專利名稱：：基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠納米硅存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及納米硅浮柵存儲(chǔ)器制備的
技術(shù)領(lǐng)域：
。尤其是基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠硅量子點(diǎn)(納米硅浮柵存儲(chǔ)器)的制備。
背景技術(shù)：
：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的基本單元，廣泛應(yīng)用于U盤、MP3及手機(jī)等移動(dòng)通訊、民用、國(guó)防等領(lǐng)域，與數(shù)字邏輯電路一起是集成電路的兩大支柱產(chǎn)業(yè)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中又以NAND和NOR浮柵型快閃存儲(chǔ)器為非揮發(fā)存儲(chǔ)器的代表。但傳統(tǒng)的浮柵型非揮發(fā)存儲(chǔ)器又因集成電路向32nm以下發(fā)展而受到制約。表現(xiàn)在由于應(yīng)力誘導(dǎo)漏電流和單元間浮柵耦合效應(yīng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)保持時(shí)間和可靠性降低甚至器件操作失效。在此背景下，人們探求各種新型的存儲(chǔ)器件工作原理和結(jié)構(gòu)，其中納米晶浮柵存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和技術(shù)在上世紀(jì)末被提出來(lái)并得到發(fā)展。其基本發(fā)明點(diǎn)是用兩個(gè)絕緣層之間的nc-Si晶粒層替代常規(guī)浮柵(如多晶硅、氮化硅等)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到由nc-Si存儲(chǔ)電荷(信息)的目的。這一部分也是最后制成的納米硅浮柵存儲(chǔ)器的關(guān)鍵工藝部分，直接影響存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)窗口和保持時(shí)間等存儲(chǔ)器的基本性能。而本發(fā)明提出一種基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠硅量子點(diǎn)制備技術(shù)，是用于納米硅存儲(chǔ)器制備控制介質(zhì)層/納米硅層/隧穿介質(zhì)層的關(guān)鍵技術(shù)，在5英寸MOS工藝線上獲得優(yōu)良的nc-Si浮柵結(jié)構(gòu)MOSFET器件存儲(chǔ)特性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提出一種納米硅浮柵存儲(chǔ)器的制備控制介質(zhì)層/納米硅層/隧穿介質(zhì)層的制備關(guān)鍵，用于制備基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠硅量子點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠納米硅浮柵存儲(chǔ)器(硅量子點(diǎn))的制備方法，在硅襯底上利用局域氧化工藝(LOCOS技術(shù))形成源漏窗口區(qū)域，在注入硼離子并去除Si02膜后，進(jìn)行以下步驟1)在此硅氧化工藝后的區(qū)域制備隧穿氧化層用氯化氫氧化工藝方法制備隧穿氧化層，厚度3.5±0.5nm;2)制備納米硅層采用低壓化學(xué)氣相淀積方法(LPCVD)淀積nc-Si;nc-Si厚度15-20nm;3)制備氮化nc-Si層，對(duì)nc-Si氮化采用LPCVD方法對(duì)nc-Si氮化，氮化的氣源NH3,溫度780°C，時(shí)間2-10min，nc-Si尺寸5-10nm;4)制備氮化硅(SiNx)控制柵采用LPCVD方法，氣源SiH2Cl2:NH3=30:2^(sccm)，氣壓350mTorr，溫度780°C，時(shí)間5-10min;厚度20-30nm;5)采用帶有LOCOS方法的MOS和CMOS工藝，與上述四道關(guān)鍵工藝相銜接，制備納米硅浮柵存儲(chǔ)器并封裝。