專利名稱：閃存單元結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制作方法，特別涉及閃存單元結(jié)構(gòu)及其制作 方法。
背景技術(shù)：
閃存(Flash Memory)器件是目前廣泛應(yīng)用在大規(guī)模集成電路領(lǐng)域的器件 之一。閃存器件作為一種半導(dǎo)體存儲器，具有存儲數(shù)據(jù)的功能，并可以提供 數(shù)據(jù)的寫入、讀出、以及擦除操作，即使切斷電源，其存儲的內(nèi)容也不消 失，具有保存數(shù)據(jù)的功能。閃存器件的存儲數(shù)據(jù)功能是通過內(nèi)部的閃存單元 實(shí)現(xiàn)的。閃存單元是數(shù)據(jù)的存儲區(qū)域，主要的組成部分是閃存單元結(jié)構(gòu)的陣 列，每個閃存單元結(jié)構(gòu)對應(yīng)一個二進(jìn)制數(shù)碼，用于儲存"0"或者"1"。由 具有存儲數(shù)據(jù)功能的閃存單元結(jié)構(gòu)組成的閃存單元，是閃存器件的核心組成
部分之一。
目前業(yè)界常見的閃存單元結(jié)構(gòu)主要有"浮柵(Floating-Gate)結(jié)構(gòu)"與"硅 氧氮氧硅(SONOS)結(jié)構(gòu)，，兩種。兩者都可以滿足不同的閃存陣列模式和工作模 式的需要，可以維持長達(dá)十年以上的數(shù)據(jù)存儲時間。
隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，其集成度不斷提高，線寬不斷降低。對 于65nm節(jié)點(diǎn)以下的閃存單元結(jié)構(gòu)，由于器件尺寸變小，尤其是柵極長度的 變小，各種因素，比如漏極突變結(jié)近似，對溝道調(diào)制作用影響變得越發(fā)明 顯，因此限制了浮柵結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步的發(fā)展，取而代之的則是SONOS結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有的S0N0S結(jié)構(gòu)及其制作工藝如圖1所示，在半導(dǎo)體襯底1表面依 次為底層二氧化硅2、氮化硅層3、頂層二氧化硅4和柵極5，柵極5的兩側(cè) 為源極6和漏極7。柵極5用以對整個單元結(jié)構(gòu)施加驅(qū)動電壓。氮化硅層3 采用化學(xué)氣相沉積的方法形成，位置在頂層二氧化硅4與底層二氧化硅2之間。氮化硅3與頂層二氧化硅4以及底層二氧化硅2之間的界面具有電荷陷 阱，可以起到存儲電荷的作用，是閃存結(jié)構(gòu)中的存儲電荷層。底層二氧化硅 2為電荷充電和放電的通道，在無驅(qū)動電壓的情況下，底層二氧化硅2可以 阻斷氮化硅層3存儲的電荷向半導(dǎo)體襯底1方向的遷移，但是在施加一定偏 置電壓的條件下，電荷就可以通過底層二氧化硅2以隧穿的方式進(jìn)入到半導(dǎo) 體襯底1中去，實(shí)現(xiàn)閃存結(jié)構(gòu)的編程、擦除操作。頂層二氧化硅4用于阻擋 電荷與柵極5之間的導(dǎo)通，避免電荷向柵極5方向遷移，用以實(shí)現(xiàn)4冊極5通 過頂層二氧化硅4對氮化硅層3存儲的電荷進(jìn)行操作。
在如下中國專利申請200410011656.X中還可以發(fā)現(xiàn)更多與上述技術(shù)方 案相關(guān)的信息，在制作過程中通過對工藝步驟的優(yōu)化設(shè)計，在不增加工藝復(fù) 雜度和額外的光刻步驟的情況下，可以獲得高品質(zhì)的SONOS結(jié)構(gòu)。
然而，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，SONOS結(jié)構(gòu)的閾值電壓由于受到電荷橫向 遷移效應(yīng)的影響，在器件的工作中會產(chǎn)生閾值電壓的漂移現(xiàn)象，這嚴(yán)重影響 了器件的靈敏度。存儲電荷層采用離散分布的納米晶體作為電荷存儲結(jié)構(gòu)， 其采用的材料可以是硅、金屬或者某些高介電常數(shù)材料，晶粒的直徑為幾納 米至幾十納米左右，且處于彼此相互分立的離散狀態(tài)，因此可以有效地抑制 電荷的橫向遷移，改善闊值電壓漂移。K. Joo等人于2005年發(fā)表于 International Electronics Device Meeting 6々文章 "Novel transition layer engineered Si nano-crystal flash memory with MHSOS structure featuring large Vth windows and fast P/E speed" 、 Y. Lin等人于2006年發(fā)表于IEEE Trans on Electron Devices雜志53巻第4期782頁的文章"Novel 2-bit Hf02 nano-crystal nonvolatile flash memory"以及Y. Liu等人于2006年發(fā)表于IEEE Trans on Electron Devices雜志53巻第10期2598頁的文章"Improved performance of SiGe nano-crystal memory with VARIOT tunnel barrier", 分另ll 對采用納米晶體作為電荷存儲結(jié)構(gòu)的閃存結(jié)構(gòu)單元做了詳細(xì)的披露。
