專利名稱：非揮發(fā)存儲器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域的非揮發(fā)存儲器的制備方法，尤 其涉及一種采用快速熱退火方法形成納米晶層的工序及與之兼容的制作源、漏電極和柵電極的工序最終完成三端耗盡型M0S納米晶浮柵型非揮發(fā) 存儲器的方法。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)性存儲器的主要特點(diǎn)是在不加電的情況下也能夠長期保持存儲 的信息。它既有只讀存儲器(ROM)的特點(diǎn)，又有很高的存取速度，而且易 于擦除和重寫，功耗較小。隨著多媒體應(yīng)用、移動(dòng)通信等對大容量、低功 耗存儲的需要，非揮發(fā)性存儲器，特別是閃速存儲器(Flash),所占半導(dǎo) 體器件的市場份額變得越來越大，也越來越成為一種相當(dāng)重要的存儲器類 型。傳統(tǒng)的Flash存儲器是采用多晶硅薄膜浮柵結(jié)構(gòu)的硅基非揮發(fā)存儲器， 其局限主要與器件隧穿介質(zhì)層(一般是氧化層)的厚度有關(guān) 一方面要求 隧穿介質(zhì)層比較薄，以實(shí)現(xiàn)快速有效的P/E操作，另一方面要求具備較好 的數(shù)據(jù)保持性能以保持電荷存儲十年以上。自1995年S.Tiwari首次提出 采用硅納米晶作為存儲節(jié)點(diǎn)的概念后，納米晶浮柵存儲器由于其突出的可 縮小性能、高可靠性、低壓低功耗操作等一系列優(yōu)點(diǎn)，引起了廣泛的研究興 趣。納米晶浮柵存儲器利用納米晶體作為電荷存儲介質(zhì)，每一個(gè)納米晶粒 與周圍晶粒絕緣且只存儲少量幾個(gè)電子，從而實(shí)現(xiàn)分立電荷存儲。分立電 荷存儲的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的對于傳統(tǒng)的浮柵存儲結(jié)構(gòu)，隧穿介質(zhì)層上的 一個(gè)缺陷即會形成致命的放電通道；而分立電荷存儲可以降低此問題的危
害，隧穿介質(zhì)層上的缺陷只會造成局部納米晶上的電荷泄漏，這樣使電荷 保持更穩(wěn)定。隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體器件的尺寸進(jìn)一步按比例縮小， 傳統(tǒng)的氧化硅柵氧化層厚度相應(yīng)減薄。這時(shí)電子的隧穿電流更趨明顯，成 為器件等比例縮小的一個(gè)限制性因素。用高介電常數(shù)柵介質(zhì)材料如氧化鈦、 氧化鉿替代氧化硅，可以通過增加?xùn)沤橘|(zhì)層的物理厚度降低柵泄漏電流， 改善器件性能。耗盡型器件通過工藝的方法在器件襯底的表面形成一層反型層，通常 采用離子注入的方式在器件的表面形成與襯底摻雜類型相反的區(qū)域，由于 離子注入可以精確控制摻雜濃度，因此器件的夾斷電壓值具有可控性。在這類納米晶浮柵存儲器的制作中，尺寸小、分布均勻、具有納米量 級的量子點(diǎn)的制作是一個(gè)關(guān)鍵。到目前為止，制造納米晶浮柵型非揮發(fā)性存儲器中量子點(diǎn)的方法有申請?zhí)枮镃N200410056605.9的中國發(fā)明專利提 供了一種"具納米晶體或納米點(diǎn)之存儲單元"，硅、鍺納米晶通過離子注入 的方式形成。申請?zhí)枮镃N200310116438的中國發(fā)明專利提供了一種"制造 帶有納米點(diǎn)的存儲器的方法"，通過多孔模板(通過氧化形成)掩蔽刻蝕 電荷存儲層(Si、 Si美、A1203)形成納米點(diǎn)，過程為先沉積模板層，接著 氧化形成多孔模板，淀積量子點(diǎn)材料，刻蝕并平坦化。上海中芯國際公司 (Semiconductor Manufacturing International Corp.)采用低壓化學(xué)氣 相沉積(Low Pressure Chemical V即or D印osition)的方法得到量子點(diǎn)， 過程為首先在50(TC下淀積非摻雜非晶硅薄膜，接著通硅烷(SiH4)氣流并 將溫度升高至55(TC，然后在氮?dú)?N2)氛圍下高溫退火。這些方法都存在 工藝過程復(fù)雜，加工成本過高，難以大規(guī)模集成的缺點(diǎn)。