Si材料。
基于图1所示的非易失性存储器，图2至图10是本发明提供的制备非易失性存储器的工艺流程图，该方法包括：对硅衬底进行离子注入及快速退火；在硅衬底上形成浅沟隔离(STI)；在硅衬底上生长高k介质的隧穿氧化层；在隧穿氧化层上采用自组装方法形成核壳型纳米晶存储层；在纳米晶存储层上淀积高k介质的电荷阻挡层；对电荷阻挡层、纳米晶存储层和隧穿氧化层进行刻蚀，并对硅衬底进行注入在硅衬底中形成源漏掺杂区；在电荷阻挡层上制备栅电极，分别由漏极掺杂区及栅电极引出位线及字线，完成非易失性存储器的制备。
其中，所述在隧穿氧化层上采用自组装方法形成核壳型纳米晶存储层，是采用电子束蒸发方法在隧穿氧化层上依次淀积铝/金/铝三层薄膜，然后利用氧气氛围下的快速热退火的方法形成核壳型纳米晶存储层。所述快速热退火工艺中退火温度为650℃，退火时间为180秒。
图2是本实施例中NOR型阵列的两个方向，其中A-A’方向字线方向(WL)，B-B’方向为位线方向。
图3是本实施例中在半导体衬底上形成STI隔离并且注入形成合适的衬底掺杂的过程。其中301为STI隔离，303和302分别为阈值调整注入和防穿通注入，304为牺牲氧化层。
图4是本实施例中淀积栅介质层的过程。去掉牺牲氧化层，淀积高k隧穿氧化层401。
图5采用电子束蒸发在隧穿氧化层依次淀积铝/金/铝三层薄膜，然后利用氧气氛围下的快速热退火的方法形成核壳结构纳米晶存储层501。退火温度为650℃，退火时间为180秒(具体的工艺参数可以有所调整)。
图6淀积高k阻挡层601。
图7为A-A’方向经过刻蚀后形成的。
图8为形成栅极801的过程。其中栅极为多晶硅、金属、金属硅化物或由多层材料堆叠具有类似性质的结构。
图9为B-B’方向经过刻蚀形成的。
图10为本实施例中形成源/漏掺杂区及侧墙的过程。其中a01为与沟道区掺杂类型相反的漏极掺杂区，a02为与沟道区掺杂类型相反的源极掺杂区，且源极沿A-A’方向为公共相通的，形成共源极commonsource结构，a03为防穿通注入区，a04为侧墙。
最后由源、漏引出SL(sourceline)、位线(BL)，由栅极引出字线(WL)，材料为多晶硅、金属、金属硅化物或由多层材料堆叠具有类似性质的结构。图11示出了本发明所涉及的NOR型阵列的示意图。
图12为该存储器电容结构的数据保持特性，可以看出外推到十年，该器件依旧保持较大的存储窗口，具有非常好的存储特性。
本发明提出的非易失性存储器及其制备方法，综合利用了纳米晶的电荷局域化存储特性和高k栅介质的防泄漏特性，是基于电子束蒸发薄层金属，然后在氧气氛围下退火形成的。该核壳型纳米晶存储器具有工艺灵活，设备简单，成本低廉等优点，且制备的纳米晶存储器具有很好的存储性能。
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)
1.一种非易失性存储器，其特征在于，包括：
硅衬底(101)；
在该硅衬底(101)上重掺杂的源区(102)和漏区(103)；
在该源区(102)和漏区(103)之间载流子沟道上形成的栅介质层；以及
在该栅介质层之上形成的栅电极(107)；
其中，所述栅介质层由在该硅衬底(101)沟道之上依次形成的隧穿氧化层(104)、电荷存储层(105)和电荷阻挡层(106)构成，且该电荷存储层(105)为金属纳米晶存储层；所述电荷存储层(105)是在隧穿氧化层(104)上依次淀积铝/金/铝三层薄膜，然后利用氧气氛围下的快速热退火的方法形成的核壳结构纳米晶；所述铝/金/铝三层薄膜的厚度均为1～2nm。
2.根据权利要求1所述的非易失性存储器，其特征在于，所述隧穿氧化层(104)和电荷阻挡层(106)均为具有介电常数高于Si3N4的高k材料形成，或者由多层高k材料堆叠形成。
3.根据权利要求2所述的非易失性存储器，其特征在于，所述具有介电常数高于Si3N4的高k材料为氧化铪HfO2或氧化铝Al2O3。
4.根据权利要求1所述的非易失性存储器，其特征在于，所述栅电极(107)采用的材料为贵重金属Pt、Ag或Pd，或者为金属W、Ti、Al或Cu，或者为金属氧化物ITO或IZO，或者为多晶Si材料。
5.一种制备权利要求1至4中任一项所述非易失性存储器的方法，其特征在于，包括：
对硅衬底进行离子注入及快速退火；
在硅衬底上形成浅沟隔离STI；
在硅衬底上生长高k介质的隧穿氧化层；
在隧穿氧化层上采用自组装方法形成核壳型纳米晶存储层；
在纳米晶存储层上淀积高k介质的电荷阻挡层；
对电荷阻挡层、纳米晶存储层和隧穿氧化层进行刻蚀，并对硅衬底进行注入在硅衬底中形成源漏掺杂区；
在电荷阻挡层上制备栅电极，分别由漏极掺杂区及栅电极引出位线及字线，完成非易失性存储器的制备。
6.根据权利要求5所述的制备非易失性存储器的方法，其特征在于，所述在隧穿氧化层上采用自组装方法形成核壳型纳米晶存储层，是采用电子束蒸发方法在隧穿氧化层上依次淀积铝/金/铝三层薄膜，然后利用氧气氛围下的快速热退火的方法形成核壳型纳米晶存储层。
7.根据权利要求6所述的制备非易失性存储器的方法，其特征在于，所述快速热退火工艺中退火温度为650℃，退火时间为180秒。
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