[發明專利]形成納米單晶硅的方法和非揮發性半導體存儲器制造方法

有效

• 申請號: 200610028783.X
• 申請日: 2006-07-10
• 公開（公告）號: CN101106078A
• 公開（公告）日: 2008-01-16
• 發明（設計）人: 肖德元
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/20
• 分類號: H01L21/20;H01L21/28;H01L21/336;H01L21/8247
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司
• 代理人: 逯長明

技術領域

本發明涉及形成納米單晶硅層的方法和制造半導體器件的方法。具體地說，本發明涉及在絕緣襯底上外延生長納米單晶硅層的方法和制造含有納米單晶硅浮柵的非揮發性半導體存儲器的方法。

背景技術

非揮發性存儲器例如可擦除可編程只讀存儲器(electrically?programmableread-only?memory，EPROM)、電可擦可編程只讀存儲器(electrically-erasableprogrammable?read-only?memory，EEPROM)以及快閃存儲器(flash?memory)目前廣泛用做計算機系統的數據存儲器件。這些非揮發性存儲器通常包括大量具有電學絕緣性能的柵極，也就是通常所說的浮柵。納米單晶硅浮柵由于快速編程能力、低耗電性、高耐受性和較高的密度一致性受到了廣泛的關注。

由于納米單晶硅優越的物理性能如電子封閉(electron?confinement)、光致發光和電子發射等性能，其制備方法也得到了一定的發展。如公開號為US20050048796的美國專利申請提供了一種形成納米單晶硅的工藝。具體的工藝步驟為：第一步，用氫原子團對基體表面進行處理，所述的氫原子團是通過對氫氣進行等離子體沉積得到的；第二步，通過含有硅的氣體的熱化學反應沉積晶粒尺寸在10nm以下的單晶硅，所述的含有硅的氣體可以是SiH₄或者Si₂H₆與氫氣的混合氣體；第三步，通過使用氧氣、氧原子或者氮原子中的一種，將單晶硅原子用氧原子或者氮原子連接起來。上述的三個步驟可以循環進行，直到達到設定的納米單晶硅的厚度。但是上述方法很難控制每一個納米單晶硅晶粒的尺寸，也難以控制形成的納米單晶硅的數量。

比較常見的另一種形成納米單晶硅的方法是退火處理法，主要是采用高化學當量的非晶氮化硅膜沉積形成納米單晶硅顆粒。如美國專利號為6774061的專利方案提供了一種形成納米單晶硅的方法，具體的工藝為：在硅基體上形成二氧化硅層；在二氧化硅層上形成一個曝光的掩膜層；在掩膜層上形成至少一個開口；通過掩膜層上所述的至少一個開口將硅離子植入二氧化硅層，離子植入的能量在0.1～7keV；在700到800℃的情況下對半導體基體進行退火處理，使植入的硅離子變成有序分布的的納米單晶硅。但是本方法也很難控制每一個納米單晶硅晶粒的尺寸，也難以控制形成的納米單晶硅的數量。

由于上述形成納米單晶硅的方法不能有效控制納米單晶硅的數量、尺寸和形狀，因此，在使用上述方法制備的納米單晶硅作為非揮發性存儲器的浮柵時，存儲器的編程速度和數據保持能力很難同時得到提高。

發明內容

本發明解決的問題是針對現有技術中納米單晶硅的形成工藝的缺陷，提供一種納米單晶硅形成方法，這種方法能夠有效控制形成的納米單晶硅晶粒的數量和尺寸。本發明還提供了含有納米單晶硅浮柵的非揮發性半導體存儲器的方法。

本發明是通過下面的技術方案來實現的：一種納米單晶硅的形成方法，具體的工藝步驟為：

在半導體基體上形成富硅介質薄膜層；

將硅離子植入富硅介質薄膜層；

對半導體基體進行退火處理，在富硅介質薄膜層中形成納米單晶硅。

所述的半導體基體可以是硅或者絕緣體上硅(SOI)。

所述的富硅介質薄膜層可以是富硅氧化物SiO_x(0＜X＜2)或者富硅氮氧化物SiO_xN_y(0＜X＜1、0＜Y＜1)。

所述的富硅介質薄膜層的折射率為1.48至1.98。

硅離子植入時采用離子垂直植入的方式，環境中的硅離子的密度為1×10¹⁴至1×10¹⁶個/cm²，比較優選的是4×10¹⁵至1×10¹⁶個/cm²，離子植入的能量為50至300keV，比較優選的是100至120keV。

對半導體基體在NH₃、N₂、H₂或者Ar氛圍下進行退火處理，退火溫度在700到1000℃之間，可使富硅介質層中的原子分解成納米單晶Si和硅的氧化物或者硅的氮氧化物的形式。