有鑒于上述現(xiàn)有的非揮發(fā)存儲器的制備方法存在的缺陷，本發(fā)明人基 于從事此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造多年豐富的實(shí)務(wù)經(jīng)驗(yàn)及專業(yè)知識，積極加以研究 創(chuàng)新，以期創(chuàng)設(shè)一種新的非揮發(fā)存儲器的制備方法，使其更具有實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于，克服現(xiàn)有的非揮發(fā)存儲器的制備方法存在的 缺陷，而提供一種新的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所要解決的技術(shù)問題是 使制備工藝簡化，從而提高制造效率，提高納米晶層的穩(wěn)定性，從而更加 適于實(shí)用，且具有產(chǎn)業(yè)上的利用價(jià)值。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。依據(jù) 本發(fā)明提出的一種非揮發(fā)存儲器的制備方法，其包括A、 在半導(dǎo)體襯底上注入雜質(zhì)形成溝道層；B、 在溝道層上依次生長隧穿氧化層、納米晶浮柵層、柵氧化層，其中 納米晶浮柵層由快速熱退火方法形成；C、 進(jìn)行形成臺面的工序；D、 進(jìn)行形成柵區(qū)以及分別形成源、漏電極和柵電極的工序。 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。 優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟A中所述半導(dǎo)體襯底為P型硅片或絕緣體上硅。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟A中所述的雜 質(zhì)為磷。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟B中所述隧穿 氧化層材料為氧化硅、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁或氧化鈮，該隧穿氧化層 的厚度為5-10nm。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟B中所述納米 晶浮柵層材料為二氧化硅，厚度為3nm-8nm。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述步驟B中所述的快速 熱退火法的退火條件是溫度550-650°C，時(shí)間5-10分鐘。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟B中所述的柵 氧化層材料為氧化硅、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁或氧化鈮，該柵氧化層厚 度為15nm-20nm。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟C中所述形成 臺面的工序包括針對大尺寸器件的光學(xué)曝光方法或針對小尺寸器件的電
子束曝光方法，采用的光刻膠包括光學(xué)光刻膠或電子束抗蝕劑光刻膠。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟C中所述形成 臺面的工序包括濕法或干法刻蝕，刻蝕終止于襯底層。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟D中所述形成 柵區(qū)的工序包括包括針對大尺寸器件的光學(xué)曝光方法或針對小尺寸器件 的電子束曝光方法，光刻膠為光學(xué)光刻膠或電子束抗蝕劑光刻膠，并采用 濕法刻蝕或干法刻蝕，刻蝕終止于N型溝道層。優(yōu)選的，前述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，所述的步驟D中所述形成 源、漏電極和柵電極的工序包括針對大尺寸器件的光學(xué)曝光方法或針對 小尺寸器件的電子束曝光方法、光刻膠為光學(xué)光刻膠或電子束抗蝕劑光刻 膠；源、漏電極和柵電極材料是金屬A1和AU混合，采用電子束蒸發(fā)、熱 蒸發(fā)或者濺射的方法得到，剝離采用丙酮、乙醇、去離子水液體超聲方法; 先制作源、漏電極，經(jīng)退火以形成歐姆接觸；后制作柵電極，不退火。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。本發(fā)明非揮發(fā)存 儲器的制備方法，用于制造三端耗盡型M0S納米晶浮柵型非揮發(fā)存儲器， 其經(jīng)過四次光刻工藝， 一次離子注入工藝，兩次金屬剝離工藝。該方法至 少具有下列優(yōu)點(diǎn)1、 利用快速熱退火的方式得到納米晶層，并采用與耗盡型MOS器件制 作工藝相兼容的流程，最終可完成三端耗盡型M0S納米晶浮柵型非揮發(fā)存 儲器。