此種采用納米晶體的存儲電荷層，其電荷存儲能力與納米晶體的直徑密 切相關(guān)，直徑越小，單位面積內(nèi)存儲電荷的能力越強(qiáng)。采用納米晶作為閃存 結(jié)構(gòu)單元的電荷存儲結(jié)構(gòu)，雖然可以解決閾值電壓漂移問題，但缺點(diǎn)在于晶 粒尺寸大、存儲電荷的能力較差。
因此，要達(dá)到提高電荷存儲效率的目的，就需要進(jìn)一步降低晶粒的尺 寸，使單位面積內(nèi)可以分布更多數(shù)量的晶粒，提高電荷存儲效率。采用離散 原子島作為電荷存儲結(jié)構(gòu)，可以有效地提高電荷存儲效率。作為電荷存儲結(jié) 構(gòu)的離散原子島，其直徑與單個原子的直徑處于同一數(shù)量級，比納米晶的直 徑低一個數(shù)量以上，因此其制備技術(shù)比較困難，用傳統(tǒng)的化學(xué)沉積或者物理 沉積的手段很難實(shí)現(xiàn)小尺寸的離散的島狀結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有技術(shù)中， 一種形成離散 原子島的技術(shù)手段，是采用鈦或其他金屬材料的離子注入方法，形成離散分
布的原子島，作為電荷存儲層。Hiroshi Sunamura等人在2006年 International Electronics Device Meeting上發(fā)表的文章"Suppression of lateral charge redistribution using advanced impurity trap memory for improving high temperature retention"詳細(xì)地披露了采用離子注入的方法形成金屬離散原子 島的技術(shù)方案。
然而，由于采用金屬材料制作離散原子島，金屬離子的采用會使集成電 路工藝流程中的前道工藝步驟受到金屬離子的污染。半導(dǎo)體工藝中的金屬離 子沾污，可能嚴(yán)重影響到材料表面平整度，可能在半導(dǎo)體能帶中引入深電子 能級，從而影響到半導(dǎo)體的載流子遷移率以及電導(dǎo)率，可能影響到介電材料 的介電性質(zhì)。因此，采用金屬材料的離散原子島，嚴(yán)重影響了半導(dǎo)體器件以 及集成電路的性能，從而導(dǎo)致生產(chǎn)線的良率下降。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中，SONOS結(jié)構(gòu)在器件的工作中會產(chǎn)生閾值電壓 的漂移現(xiàn)象，影響了其進(jìn)一步應(yīng)用；采用納米晶作為閃存結(jié)構(gòu)單元的電荷存 儲結(jié)構(gòu)，雖然可以解決閾值電壓漂移問題，但缺點(diǎn)在于晶粒尺寸大、存儲電
荷的能力較差；采用金屬材料制作的離散原子島作為電荷存儲結(jié)構(gòu)，存儲電
荷的能力優(yōu)于納米晶，也可以避免閾值電壓漂移的問題，但是會帶來金屬離 子污染。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種既可以解決闊值電壓漂移，又具 有較強(qiáng)電荷存儲能力，而且可以避免金屬離子沾污的閃存單元結(jié)構(gòu)及其制作方法。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種閃存單元結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯 底，位于半導(dǎo)體襯底上的第一介質(zhì)層，位于第一介質(zhì)層上的存儲電荷層，位 于存儲電荷層上的第二介質(zhì)層，和位于由第一介質(zhì)層/存儲電荷層/第二介質(zhì) 層組成的三層堆疊結(jié)構(gòu)上的柵極，以及半導(dǎo)體襯底內(nèi)位于三層堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè) 的源極和漏極，所述的存儲電荷層包含有非金屬離散原子島。
可選的，所述之非金屬離散原子島的材料為氮化硅、氧化硅、氮氧化硅 或硅。
可選的，所述非金屬離散原子島的直徑為3埃 20埃。 本發(fā)明還提供了一種閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，包括在半導(dǎo)體襯底上 形成第一介質(zhì)層；在第一介質(zhì)層上形成存儲電荷層，包含有非金屬離散原子 島；在存儲電荷層上形成第二介質(zhì)層；退火；在由第一介質(zhì)層/存儲電荷層/ 第二介質(zhì)層組成的三層堆疊結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成源極和漏極；在三層堆疊結(jié)構(gòu)上 形成柵極。
可選的，所述之非金屬離散原子島的材料為氮化硅、氧化硅、氮氧化硅 或硅。
可選的，所述之形成非金屬離散原子島的方法為原子層沉積法。 可選的，所述原子層沉積法包括先將第一前體氣體流向原子層沉積室 內(nèi)的半導(dǎo)體襯底表面的第一介質(zhì)層，在第一介質(zhì)層上形成離散的第一單層；
