專利名稱：基于雙層納米硅結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于納米硅晶粒的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮置柵存儲(chǔ)器，尤其是基于雙層納米硅結(jié)構(gòu)的新型半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
閃存(Flash memory)作為非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器典型器件，目前已廣泛應(yīng)用于U盤、MP3及手機(jī)等移動(dòng)電子器件，正推動(dòng)著人們的日常生活的現(xiàn)代化，更有望在不久的將來替代個(gè)人計(jì)算機(jī)中的硬盤，使計(jì)算機(jī)開啟使用和結(jié)束關(guān)閉時(shí)，無需使存儲(chǔ)器中的信息從硬盤讀取和再存入。
近年來的研究表明，閃存器件向小型化、低功耗發(fā)展的過程中，達(dá)到了納米尺寸的限制，使基于納米硅晶粒的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件，由于其新的物理現(xiàn)象及在未來新一代低功耗、高集成度納米存儲(chǔ)器件中應(yīng)用的可能性而受到人們的重視。圖1是這種基于納米硅結(jié)構(gòu)的MOSFET器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。其中10P型Si襯底；11源(n+-Si)；12漏(n+-Si)；13隧穿氧化層；14nc-Si層；17控制氧化層；18多晶Si柵；器件的工作原理是通過隧穿和存儲(chǔ)在納米硅浮置柵極中的電子來改變器件的閾值電壓，從而達(dá)到存儲(chǔ)信息的功能。這種存儲(chǔ)器和通常的MOS結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器相比，其優(yōu)點(diǎn)是由于庫侖阻塞效應(yīng)，每個(gè)量子點(diǎn)(納米硅晶粒)存儲(chǔ)著一個(gè)電子，功耗很低；隧穿勢(shì)壘層很薄，寫入速度很快。但是相應(yīng)地，由于隧穿勢(shì)壘層很薄，納米硅存儲(chǔ)器的電荷存儲(chǔ)時(shí)間未能達(dá)到應(yīng)用的要求，又由于每個(gè)量子點(diǎn)存儲(chǔ)一個(gè)電子影響電荷存儲(chǔ)能力。
本申請(qǐng)人申請(qǐng)的中國專利申請(qǐng)CN01108248.8鍺/硅復(fù)合納米晶粒浮柵結(jié)構(gòu)MOSFET存儲(chǔ)器，以鍺/硅復(fù)合納米晶粒鑲嵌在二氧化硅中浮柵存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，采用鍺/硅復(fù)合納米晶粒替代硅納米晶粒作為MOSFET存儲(chǔ)器，即電荷存儲(chǔ)單元。而本申請(qǐng)是涉及雙層納米硅晶粒鑲嵌在介質(zhì)層中的浮柵存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出采用雙層納米硅結(jié)構(gòu)替代常規(guī)的單層納米硅結(jié)構(gòu)作為電荷存儲(chǔ)單元，以解決單層納米硅浮柵存儲(chǔ)器的寫入和擦寫的編程時(shí)間與存儲(chǔ)時(shí)間的矛盾，從而在較短編程時(shí)間前提下，有效延長電荷存儲(chǔ)時(shí)間，與此同時(shí)又增強(qiáng)了電荷的存儲(chǔ)能力。