2、 本發(fā)明中的快速熱退火的方式是一種有效的形成納米晶的加工手 段，可以獲得性能穩(wěn)定的納米晶層，并能很好地控制納米晶中硅量子點(diǎn)的 顆粒大小，獲得的量子點(diǎn)顆粒直徑在3-5nm范圍內(nèi)。3、 本發(fā)明提供了易于引入各類高介電常數(shù)材料作為柵介質(zhì)層的方法， 可使器件性能不斷改善。4、 利用本發(fā)明提供的制備三端耗盡型MOS納米晶浮柵型非揮發(fā)存儲器 的方法，從需要的設(shè)備及原料上來說，主要是采用了電子束蒸發(fā)設(shè)備，比 采用低壓化學(xué)氣相沉積(Low Pressure Chemical Vapor D印osition)、
分子束夕卜延(Molecular Beam Epitaxy)、原子層沉積(Atomic Layer D印osition)等方法的設(shè)備價(jià)格低，且不需要硅垸等易燃、易爆或有毒性的 氣體，所需的硅和氧化鉿粉末價(jià)格低廉；從制備的工藝步驟上來說，本發(fā) 明形成納米晶的過程步驟少，工藝簡單。這些都大大簡化了制備工藝，降 低了制備成本，提高了工藝穩(wěn)定性和制備效率，非常有利于本發(fā)明的廣泛 推廣和應(yīng)用。上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的 技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例 并配合附圖詳細(xì)說明如后。


圖1為本發(fā)明的非揮發(fā)存儲器的制備方法的流程圖；圖2為在半導(dǎo)體襯底上進(jìn)行注入形成溝道層示意圖；圖3-1至圖3-4為在溝道層上依次生長隧穿氧化層、納米晶浮柵層、 柵氧化層的工序流程示意圖；圖4-1和圖4-2為進(jìn)行形成臺面的工序流程示意圖；圖5-1至圖5-3為進(jìn)行形成柵區(qū)以及分別形成源、漏電極和柵電極的 工序流程示意圖。
具體實(shí)施方式
為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功 效，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的非揮發(fā)存儲器的制備 方法其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細(xì)說明如后。如圖1所示，為本發(fā)明提供的制作三端耗盡型MOS納米晶浮柵型非揮 發(fā)存儲器的方法流程圖，該方法包括以下步驟步驟101:在半導(dǎo)體襯底上進(jìn)行注入形成溝道層。所述半導(dǎo)體襯底為平 整、潔凈的P型(100)晶向硅片，或?yàn)榻^緣體上硅SOI。采用離子注入的 方法，摻入雜質(zhì)磷，在P型硅襯底表面附近形成N型溝道層。
步驟102:在溝道層上依次生長薄隧穿氧化層、納米晶浮柵層、較厚的 柵氧化層，其中浮柵層由快速熱退火方法生成半導(dǎo)體納米晶，作為電荷存 儲的節(jié)點(diǎn)。所述薄隧穿氧化層材料為氧化硅、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁或氧化鈮，厚度在5nm到10nm范圍內(nèi)，形成方法為化學(xué)氣相淀積。納米晶浮 柵層材料為二氧化硅，厚度在3nm到8nm范圍內(nèi)，所用設(shè)備為低溫真空電 子束蒸發(fā)裝ft采用快速熱退火法形成半導(dǎo)體納米晶的條件為溫度550-650 'C下退火5-10分鐘。較厚的柵氧化層材料為氧化硅、氧化鉿、氧化鋯、氧 化鋁或氧化鈮，厚度在15nm到20nm范圍內(nèi)，形成方法為化學(xué)氣相淀積。步驟103:進(jìn)行形成臺面的工序，實(shí)現(xiàn)各器件之間的隔離。所述形成臺 面的工序包括臺面圖形的光刻方法，采用針對大尺寸器件的光學(xué)曝光方 法和針對小尺寸器件的電子束曝光方法，所采用的光刻膠為光學(xué)光刻膠或 者電子束抗蝕劑光刻膠。形成臺面的方法為濕法或干法刻蝕，刻蝕終止于 襯底層，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)器件之間的隔離。步驟104:進(jìn)行形成柵區(qū)以及形成柵電極和源、漏電極的工序。形成柵區(qū)工序包括形成柵區(qū)圖形光刻方法，采用針對大尺寸器件的光學(xué)曝光方法和針對小尺寸器件的電子束曝光方法，所采用的光刻膠包括光學(xué)光刻膠和電子束抗蝕劑光刻膠。