惰性吹掃氣體流向在原子層沉積室內(nèi)的半導(dǎo)體襯底；第二前體氣體流向原子 層沉積室，與形成第一單層的第一前體氣體反應(yīng)，形成非金屬離散原子島； 惰性吹掃氣體流向原子層沉積室。
可選的，所述之第一前體氣體為SiH4、 Si(OC2H5)4、 SiH2[NH(C4H9)]2、 SiH(OC2H5)3 、 Si2Cl6或SiHN[(CH3)2]3。
可選的，所述第一前體氣體為SiH4時，第一前體氣體流向原子層沉積室 內(nèi)的第一介質(zhì)層上的流量為0.1slm 1.0slm,流入時間1秒~10秒，原子層沉 積室內(nèi)的壓力0.9千帕~1千帕，溫度為400°O550°C,
可選的，所述第二前體氣體為NH3、 N20、 N2、 02、 03或者1120。
可選的，所述之惰性吹掃氣體為He、 Ne或Ar。
可選的，所述之非金屬離散原子島的直徑為3埃 20埃。
可選的，所述之退火所需的氣體為氮?dú)?、He、 Ne或Ar。
可選的，退火溫度為850°C~1000°C。
可選的，退火時間為10分鐘 60分鐘。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，以上技術(shù)方案敘述的閃存單元結(jié)構(gòu)及其制作方法，采 用非金屬離散原子島作為電荷存儲結(jié)構(gòu)，具有如下優(yōu)點(diǎn)
(1) 非金屬離散原子島可以避免SONOS結(jié)構(gòu)中電荷的橫向遷移效應(yīng)，因 此可以有效地抑制閾值電壓的漂移。
(2) 可以避免采用納米晶作為電荷存儲結(jié)構(gòu)，由于晶粒尺寸大所帶來的存 儲電荷的能力較差的問題。
(3) 可以避免采用金屬材料制作非金屬離散原子烏，由于金屬的采用而帶 來的對前道工藝產(chǎn)生離子沾污的問題。


圖1為現(xiàn)有的閃存單元結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例所述閃存單元結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例所述閃存單元結(jié)構(gòu)制作方法的實(shí)施流程圖4至圖8為本發(fā)明第二實(shí)施例所述閃存單元結(jié)構(gòu)制作方法的實(shí)施步驟
示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供的閃存單元結(jié)構(gòu)采用非金屬離散原子島作為電荷存儲結(jié)構(gòu)， 具有較強(qiáng)電荷存儲能力，既可以解決閾值電壓漂移，又可以避免金屬離子沾 污。
非金屬離散原子島的制作?，F(xiàn)有的采用注入方法形成離散原子島的技術(shù)，只 能采用金屬離子，而非金屬離子由于原子質(zhì)量大，不易加速，且成核困難， 因此無法用于上述技術(shù)中。本法明在制作離散原子島的過程中，利用原子層 沉積的方法，可以實(shí)現(xiàn)采用非金屬材料制作離散原子島，避免了采用金屬離 散原子島引起的沾污問題。傳統(tǒng)的原子層沉積工藝，用于沉積連續(xù)的薄膜結(jié) 構(gòu)，本發(fā)明提供了一種新的原子層淀積工藝，可以實(shí)現(xiàn)離散原子島而非連續(xù) 薄膜的制作。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說明。 實(shí)施例一
本實(shí)施例提供了一種閃存單元結(jié)構(gòu)。參考附圖2所示，包括半導(dǎo)體襯底 101、位于半導(dǎo)體襯底101上的第一介質(zhì)層102、位于第一介質(zhì)層102上的存 儲電荷層103、位于存儲電荷層103上的第二介質(zhì)層105、位于"第一介質(zhì)層 102/存儲電荷層103/第二介質(zhì)層105"三層堆疊結(jié)構(gòu)上的柵極106、以及半導(dǎo) 體襯底101內(nèi)位于"第一介質(zhì)層102/存儲電荷層103/第二介質(zhì)層105，，的三層 堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的源極107和漏極108。所述的存儲電荷層103包含有非金屬 離散原子島104。
本實(shí)例中，所述半導(dǎo)體襯底101可以是半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的各種
半導(dǎo)體材料，包括單晶或者多晶結(jié)構(gòu)的硅或硅鍺(SiGe),還可以是含有摻 雜離子例如N型或者P型摻雜的硅或者硅鍺，也可以包括化合物半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)，例如碳化硅、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵、銻化鎵、氮 化鎵、氮化鋁，氮化銦合金半導(dǎo)體或其組合；也可以是絕緣體上硅 (SOI);也可以是應(yīng)變硅、應(yīng)力硅鍺或者其他應(yīng)變材料。所述半導(dǎo)體襯底 可以是空白的半導(dǎo)體材料襯底，也可以是已經(jīng)形成各種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件以 及線路的半導(dǎo)體襯底。