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于雙層納米硅結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器，包括半導(dǎo)體P型Si襯底20；在源漏極間的溝道正上方是介質(zhì)隧穿層23，它是用等離子體氧化方法形成的隧穿氧化硅層或PECVD法淀積形成的隧穿氮化硅層；在隧穿介質(zhì)層上方形成雙層納米硅層24和26；雙層納米硅層之間是隧穿介質(zhì)層25；然后淀積控制介質(zhì)層(氧化硅或氮化硅27)；其上用低壓CVD(LPCVD)法淀積多晶硅作為柵極。最后利用自對(duì)準(zhǔn)工藝在半導(dǎo)體襯底及多晶硅中摻雜形成源極21、漏極22和柵極28。上述結(jié)構(gòu)中的雙層納米硅層作為電荷存儲(chǔ)單元(參看圖2)。
具體而言所述隧穿介質(zhì)層是指隧穿氧化硅SiO2層或隧穿氮化硅SiNx層。以p型硅(電阻率為1-10Ω·cm)作為襯底，源漏區(qū)在襯底的左右兩側(cè)，襯底上第一層隧穿介質(zhì)層是SiO2層，厚度為1-2nm或SiNx層，厚度為3-5nm；然后是第一納米Si層，晶粒尺寸為2-7nm；第二層隧穿介質(zhì)層亦為SiO2層，厚度為1-2nm或SiNx層，厚度為3-5nm；然后是第二納米Si層，晶粒尺寸為2-7nm；第二納米Si層上淀積形成控制SiNx介質(zhì)層，厚度為8-20nm；在控制介質(zhì)層上是多晶硅柵。
本發(fā)明的制備方法所述雙層納米硅結(jié)構(gòu)的制備是在PECVD系統(tǒng)中在p型硅襯底上隧穿介質(zhì)層形成的SiO2層上用逐層生長/刻蝕(layer by layer)方法直接形成納米硅層，也可以是在PECVD系統(tǒng)中先生長非晶硅(a-Si)層然后用熱退火的方法或激光晶化的方法形成納米硅層(納米硅的密度＞5×1011cm-2)。隧穿氧化硅層的形成方法在PECVD系統(tǒng)中等離子體對(duì)硅進(jìn)行氧化氧氣流量為27sccm；襯底溫度250±30℃；氣壓320±50mTorr；時(shí)間20±5min；形成的SiO2層厚度約為1-2nm；隧穿SiNx層的形成方法PECVD系統(tǒng)中淀積SiNx層通入SiH4/NH3的流量5sccm/45sccm；襯底溫度250±30℃；功率源頻率13.56MHz，功率30W；氣壓320±50mTorr；時(shí)間50±10s。形成SiNx層厚度約為3-5nm。
納米硅層的形成可選用PECVD系統(tǒng)中通過SiH4淀積非晶硅(a-Si)，逐層生長/刻蝕(layer by layer)方法或先生長a-Si層然后用熱退火方法形成納米硅層。逐層生長/刻蝕(layer by layer)方法先淀積a-Si層，后用H2等離子體刻蝕，如此重復(fù)數(shù)個(gè)周期后便可形成nc-Si層，最后在900℃條件下于氮?dú)夥諊型嘶?0分鐘以改善nc-Si層質(zhì)量。
先淀積a-Si層后經(jīng)熱退火形成納米硅層的方法準(zhǔn)靜態(tài)退火方法1100℃條件下于氮?dú)夥諊斜３?個(gè)小時(shí)或瞬態(tài)熱退火與常規(guī)熱退火相結(jié)合方法氮?dú)夥諊?，?00℃/s的步長將溫度升至800-1000℃后保持50-150s，降溫后，再以10℃/min的步長將溫度升至1000℃或1100℃后保持1小時(shí)。熱退火方法是指常規(guī)高溫爐準(zhǔn)靜態(tài)退火方法或瞬態(tài)熱退火與常規(guī)熱退火相結(jié)合的方法。
由于控制介質(zhì)層的厚度一般需達(dá)到10nm以上，若用SiNx層，則只需采用隧穿SiNx層的條件，僅延長淀積時(shí)間為100±10s即可。
本發(fā)明的特點(diǎn)1.提出采用雙層納米硅結(jié)構(gòu)替代單層納米硅結(jié)構(gòu)作為浮柵存儲(chǔ)單元，在適當(dāng)?shù)耐饧与妷合?，可以使電荷完成存入第一層納米硅后繼續(xù)進(jìn)入第二層納米硅層，也可以使電荷直接進(jìn)入第二層納米硅層，從而實(shí)現(xiàn)在較短的編程時(shí)間前提下，有效提升器件的存儲(chǔ)時(shí)間，既解決了納米硅浮柵存儲(chǔ)器的編程時(shí)間與存儲(chǔ)時(shí)間的矛盾，同時(shí)可以提高電荷存儲(chǔ)能力以及實(shí)現(xiàn)雙態(tài)存儲(chǔ)。