本發(fā)明的技術(shù)方案是制備基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠納米硅浮柵存儲(chǔ)器，在標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型N溝道MOS晶體管的傳統(tǒng)方法中加入新的工藝，形成3nc-Si浮柵結(jié)構(gòu)。圖l是nc-Si浮柵結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。該結(jié)構(gòu)核心的工藝是1、隧穿介質(zhì)層用氯化氫氧化方法在Si襯底上形成3.5nm厚的&02層；2、nc-Si層用LPCVD法淀積10-20nm的nc-Si層；3、nc-Si層氮化LPCVD系統(tǒng)中對(duì)nc-Si層氮化，4、nc-Si縮小到5-10nm;5、控制介質(zhì)層在LPCVD系統(tǒng)中淀積20-30nm的SiN。本發(fā)明的有益效果1.本方法制備nc-Si浮柵存儲(chǔ)器的關(guān)鍵工藝，在5英寸M0S工藝線上完成流片。本發(fā)明所提關(guān)鍵技術(shù)完全與微電子MOS工藝和CMOS工藝相兼容。2.采用本方法nc-Si浮柵存儲(chǔ)器的關(guān)鍵工藝可以得到具有清晰的氮化硅控制柵/氮化nc-Si層/隧穿氧化層結(jié)構(gòu)。圖2是nc-SiMOSFET的剖面電子顯微(TEM)像，清晰看到硅襯底、關(guān)鍵工藝層、多晶硅柵層、磷硅玻璃鈍化層、摻雜磷硅玻璃層。3.采用本方法制備的尚未氮化的nc-Si層表面的SEM照片如圖3所示。(a)和(b)分別為不同淀積溫度下LPCVD生長(zhǎng)的nc-Si的SEM照片，生長(zhǎng)條件20%SiHLj,80%He,350mTorr,2min;(a)560°C;(b)580°C。從圖中可以看出對(duì)于560°C和580°C樣品的nc-Si顆粒尺寸和密度分別為8-12nm、3-4xl0"/cm2和10-15nm、2-3xl0"/cm2。實(shí)現(xiàn)了高密度、單分散、高可靠的硅量子點(diǎn)制備。4.圖4是nc-SiMOSFET關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)的剖面TEM和剖面高分辨TEM照片，清晰展示了隧穿氧化層、氮化的nc-Si層、SiN控制柵，nc-Si顆粒由氮化層包圍，如圖4(a)所示。特別是在圖4(b)的剖面高分辨TEM照片中看到氮化nc-Si的晶格相，，經(jīng)過(guò)氮化后nc-Si尺寸減小為5-10nm。nc-Si顆粒由氮化層包圍，可實(shí)現(xiàn)基于分立電荷存儲(chǔ)模式的電荷存儲(chǔ)。5.采用本發(fā)明方法制備的nc-Si浮柵存儲(chǔ)器具有MOS晶體管的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，如圖5所示。器件原始轉(zhuǎn)移特性曲線的閾值電壓為0.8V左右，為增強(qiáng)型器件。6.當(dāng)電子或空穴注入nc-Si浮柵時(shí)轉(zhuǎn)移特性曲線(lDs-VGs)將發(fā)生移動(dòng)。利用本發(fā)明制備的nc-Si浮柵存儲(chǔ)器在編程電壓固定為土8V、編程時(shí)間分別為10ms和100ms時(shí)，觀察到轉(zhuǎn)移曲線的移動(dòng)。編程電壓為正時(shí)，電子從硅襯底隧穿到nc-Si量子點(diǎn)，轉(zhuǎn)移曲線向右移動(dòng)；編程電壓為負(fù)時(shí)，空穴從硅襯底隧穿到nc-Si量子點(diǎn)，轉(zhuǎn)移曲線向左移動(dòng)；圖6給出了柵長(zhǎng)/柵寬為3微米/10微米的nc-Si浮柵MOSFET編程以后的IDS-VGS曲線。在編程時(shí)間為10ms時(shí)，閾值電壓改變(存儲(chǔ)窗口)AVT為1.4V;在編程時(shí)間為100ms時(shí)，閾值電壓改變(存儲(chǔ)窗口)AVT為2.0V。