本實(shí)例中，所述第一介質(zhì)層102的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、 氧化鋁、氧化鉭、氧化鎬、氧化鉿、加氟的硅酸鹽玻璃層(FSG)、氫化硅 倍半氧化物(HSQ)、以及摻碳的氧化硅(Coral , Black Diamond)等無 機(jī)材料或者聚芳香烯醚(Flare)、芳香族碳?xì)浠衔?SILK)以及二曱苯塑 料等有機(jī)材料或者它們的組合。
本實(shí)例中，所述第一介質(zhì)層102的厚度為1納米~15納米，具體厚度例 如1納米、2納米、3納米、4納米、5納米、6納米、7納米、8納米、9納 米、IO納米、ll納米、12納米、13納米、14納米或15納米等。
本實(shí)例中，所述第一介質(zhì)層102作為底層介質(zhì)，主要作用體現(xiàn)在閃存單 元結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程和擦除操作的過程中，作為電荷遷移的通道；在閃存單元結(jié) 構(gòu)處于信號保持的狀態(tài)下，可以在存儲電荷層103與半導(dǎo)體襯底101之間實(shí) 現(xiàn)絕緣隔離，保證在操作電平消失之后，閃存單元結(jié)構(gòu)仍能保持其固有之信 號。
本實(shí)例中，所述非金屬離散原子島104的材料為氮化硅、氧化硅、氮氧 化硅、硅、富硅的氮化硅、富硅的氧化硅或者富硅的氮氧化硅等非金屬材 料。采用非金屬材料可以避免金屬離子對半導(dǎo)體工藝的污染，提高晶體管的 成品率。氮化硅介電常數(shù)高、表面用于存儲電荷的懸桂鍵密度大，比較適合 用作非金屬離散原子島的材料。氧化硅和硅是目前半導(dǎo)體行業(yè)最常見的材
料，制備筒單、成本低廉、工藝穩(wěn)定，因此也可以用作非金屬離散原子島的 材料。采用富硅的氮化硅、富硅的氧化硅或者富硅的氮氧化硅等富硅的非金 屬材料，由于其富硅的材料結(jié)構(gòu)，非金屬離散原子島的表面具有較大的懸掛 掛鍵密度，因此存儲電荷的密度高，可以提高非金屬離散原子島的電荷存儲 效率。
本實(shí)例中，所述非金屬離散原子島104存在于存儲電荷層103中，且島 與島之間是處于分離狀態(tài)的。島與島之間的分離，可以抑制電荷沿存儲電荷 層的橫向方向發(fā)生遷移，這種遷移效應(yīng)會導(dǎo)致閾值電壓漂移。島與島之間的 分離狀態(tài)有利于降低閾值電壓的漂移。
本實(shí)例中，所述之非金屬離散原子島104為富硅的氮化硅時，硅與氮原 子數(shù)的比例為3:4 3:0，具體比例例如3:4、 3:3.5、 3:3、 3:2.5、 3:2、 3:1.5、 3;1、 3:0.5或者3:0等。
本實(shí)例中，所述之非金屬離散原子島104為富硅的氧化硅時，硅與氧原 子數(shù)的比例為1:2 1:0，具體比例例如1:2.0、 1:1.8、 1:6、 1:1.4、 1:1.2、 1:1.0、 1:0.8、 1:0.6、 1:0.4、 1:0.2或者1:0等。
本實(shí)例中，所述非金屬離散原子島104的直徑為3埃~20埃，具體直徑 例如3埃、4埃、5埃、6埃、7埃、8埃、9埃、10埃、11埃、12埃、13 埃、14埃、15埃、16埃、17埃、18埃、19?；蛘?0埃等。
非金屬離散原子島104在閃存單元結(jié)構(gòu)中用于實(shí)現(xiàn)電荷存儲的功能。非 金屬離散原子島104可以避免電荷的橫向遷移對閾值電壓造成的影響；采用 非金屬離散原子島104,可以增加原子島表面的空懸桂化學(xué)鍵密度，從而增 加單位面積內(nèi)電荷陷阱的數(shù)目，具有更高的電荷存儲效率；非金屬離散原子 島104采用的材料為氮化硅或者氧化硅等非金屬材料，避免了金屬離子的沾 污。
本實(shí)例中，所述第二介質(zhì)層105的材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、
氧化鋁、氧化鉭、氧化鎬、氧化鉿、加氟的硅酸鹽玻璃層、氫化硅倍半氧化 物、以及摻碳的氧化硅等無機(jī)材料或者聚芳香烯醚、芳香族碳?xì)浠衔镆约?二甲苯塑料等有機(jī)材料或者它們的組合。
本實(shí)例中，所述第二介質(zhì)層105的厚度為4納米~30納米，具體厚度例 如4納米、5納米、6納米、7納米、8納米、9納米、IO納米、11納米、12 納米、13納米、14納米、15納米、16納米、17納米、18納米、19納米、 20納米、21納米、22納米、23納米、24納米、25納米、26納米、27納 米、28納米、29納米或30納米等。
本實(shí)例中，所述源極107和漏極108位于"第一介質(zhì)層102/存儲電荷層 103/第二介質(zhì)層105，，的三層堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底101內(nèi)。
本實(shí)例中，所述源極107和漏極108,它們的位置可以互換。
本實(shí)例中，所述柵極106的材料可以是單晶或者多晶的硅或者鍺硅，也 可以是N型或者P型摻雜的單晶或者多晶的硅或者鍺硅也可使是銅、鋁、 金、柏、鎳、鈦、錫，銀或者其他金屬中的一種，也可以是它們的組合。
實(shí)施例二