2.本發(fā)明方法采用的雙層納米硅結(jié)構(gòu)的制備方法，即1)在PECVD系統(tǒng)中用逐層(layer by layer)生長/刻蝕方法直接形成納米硅層；2)在PECVD系統(tǒng)中先生長非晶硅(a-Si)層然后用熱退火的方法或激光晶化的方法形成納米硅層，是和的當(dāng)前的微電子加工工藝相兼容的。
3.本發(fā)明方法采用PECVD法在生長腔內(nèi)原位形成雙層納米硅/介質(zhì)隧穿層結(jié)構(gòu)具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，有效控制兩層納米硅的相對(duì)位置。
4.含有雙層納米硅的MOS結(jié)構(gòu)中，雙層nc-Si量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)在積累區(qū)和反型區(qū)的兩級(jí)電荷注入現(xiàn)象。C-V特性曲線揭示了這一現(xiàn)象，如圖3所示。在平帶電壓偏移(ΔVfb)隨積累區(qū)掃描電壓的變化曲線中，可以觀察到兩個(gè)明顯的臺(tái)階(圖4)。
5.雙層納米硅結(jié)構(gòu)中襯底處于反型時(shí)的能帶圖(圖5)用來說明雙層納米硅具有更強(qiáng)的存儲(chǔ)能力。在合適的外加電壓下，當(dāng)?shù)诙蛹{米硅層的電子能量與第一層納米硅層一致時(shí)，電子從第一層納米硅層隧穿進(jìn)入第二層納米硅層，然后隧穿電子弛豫到第二層納米硅的界面態(tài)上，并存儲(chǔ)到那里，它將很難再隧穿回襯底，而僅隧穿到第一層納米硅層中的電子，是較容易隧穿回襯底，也就是說，第二層納米硅層將顯示比第一層更強(qiáng)的存儲(chǔ)能力(更長的存儲(chǔ)時(shí)間)。
圖6(a)和(b)分別給出電荷存儲(chǔ)于第二層和第一層情況下雙層納米硅MOS結(jié)構(gòu)的I-V特性曲線。圖6(a)中電子充放電過程中I-V曲線顯示非對(duì)稱性，而圖6(b)中接近對(duì)稱，再次證實(shí)了第二層納米硅層具有比第一層納米硅層更強(qiáng)的存儲(chǔ)能力。


圖1是基于納米硅結(jié)構(gòu)的MOSFET器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是基于雙層納米硅結(jié)構(gòu)的MOSFET器件的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是雙層nc-Si量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的兩級(jí)電荷注入現(xiàn)象示意圖，回滯隨著偏壓的增大而增加圖3(a)在積累區(qū)的空穴注入，圖3(b)在反型區(qū)的電子注入。
圖4是含有堆棧的雙層nc-Si量子點(diǎn)的樣品的C-V曲線的平帶電壓偏移(ΔVfb)隨積累區(qū)掃描電壓的變化，可以觀察到兩個(gè)明顯的臺(tái)階，插圖顯示了由于電子注入引起的ΔVfb的平臺(tái)效應(yīng)；而圓點(diǎn)代表的含有單層nc-Si量子點(diǎn)的樣品中只有一個(gè)臺(tái)階。
圖5是雙層納米硅MOS結(jié)構(gòu)中襯底處于反型時(shí)的能帶圖。
圖6是電荷存儲(chǔ)于第二層圖6(a)和第一層圖6(b)情況下雙層納米硅MOS結(jié)構(gòu)的I-特性曲線。
圖1中10 P型Si襯底、11源(n+-Si)、12漏(n+-Si)、13隧穿氧化層、14nc-Si層、17控制氧化層、18多晶Si柵圖2中20 P型Si襯底、21源(n+-Si)、22漏(n+-Si)、23隧穿介質(zhì)層、24第一層nc-Si層、25隧穿介質(zhì)層、26第二層nc-Si層、27控制介質(zhì)層、28多晶Si柵