形成柵區(qū)的方法為濕法或干法刻蝕，刻蝕終止于N 型溝道層。形成源、漏電極和柵電極圖形需要分別進(jìn)行光刻，光刻方法包 括針對大尺寸器件的光學(xué)曝光方法和針對小尺寸器件的電子束曝光方法， 光刻膠包括光學(xué)光刻膠和電子束抗蝕劑光刻膠。柵電極和源、漏電極材料 是金屬Al和Au混合層，采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或者濺射的方法得到， 剝離采用丙酮、乙醇、去離子水液體超聲方法。源、漏電極制作完成后， 在40CTC下退火15分鐘以形成良好的歐姆接觸。柵電極制作完成后，不需 要退火。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，制備三端耗盡型MOS納米晶浮柵型非揮發(fā) 存儲器，首先在半導(dǎo)體襯底上進(jìn)行注入形成溝道層，然后在溝道層上依次 生長薄隧穿氧化層、納米晶浮柵層、較厚的柵氧化層，其中浮柵層由快速
熱退火方法生成半導(dǎo)體納米晶，作為電荷存儲的節(jié)點(diǎn)；接著進(jìn)行形成臺面 的工序，實(shí)現(xiàn)各器件之間的隔離；最后進(jìn)行形成柵區(qū)以及分別形成源、漏 電極和柵電極的工序；這樣得到完整的三端耗盡型M0S納米晶浮柵型非揮 發(fā)存儲器。具體分為以下過程請參閱圖2所示，是在半導(dǎo)體襯底上進(jìn)行注入形成溝道層的過程，將 平整、潔凈的P型(100)晶向硅片進(jìn)行離子注入，摻入雜質(zhì)磷，面密度為 3X 1015/cm2，從而在P型硅襯底表面附近形成N型溝道層。請參閱圖3-1至圖3-4所示，是本實(shí)施例中在溝道層上依次生長薄隧 穿氧化層、納米晶浮柵層、較厚的柵氧化層的過程。如圖3-l，采用PECVD (等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)法生長材料為二 氧化硅的薄隧穿氧化層5nm;如圖3-2，然后，采用低溫真空電子束蒸發(fā)在 薄隧穿氧化層上形成厚度為5nm的二氧化硅層；如圖3-3，采用快速熱退火 的方法在60(TC下退火5分鐘，形成半導(dǎo)體納米晶，得到納米晶浮柵層；如 圖3-4，采用PECVD法生長材料為二氧化硅的較厚的柵氧化層，其厚度為 15咖。請參閱圖4-1和圖4-2所示，是本實(shí)施例中進(jìn)行形成臺面的工序過程。 形成臺面的工序包括如圖4-l，臺面圖形光刻，采用旋涂的方法涂敷9918 光刻膠，時(shí)間1分鐘，轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，前烘后采用光學(xué)曝光方法確定 器件的尺寸；如圖4-2，濕法腐蝕，采用濕法腐蝕的方法刻蝕至襯底層，實(shí) 現(xiàn)各個(gè)器件之間的隔離。請參閱圖5-1至圖5-3所示，是進(jìn)行形成柵區(qū)以及分別形成源、漏電 極和柵電極的工序流程示意圖。包括如圖5-1，柵區(qū)圖形光刻，其采用 9918光刻膠，采用光學(xué)曝光方法確定器件的尺寸；如圖5-2，進(jìn)行濕法腐 蝕，采用濕法腐蝕至N型溝道層形成柵區(qū)；如圖5-3，形成源電極502、漏 電極503和柵電極501，源電極、漏電極和柵電極的圖形需要分別進(jìn)行光刻， 光刻工序中采用9918光刻膠，采用光學(xué)曝光方法確定器件的尺寸，柵電極 和源電極、漏電極材料是采用電子束蒸發(fā)金屬Al和An獲得，厚度為200nm; 金屬剝離采用丙酮、乙醇、去離子水液體超聲方法。
源電極、漏電極制作完成后，在400。C下退火15分鐘以形成良好的歐 姆接觸。柵電極制作完成后，不需要退火。由上述可知，在本發(fā)明的實(shí)施例中，通過采取快速熱退火的方式得到納米 晶層的方法，獲得性能穩(wěn)定、顆粒大小可控的納米晶浮柵層，進(jìn)行形成臺 面、形成柵區(qū)以及分別形成源、漏電極和柵電極的工序，最終完成三端耗 盡型MOS納米晶浮柵型非揮發(fā)存儲器的制作，大大簡化了制備工藝，降低 了制備成本，提高了工藝穩(wěn)定性和制備效率。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式 上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā) 明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利 用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但 凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例 所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，該方法包括A、在半導(dǎo)體襯底上注入雜質(zhì)形成溝道層；B、在溝道層上依次生長隧穿氧化層、納米晶浮柵層、柵氧化層，其中納米晶浮柵層由快速熱退火方法形成；C、進(jìn)行形成臺面的工序；D、進(jìn)行形成柵區(qū)以及分別形成源電極、漏電極和柵電極的工序。