本實(shí)施例提供一種閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法。參考附圖3所示的實(shí)施流 程圖。步驟S201,在半導(dǎo)體襯底上形成第一介質(zhì)層；步驟S202，在第一介 質(zhì)層上形成存儲電荷層，包含有非金屬離散原子島；步驟S203,在存儲電荷 層上形成第二介質(zhì)層；步驟S204，退火；步驟S205,在由第一介質(zhì)層/存儲 電荷層/第二介質(zhì)層組成的三層堆疊結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成源極和漏極；步驟 S206，在三層堆疊結(jié)構(gòu)上形成柵極。
圖4至圖8是本發(fā)明形成閃存單元結(jié)構(gòu)的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所 示，在半導(dǎo)體襯底201上形成第一介質(zhì)層202。
本實(shí)例中，參考步驟S201,所述之半導(dǎo)體襯底201可以是半導(dǎo)體領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的各種半導(dǎo)體材料，包括單晶或者多晶結(jié)構(gòu)的硅或硅鍺，還可以 是含有摻雜離子例如N型或者P型摻雜的硅或者硅鍺，也可以包括化合物半 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，例如碳化硅、銻化銦、碲化鉛、砷化銦、磷化銦、砷化鎵、銻化
鎵、氮化鎵、氮化鋁，氮化銦合金半導(dǎo)體或其組合；也可以是絕緣體上硅； 也可以是應(yīng)變硅、應(yīng)力硅鍺或者其他應(yīng)變材料。所述半導(dǎo)體襯底可以是空白 的半導(dǎo)體材料襯底，也可以是已經(jīng)形成各種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、器件以及線路的半
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S201,所述第一介質(zhì)層202的材料為氧化硅、 氮化硅、氮氧化硅、氧化鋁、氧化鉭、氧化鎬、氧化鉿、加氟的硅酸鹽玻璃 層、氫化硅倍半氧化物、以及摻碳的氧化硅等無機(jī)材料或者聚芳香烯醚、芳 香族碳?xì)浠衔镆约岸醣剿芰系扔袡C(jī)材料或者它們的組合。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S201,所述第一介質(zhì)層202的形成方法為化學(xué) 氣相沉積法、物理沉積法、磁控濺射法、熱蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、真空磁 過濾弧沉積法、離子束輔助沉積法、激光輔助沉積法、熱氧化法、等離子體 輔助沉積法或者它們的組合。
本實(shí)例中，參考步驟S201,所述之第一介質(zhì)層202的形成方法若為熱氧 化法時，可以采用干法熱氧化、濕法熱氧化或者它們的組合。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S201,所述第一介質(zhì)層202的厚度為1納米 ~15納米，具體厚度例如1納米、2納米、3納米、4納米、5納米、6納 米、7納米、8納米、9納米、10納米、11納米、12納米、13納米、14納 米或15納米等。
如圖5所示，在第一介質(zhì)層202上形成存儲電荷層203,包含有非金屬 離散原子島204。
本實(shí)例中，參考步驟S202，所述非金屬離散原子島204的材料為氮化 硅、氧化硅、氮氧化硅、硅、富硅的氮化硅、富硅的氧化硅或者富硅的氮氧化硅等非金屬材料。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述非金屬離散原子島204存在于存儲 電荷層203中，且島與島之間是處于分離狀態(tài)的。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述之非金屬離散原子島204為富硅的 氮化硅時，硅與氮原子數(shù)的比例為3:4 3:0，具體比例例如3:4、 3:3.5、 3:3、 3:2.5、 3:2、 3:1.5、 3:1、 3:0.5或者3:0等。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述之非金屬離散原子島204為富硅的 氧化硅時，硅與氧原子數(shù)的比例為1:2 1:0，具體比例例如1:2.0、 1:1.8、 1:6、 1:1.4、 1:1.2、 1:1.0、 1:0.8、 1:0.6、 1;0.4、 1:0.2或者1:0等。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202，所述非金屬離散原子島204的直徑為3 埃~20埃，具體直徑例如3埃、4埃、5埃、6埃、7埃、8埃、9埃、10 埃、11埃、12埃、13埃、14埃、15埃、16埃、17埃、18埃、19?；蛘?20埃等。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述之非金屬離散原子島204采用原子 層沉積的方法制備。