為了證明電荷的存儲(chǔ)是由于引進(jìn)了彼此絕緣的、分離的nc-Si量子點(diǎn)引起的，我們也制備了不含nc-Si的樣品，在編程電壓固定為土8V、編程時(shí)間分別為10ms和100ms時(shí)，沒(méi)有觀察到轉(zhuǎn)移曲線的移動(dòng)。這證明了我們所制作樣品的存儲(chǔ)效應(yīng)是來(lái)自于nc-Si。同時(shí)，計(jì)算表明每一個(gè)nc-Si顆粒存儲(chǔ)一個(gè)電子。電荷保持時(shí)間是nc-Si存儲(chǔ)效應(yīng)的重要指標(biāo)。圖7是nc-Si浮柵MOSFET的電荷保存特性曲線，編程電壓和時(shí)間分別為10V和5s。在室溫下的保持特性由圖7中的測(cè)量結(jié)果推算得經(jīng)10天運(yùn)行后，存儲(chǔ)窗口仍可保持在1V以上。圖1ric-Si浮柵存儲(chǔ)器的剖面示意圖。圖2nc-SiMOSFET的剖面TEM像，清晰看到硅襯底、關(guān)鍵工藝層、多晶硅柵層、磷硅玻璃鈍化層、摻雜磷硅玻璃層。圖3不同淀積溫度下LPCVD生長(zhǎng)的nc-Si的SEM照片，生長(zhǎng)條件20%SiH4，80%He，350mTorr，2min;(a)560。C;(b)580。C。圖4nc-SiMOSFET關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)的剖面TEM(a)和剖面高分辨TEM(b)照片。圖5nc-Si量子點(diǎn)浮置柵MOSFET的傳輸特性(a)與轉(zhuǎn)移特性(b)圖6外加一定時(shí)間的柵偏壓，轉(zhuǎn)移曲線隨外加電壓的移動(dòng)圖7nc-Si量子點(diǎn)浮置柵MOSFET的電荷保持特性nc-Si浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性浮柵存儲(chǔ)器的具體工藝見(jiàn)表一的流程圖，其中黑體部分是在標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型N溝道MOS晶體管的傳統(tǒng)工藝中加入的形成nc-Si浮柵結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵工藝。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>16柵區(qū)光刻(版II-ln、版V-3n、版VI-5n)17干法刻蝕形成源漏區(qū)、去膠18退火19源漏區(qū)磷離子注入20磷硅玻璃淀積21退火回流22引線孔光刻(版m)23蒸鋁、反刻鋁電極(版IV)24合金化具體實(shí)施例方式圖l是nc-Si浮柵結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。該結(jié)構(gòu)形成的工藝是1、隧穿介質(zhì)層用氯化氫氧化方法在Si襯底上形成3.5nm厚的Si02層；2、nc-Si層用LPCVD法淀積10-20nm的nc-Si層；3、nc-Si層氮化LPCVD系統(tǒng)中對(duì)nc-Si層氮化，4、nc-Si縮小到5-10nm;5、控制介質(zhì)層在LPCVD系統(tǒng)中淀積20-30nm的SiN。1.選用p型、(100)、硅襯底，電阻率p-6-8Q'cm2.LOCOS氧化技術(shù)形成場(chǎng)氧化絕緣區(qū)域3.注硼；4.去除Si02膜。(以上為常規(guī)MOS工藝)5.制備含氯氧化形成隧穿氧化層，用氯化氫氧化工藝方法制備隧穿氧化層氣體流量N2/02(均為流量或體積比，其中含3%體積的HCL)-10:1條件800°C、15±5min、10LN2/lLO2(30/oHCL)，厚度約3.5±0.5歸6.LPCVD淀積nc-Si，采用低壓化學(xué)氣相淀積技術(shù)(LPCVD)淀積，氣流20%(體積比)SiH4(He稀釋)氣壓350mTorr，溫度和時(shí)間560-580°C(580°C、1-3min或560°C、2-4min);nc-Si尺寸15-20nm,nc墨Si密度2-3xl0"/cm2。7.