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所 述的步驟A中所述半導(dǎo)體襯底為P型硅片或絕緣體上硅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所 述的步驟A中所述的雜質(zhì)為磷。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所 述的步驟B中所述隧穿氧化層材料為氧化硅、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁或 氧化鈮，該隧穿氧化層的厚度為5-10nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所 述的步驟B中所述納米晶浮柵層材料為二氧化硅，厚度為3mn-8nm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所 述步驟B中所述的快速熱退火法的退火條件是溫度550-650°C，時(shí)間5-10 分鐘。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所 述的步驟B中所述的柵氧化層材料為氧化硅、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁或 氧化鈮，該柵氧化層厚度為15nm-20nm。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所 述的步驟C中所述形成臺面的工序包括針對大尺寸器件的光學(xué)曝光方法 或針對小尺寸器件的電子束曝光方法，采用的光刻膠包括光學(xué)光刻膠或電 子束抗蝕劑光刻膠。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所 述的步驟c中所述形成臺面的工序包括濕法或干法刻蝕，刻蝕終止于襯底層。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所述的步驟D中所述形成柵區(qū)的工序包括包括針對大尺寸器件的光學(xué)曝 光方法或針對小尺寸器件的電子束曝光方法，光刻膠為光學(xué)光刻膠或電子束抗蝕劑光刻膠，并采用濕法刻蝕或干法刻蝕，刻蝕終止于N型溝道層。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)存儲器的制備方法，其特征在于，所述的步驟D中所述形成源電極、漏電極和柵電極的工序包括針對大尺 寸器件的光學(xué)曝光方法或針對小尺寸器件的電子束曝光方法、光刻膠為光學(xué)光刻膠或電子束抗蝕劑光刻膠；源電極、漏電極和柵電極材料是金屬Al 和Au混合層，采用電子束蒸發(fā)、熱蒸發(fā)或者濺射的方法得到，剝離采用丙 酮、乙醇、去離子水液體超聲方法；先制作源、漏龜極，經(jīng)退火以形成歐 姆接觸，后制作柵電極。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于一種非揮發(fā)存儲器的制備方法，其包括以下步驟A.在半導(dǎo)體襯底上注入雜質(zhì)形成溝道層；B.在溝道層上依次生長隧穿氧化層、納米晶浮柵層、柵氧化層，其中納米晶浮柵層由快速熱退火方法形成；C.進(jìn)行形成臺面的工序；D.進(jìn)行形成柵區(qū)以及分別形成源電極、漏電極和柵電極的工序。通過采取快速熱退火的方式得到納米晶層，并采用與耗盡型MOS器件制作工藝相兼容的流程最終可完成三端耗盡型MOS納米晶浮柵型非揮發(fā)存儲器的制作。該方法簡化了制備工藝，降低了制備成本，提高了工藝穩(wěn)定性和制備效率。
文檔編號H01L21/336GK101399209SQ20081022334
公開日2009年4月1日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者明 劉, 朱晨昕, 李昊峰, 李維龍, 琴 王, 銳 賈, 晨 陳 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所