現(xiàn)有的采用注入方法形成離散原子島的技術(shù)，只能采用金屬離子，而非 金屬離子由于原子質(zhì)量大，不易加速，且成核困難，因此無法用于上述技術(shù) 中。參考步驟S202在制作離散原子島204的過程中，利用原子層沉積的方 法，可以實(shí)現(xiàn)采用非金屬材料制作離散原子島，避免了采用金屬離散原子島 引起的沾污問題。
傳統(tǒng)的原子層沉積工藝，用于沉積連續(xù)的薄膜結(jié)構(gòu)，參考步驟S202提 供的原子層淀積工藝，通過調(diào)整氣體的流量、流過時間，以及反應(yīng)室的溫 度、壓力等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)離散原子島而非連續(xù)薄膜的制作。
所述原子層沉積的方法包括先將第一前體氣體流向原子層沉積室內(nèi)的 半導(dǎo)體襯底表面的第一介質(zhì)層，在第一介質(zhì)層上形成離散的第一單層；惰性
吹掃氣體流向在原子層沉積室內(nèi)的半導(dǎo)體襯底；第二前體氣體流向原子層沉
積室，與形成第一單層的第一前體氣體反應(yīng)，形成非金屬離散原子島；惰性
吹掃氣體流向原子層沉積室。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述原子層沉積的方法，第一前體氣體 為 SiH4 、 Si(OC2H5)4 、 SiH2[NH(C4H9)]2 、 SiH(OC2H5)3 、 Si2Cl6或 SiHN[(CH3)2]3。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述原子層沉積的方法，所述第一前體 氣體為SiH4時，第一前體氣體流向原子層沉積室內(nèi)的第一介質(zhì)層上的流量為 0.1slm 1.0slm，具體流量例如O.lslm、 0.2slm、 0.3slm、 0.4slm、 0.5slm、 0.6slm、 0.7slm、 0.8slm、 0.9slm或者l.Oslm。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述原子層沉積方法所采用的第一前體 氣體為SiH4時，第一前體氣體流向原子層沉積室內(nèi)的第一介質(zhì)層上的流入時 間1秒~10秒，具體時間例如1秒-、2秒、3秒、4秒、5秒-、6秒、7秒、、8 秒、9秒或者10秒。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述原子層沉積的方法，當(dāng)?shù)谝磺绑w氣 體為SiH4時，原子層沉積室內(nèi)的壓力0.9千帕~1千帕，具體壓力例如0.9千 帕、0.91千帕、0.92千帕、0.93千帕、0.94千帕、0.95千帕、0.96千帕、 0.97千帕、0.98千帕、0.99千帕或者1千帕。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述原子層沉積的方法，當(dāng)?shù)谝磺绑w氣 體為SiH4時，原子層沉積室內(nèi)的溫度為400°C~550°C，具體溫度例如 400°C、 410°C、 420°C、 430°C 、 440°C 、 450°C 、 460°C 、 470°C 、 480°C 、 49(TC或者500 °C。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述第二前體氣體為NH3、 N20、 N2、 02、 03或者1120。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S202,所述原子層沉積的方法，惰性吹掃氣體
為He、 Ne或Ar。
如圖6所示，在存儲電荷層203上形成第二介質(zhì)層205。
本實(shí)例中，參考步驟S203,所述第二介質(zhì)層205的形成方法為化學(xué)氣相
沉積法、物理沉積法、磁控濺射法、熱蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、真空磁過濾
弧沉積法、離子束輔助沉積法、激光輔助沉積法、等離子體輔助沉積法或者
它們的組合。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S203,所述第二介質(zhì)層205的材料為氧化硅、 氮化硅、氮氧化硅、氧化鋁、氧化鉭、氧化鎬、氧化鉿、加氟的硅酸鹽玻璃 層、氫化硅倍半氧化物、以及摻碳的氧化硅等無機(jī)材料或者聚芳香烯醚、芳 香族碳?xì)浠衔镆约岸醣剿芰系扔袡C(jī)材料或者它們的組合。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S203，所述第二介質(zhì)層205的厚度為4納米 ~30納米，具體厚度例如4納米、5納米、6納米、7納米、8納米、9納 米、10納米、11納米、12納米、13納米、14納米、15納米、16納米、17 納米、18納米、19納米、20納米、21納米、22納米、23納米、24納米、 25納米、26納米、27納米、28納米、29納米或30納米等。