具體實(shí)施例方式
參見圖2本發(fā)明結(jié)構(gòu)以p型硅(電阻率為1-10Ω·cm)作為襯底，源漏區(qū)在襯底的兩側(cè)，襯底上第一層隧穿介質(zhì)層厚度為1-2nm，如2nm的SiO2層；或3-5nm，如4nm的SiNx層，然后是第一納米Si層，晶粒尺寸為2-7nm，如3或5nm；襯底上第二層隧穿介質(zhì)層同第一隧穿介質(zhì)層；然后是第二納米Si層，晶粒尺寸為2-7nm，如3或5nm；第二納米Si層上淀積形成作為控制柵的氧化硅或氮化硅介質(zhì)層，厚度為10nm，15nm亦可。
1.選用p型硅(電阻率為1-10Ω·cm)作為襯底2.第一層隧穿介質(zhì)層的形成(可選用氧化硅層或氮化硅層)2.1隧穿SiO2層的形成(1)方法PECVD系統(tǒng)中等離子體氧化(2)條件O2氣流量27sccm；襯底溫度250℃；功率源頻率13.56MHz，功率80W；氣壓320mTorr；時(shí)間10min(3)形成SiO2層厚度約為1-2nm，勢(shì)壘高度為3.1eV2.2隧穿SiNx層的形成(1)方法PECVD系統(tǒng)中淀積SiNx層(2)條件SiH4/NH3流量5sccm/45sccm；襯底溫度250℃；功率源頻率13.56MHz，功率30W；氣壓320mTorr；時(shí)間50s。
(3)形成SiNx層厚度約為3-5nm，勢(shì)壘高度為1.4eV3.第一層納米硅層的形成可選用PECVD系統(tǒng)中逐層生長/刻蝕(layer by layer)方法(參見3.1)或先生長非晶硅(a-Si)層然后用熱退火(參見3.2)形成納米硅層3.1逐層生長/刻蝕(layer by layer)方法(1)方法先淀積a-Si層，后用H2等離子體刻蝕，如此重復(fù)數(shù)個(gè)周期后便可形成nc-Si層，最后在900℃條件下于氮?dú)夥諊型嘶?0分鐘以改善nc-Si層質(zhì)量(2)條件a)淀積a-SiSiH4流量2sccm；H2流量80sccm；；淀積時(shí)間120s；襯底溫度250℃；氣壓710mTorr；功率源頻率13.56MHz，功率50Wb)H2等離子體處理關(guān)閉SiH4氣路(只保留H2氣路)，處理時(shí)間60s。其它條件與淀積時(shí)相同。
最終形成的nc-Si晶粒尺寸由重復(fù)周期數(shù)控制，約為2-7nm，納米硅的密度＞5×1011cm-23.2先淀積a-Si層后經(jīng)熱退火形成納米硅層的方法
(1)淀積a-Si層條件SiH4流量8sccm；Ar流量10sccm；氣壓310mTorr；功率源頻率13.56MHz，功率30W；時(shí)間20-70s(2)熱退火條件a)準(zhǔn)靜態(tài)退火方法1100℃條件下于氮?dú)夥諊斜３?個(gè)小時(shí)b)瞬態(tài)熱退火與常規(guī)熱退火相結(jié)合方法氮?dú)夥諊校?00℃/s的步長將溫度升至800-1000℃后保持50-150s，降溫后，再以10℃/min的步長將溫度升至1000℃或1100℃后保持1小時(shí)(3)形成nc-Si晶粒尺寸在2-7nm之間，具體大小由原始淀積的a-Si層厚度決定，納米硅的密度＞5×1011cm-24.第二層隧穿介質(zhì)層形成(條件同2)5.第二層納米硅層形成(條件同3)6.介質(zhì)控制柵(SiNx層)的形成(1)方法PECVD系統(tǒng)中淀積SiNx層(2)條件SiH4/NH3流量5sccm/45sccm；襯底溫度250℃；功率源頻率13.56MHz，功率30W；氣壓310mTorr；時(shí)間100s；淀積SiNx層的厚度10nm。
7.淀積多晶硅，光刻源漏區(qū)，磷離子注入，退火形成n+源漏區(qū)，低溫淀積SiO2層，光刻源、漏、柵區(qū)引線孔，蒸鋁，反刻等這幾步與常規(guī)MOSFET器件工藝一致。