對(duì)納米硅氮化低壓化學(xué)氣相淀積技術(shù)(LPCVD)，在LPCVD系統(tǒng)通NH3，780'C，2-10min，最后得到nc-Si的氮化層尺寸為5-10nm。以下為常規(guī)MOS工藝8.制備控制柵介質(zhì)層采用LPCVD淀積SiNx,時(shí)間5-10min，條件:SiH2Cl2:NH3=30:290(sccm)，350mTorr，780°C，淀積的厚度約20-30nm。9.LPCVD淀積Poly-Si;10.磷離子注入(重?fù)?；11.柵區(qū)光刻，干法刻蝕Poly-Si形成源漏區(qū)、去膠；12.帶氧退火形成源漏注入的保護(hù)側(cè)墻；13.源漏區(qū)磷離子注入；14.APCVD淀積磷硅玻璃；15.退火回流；16.引線孔光刻，濺射鋁、反刻鋁電極，合金化。權(quán)利要求1、基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠納米硅存儲(chǔ)器的制備方法，在硅襯底上利用局域氧化工藝(LOCOS方法)形成窗口區(qū)域，在注入硼離子并去除SiO2膜后，其特征是采用以下步驟1)在此硅局域場(chǎng)氧化工藝后的源漏窗口區(qū)域制備隧穿氧化層用氯化氫氧化工藝方法制備隧穿氧化層，厚度3.5±0.5nm；2)制備納米硅層(nc-Si)層采用低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)方法，形成高密度、單分散特性一致的nc-Si；nc-Si尺寸15-20nm；3)制備氮化nc-Si層，對(duì)nc-Si氮化采用LPCVD方法對(duì)nc-Si氮化，形成相互電絕緣的nc-Si，同時(shí)在nc-Si周圍形成勢(shì)壘層，改善存儲(chǔ)信息的保存時(shí)間，氮化后的nc-Si尺寸5-10nm；4)制備氮化硅(SiNx)控制柵采用LPCVD方法，厚度為20-30nm。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠納米硅浮柵存儲(chǔ)器的制備方法，其特征是在5英寸片上采用帶有LOCOS方法的MOS和CMOS工藝，與上述四道關(guān)鍵工藝相銜接，制備納米硅浮柵存儲(chǔ)器并封裝。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠納米硅浮柵存儲(chǔ)器的制備方法，其特征是LPCVD淀積nc-Si，20%(體積比)SiH4(He稀釋)，氣壓350mTorr;溫度和時(shí)間560-580。C(580°C、l-3min或560°C、2-4min)，nc陽(yáng)Si尺寸15-20nm(顆粒尺寸);nc-Si密度:2-4x10W。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠納米硅浮柵存儲(chǔ)器的制備方法，其特征是對(duì)納米硅氮化，采用低壓化學(xué)氣相淀積方法(LPCVD)，通NH3，溫度78(TC，時(shí)間2-10min,最后得到由氮化層包裹的nc-Si尺寸為5-10nm。全文摘要基于分立電荷存儲(chǔ)模式的高密度、單分散、高可靠納米硅存儲(chǔ)器的制備方法，在硅襯底上利用局域氧化工藝形成窗口區(qū)域，在注入硼離子并去除SiO₂膜后，采用以下步驟1)在窗口區(qū)域制備隧穿氧化層用氯化氫氧化工藝方法制備隧穿氧化層，厚度3.5±0.5nm；2)制備納米硅層層采用低壓化學(xué)氣相淀積方法，形成高密度、單分散特性一致的nc-Si；nc-Si尺寸15-20nm；3)制備氮化nc-Si層，對(duì)nc-Si氮化對(duì)nc-Si氮化，形成相互電絕緣的nc-Si，同時(shí)在nc-Si周圍形成勢(shì)壘層，改善存儲(chǔ)信息的保存時(shí)間，氮化后的nc-Si尺寸5-10nm；4)制備氮化硅控制柵厚度為20-30nm。文檔編號(hào)H01L21/8247GK101645422SQ20091018132公開(kāi)日2010年2月10日申請(qǐng)日期2009年7月17日優(yōu)先權(quán)日2009年7月17日發(fā)明者張賢高,方忠慧,陳坤基,馬忠元,黃信凡申請(qǐng)人:南京大學(xué)