本實(shí)例中，參考步驟S204,所述退火所需的氣體為氮?dú)狻e、 Ne或Ar等。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S204，所述退火溫度為800。C 950。C,具體溫 度例如800°C、 810°C、 820°C、 830°C 、 840°C 、 850°C 、 860°C 、 870°C 、 880°C、 890°C、 900°C、 910°C、 920°C、 930°C、 940。C或者950。C等。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S204，所述退火時間為10分鐘~60分鐘，具 體時間例如10分鐘、15分鐘、20分鐘、25分鐘、30分鐘、35分鐘、40分 鐘、45分鐘、50分鐘、55分鐘或者60分鐘等。
如圖7所示，在由笫一介質(zhì)層202/存儲電荷層203/第二介質(zhì)層205組成 的三層堆疊結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成源極206和漏極207。本實(shí)例中，參考步驟S205,所述之源極和漏極，可以采用干法刻蝕或者
濕法刻蝕的方法形成。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S205,所述之源極206和漏極207位于"第一 介質(zhì)層202/存儲電荷層203/第二介質(zhì)層205，，的三層堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的半導(dǎo)體襯 底201內(nèi)，通過離子注入、擴(kuò)散或者其他的方法摻入其他元素，改變源極 206和漏極207的導(dǎo)電類型，使其同半導(dǎo)體襯底201的導(dǎo)電類型相反。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S205,所述之源極206和漏極207,它們的位 置可以互換。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S205,所述之源極206和漏極207,當(dāng)襯底 201為P型硅襯底、P型SOI襯底或者P型應(yīng)變硅襯底等導(dǎo)電類型為P型的 半導(dǎo)體襯底時，其摻入元素可以是硼、鋁、鎵、銦中的一種或者它們的組 合。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S205，所述之源極206和漏極207，當(dāng)襯底 201為N型硅襯底、N型SOI襯底或者N型應(yīng)變硅襯底等導(dǎo)電類型為N型 的半導(dǎo)體襯底時，其摻入元素可以是氮、磷、砷、銻中的一種或者它們的組 合。
如圖8所示，在三層堆疊結(jié)構(gòu)上形成柵極208。
本實(shí)例中，參考步驟S206,所述柵極208的材料可以是單晶或者多晶的 硅或者鍺硅，也可以是N型或者P型摻雜的單晶或者多晶的硅或者鍺硅也可 使是銅、鋁、金、鉑、鎳、鈦、錫，銀或者其他金屬中的一種，也可以是它 們的組合。
本實(shí)例中，繼續(xù)參考步驟S206,所述柵極208的形成方法為化學(xué)氣相沉 積法、物理沉積法、磁控賊射法、熱蒸發(fā)法、電子束蒸發(fā)法、真空磁過濾弧 沉積法、離子束輔助沉積法、激光輔助沉積法、等離子體輔助沉積法或者它 們的組合。
以上實(shí)施例所提供的閃存單元結(jié)構(gòu)及其制作方法，采用非金屬離散原子
島作為閃存單元結(jié)構(gòu)的電荷存儲結(jié)構(gòu)，可以避免SONOS結(jié)構(gòu)中電荷的橫向 遷移效應(yīng)，因此可以有效地抑制閾值電壓的漂移；可以避免采用納米晶作為 電荷存儲結(jié)構(gòu)，由于晶粒尺寸大所帶來的存儲電荷的能力較差的問題；可以 避免采用金屬材料制作非金屬離散原子島，由于金屬的采用而帶來的對前道 工藝產(chǎn)生離子沾污的問題。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本 領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改， 因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種閃存單元結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底，位于半導(dǎo)體襯底上的第一介質(zhì)層，位于第一介質(zhì)層上的存儲電荷層，位于存儲電荷層上的第二介質(zhì)層，和位于由第一介質(zhì)層/存儲電荷層/第二介質(zhì)層組成的三層堆疊結(jié)構(gòu)上的柵極，以及半導(dǎo)體襯底內(nèi)位于三層堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的源極和漏極，其特征在于，所述的存儲電荷層包含有非金屬離散原子島。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之閃存單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述非金屬離散原 子島的材料為氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或硅。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述之閃存單元結(jié)構(gòu)，其特征在于所述非金屬離散原 子島的直徑為3埃 20埃。