權(quán)利要求
1.基于雙層納米硅結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器，以p型硅(電阻率為1-10Ω·cm)作為襯底(20)，源漏極(22、28)在襯底的兩側(cè)，其特征是在襯底上先設(shè)有第一層隧穿介質(zhì)層形成的SiO2層(23)，厚度為1-2nm或SiNx層，厚度為3-5nm；然后是第一納米Si層(24)，晶粒尺寸為2-7nm；襯底上第二層隧穿介質(zhì)層亦為SiO2層(26)，厚度為1-2nm或SiNx層，厚度為3-5nm；然后是第二納米Si層，晶粒尺寸為2-7nm；第二納米Si層上淀積形成控制氮化硅介質(zhì)層，厚度為8-20nm；氧化硅或氮化硅介質(zhì)層上是多晶硅柵。
2.基于雙層納米硅結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器的制備方法采用與微電子工藝相兼容的制備工藝；其特征是在PECVD系統(tǒng)中在p型硅襯底上隧穿介質(zhì)層形成的SiO2層上用逐層生長/刻蝕方法直接形成納米硅層，先通過SiH4淀積a-Si，逐層生長/刻蝕(layer by layer)方法或先生長非晶硅(a-Si)層然后用熱退火的方法的方法形成納米硅層逐層生長/刻蝕(layer by layer)的方法先淀積a-Si層，后用H2等離子體刻蝕，如此重復(fù)數(shù)個(gè)(2-10個(gè))周期后便可形成nc-Si層，最后在900℃條件下于氮?dú)夥諊型嘶?0分鐘以改善nc-Si層質(zhì)量；或在PECVD系統(tǒng)中先生長非晶硅(a-Si)層然后用熱退火的方法(刪去或激光晶化的方法)形成納米硅層經(jīng)熱退火形成納米硅層的方法準(zhǔn)靜態(tài)退火方法1100℃條件下于氮?dú)夥諊斜３?個(gè)小時(shí)；瞬態(tài)熱退火與常規(guī)熱退火相結(jié)合方法氮?dú)夥諊?，?00℃/s的步長將溫度升至800-1000℃后保持50-150s，降溫后，再以10℃/min的步長將溫度升至1000℃或1100℃后保持1小時(shí)。熱退火方法是指常規(guī)高溫爐準(zhǔn)靜態(tài)退火方法或瞬態(tài)熱退火與常規(guī)熱退火相結(jié)合的方法。
3.按照權(quán)利要求2所述的基于雙層納米硅結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器的制備方法，其特征是隧穿氧化硅層的形成方法在PECVD系統(tǒng)中等離子體對(duì)硅通氧氣進(jìn)行氧化襯底溫度250±30℃；氣壓320±50mTorr；時(shí)間10±5min；形成的SiO2層厚度約為1-2nm；隧穿SiNx層的形成方法PECVD系統(tǒng)中淀積SiNx層通入SiH4/NH3的流量5sccm/45sccm；襯底溫度250±30℃；功率源頻率13.56MHz，功率30W；氣壓320±50mTorr；時(shí)間50±10s。形成SiNx層厚度約為3-5nm。
全文摘要
基于雙層納米硅結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器，以p型硅(電阻率為1－10Ω·cm)作為襯底(20)，源漏極(22、28)在襯底的兩側(cè)，在襯底上先設(shè)有第一層隧穿介質(zhì)層形成的SiO
文檔編號(hào)H01L29/49GK101026194SQ200710021060
公開日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2007年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月23日
發(fā)明者陳坤基, 吳良才, 王久敏, 余林蔚, 李偉, 徐駿, 丁宏林, 張賢高, 劉奎, 王祥, 徐嶺, 黃信凡 申請(qǐng)人:南京大學(xué)