4. 一種閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，包括下列步驟 在半導(dǎo)體襯底上形成第一介質(zhì)層；在第一介質(zhì)層上形成存儲電荷層，包含有非金屬離散原子島；在存儲電荷層上形成第二介質(zhì)層；退火；在由第一介質(zhì)層/存儲電荷層/第二介質(zhì)層組成的三層堆疊結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成 源才及和漏才及；在三層堆疊結(jié)構(gòu)上形成柵極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述之 非金屬離散原子島的材料為氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或硅。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述非 金屬離散原子島的直徑為3埃 20埃。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于形成非 金屬離散原子島的方法為原子層沉積法。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述的 原子層沉積法包括先將第一前體氣體流向原子層沉積室內(nèi)的半導(dǎo)體襯 底表面的第一介質(zhì)層，在第一介質(zhì)層上形成離散的第一單層；惰性吹掃 氣體流向在原子層沉積室內(nèi)的半導(dǎo)體襯底；第二前體氣體流向原子層沉 積室，與形成第一單層的第一前體氣體反應(yīng)，形成非金屬離散原子島； 惰性吹掃氣體流向原子層沉積室。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述第 一前體氣體為SiH4、 Si(OC2H5)4、 SiH2[NH(C4H9)]2、 SiH(OC2H5)3、 Si2Cl6 或SiHN[(CH3)2]3。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所 述第一前體氣體為SiH4時，第一前體氣體流向原子層沉積室內(nèi)的第一介 質(zhì)層上的流量為0.1slm 1.0slm。
11. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所 述第一前體氣體為SiH4時，第一前體氣體流向原子層沉積室內(nèi)的第一介 質(zhì)層上的流入時間1秒 10秒。
12. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于當(dāng) 第一前體氣體為SiH4時，原子層沉積室內(nèi)的壓力0.9千帕~1千帕。
13. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于當(dāng) 第 一前體氣體為SiH4時，原子層沉積室內(nèi)的溫度為400°C ~550 °C,
14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述第 二前體氣體為NH3、 N20、 N2、 02、 03或者1120。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述惰 性吹掃氣體為He、 Ne或Ar。
16. 根據(jù)權(quán)利要求4所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于所述退 火所需的氣體為氮?dú)?、He、 Ne或Ar。
17. 根據(jù)權(quán)利要求4所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于退火溫 度為800°C~950°C。
18.根據(jù)權(quán)利要求4或16或17所述之閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在 于退火時間為10分鐘~60分鐘。
全文摘要
一種閃存單元結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體襯底，位于半導(dǎo)體襯底上的第一介質(zhì)層，位于第一介質(zhì)層上的存儲電荷層，位于存儲電荷層上的第二介質(zhì)層，和位于由第一介質(zhì)層/存儲電荷層/第二介質(zhì)層組成的三層堆疊結(jié)構(gòu)上的柵極，以及半導(dǎo)體襯底內(nèi)位于三層堆疊結(jié)構(gòu)兩側(cè)的源極和漏極，所述的存儲電荷層包含有非金屬離散原子島。本發(fā)明還提供了一種閃存單元結(jié)構(gòu)的制作方法。本發(fā)明可以有效地抑制閾值電壓的漂移；可以提高閃存結(jié)構(gòu)單元的電荷存儲能力；可以避免采用金屬材料而帶來的金屬離子沾污的問題。
文檔編號H01L27/115GK101369607SQ20071004501
公開日2009年2月18日 申請日期2007年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月17日
發(fā)明者季明華, 崟 崔, 軍 陳 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司