[發明專利]利用高k介質和納米晶浮柵的非易失存儲器及其制作方法

無效

• 申請號: 200710099544.8
• 申請日: 2007-05-24
• 公開（公告）號: CN101312212A
• 公開（公告）日: 2008-11-26
• 發明（設計）人: 胡媛;劉明;龍世兵;楊清華;管偉華;李志剛;劉琦
• 申請（專利權）人: 中國科學院微電子研究所
• 主分類號: H01L29/788
• 分類號: H01L29/788;H01L29/49;H01L29/51;H01L27/115;H01L21/336;H01L21/28;H01L21/8247
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，尤其涉及一種利用高k介質和納米晶浮柵的非易失存儲器及其制作方法。

背景技術

浮柵結構存儲器是目前被大量使用和普遍認可的主流存儲器類型，是一種十分重要的半導體元器件，被廣泛應用于電子和計算機行業。傳統的浮柵結構存儲器由于其自身結構與材料的選擇導致要求快速寫入/擦除操作和長時間高穩定性存儲相沖突的局限性，且隨著技術節點的縮小這一矛盾并沒有得到明顯改善，限制了浮柵存儲器的發展。

隨著特征尺寸進入到納米級，如何適應工藝的發展，在減小存儲單元尺寸的同時提高存儲數據寫入、讀取、擦除和保持性能，已經成為目前浮柵存儲器發展面臨的關鍵問題，這就要求從材料或結構上對傳統浮柵存儲器進一步改進。

基于SONOS(Poly-Si/SiO₂/Si₃N₄/SiO₂/Si)結構非易失存儲器而提出來的具有納米晶浮柵結構的非易失存儲器，利用納米晶顆粒作為電荷存儲介質，每一個納米晶顆粒與周圍晶粒絕緣且只存儲少量幾個電子，從而實現了分立電荷存儲，降低了隧穿介質層上的缺陷導致形成的致命的放電通道的危害性，只可能引起局部的納米晶顆粒上的電荷泄漏，從而保證了電荷的保持特性更加穩定。

納米晶顆粒材料的選擇對納米晶浮柵結構存儲器的存儲性能起著至關重要的決定作用。未來具有納米晶浮柵結構的非易失存儲器極有潛力為應用存儲設備提供更高的集成密度、更低的寫入/擦除電壓、更快的寫入/擦除速度、更高的耐受性、更強的數據保持特性和多位存儲能力。

在納米晶材料浮柵結構非易失存儲器的柵介質層中引入高k材料可以很大程度上提高存儲器的存儲性能和穩定性。相比較于傳統的SiO₂介質，高k材料介質的能帶勢壘高度比較低，有利于加快存儲器數據的寫入/擦除速度，從而縮短存儲器的編程操作工作時間，同時為降低寫入/擦除工作電壓提供了可能性。

此外，高k材料介質可以提供數倍于SiO₂介質的物理厚度，即相比較于具有相同等效氧化層厚度(Equivalent?Oxide?Thickness，EOT)的SiO₂介質，高k介質的物理厚度要大的多，這有利于延長數據保存的時間，增強存儲器的數據保持特性；同時這也為解決傳統的浮柵結構非易失存儲器所固有的柵介質層厚度的限制問題，提供了一個可行的研究方向，為減小存儲器尺寸和提高存儲器集成密度帶來了希望，有助于解決存儲器的尺寸和集成密度相對于目前半導體工藝技術節點縮小滯后的問題。

自1996年提出了在室溫下工作的采用硅納米晶浮柵結構的金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal?Oxide?Semiconductor?Field?Effect?Transistor，MOSFET)存儲器以來，納米晶浮柵結構非易失存儲器引起了廣泛的研究興趣，并已經在這一方面做了大量的研究工作。而近年來，高k介質材料由于其可以綜合性提高存儲器性能和穩定性，已經開始引起業界大量關注。

申請號為02130478.5的中國發明專利提供了一種具有量子點的存儲器及其制造方法，其隧道層采用氧化硅、氧化鋁、氧氮化硅、氧化鉭、氧化鉿、氧化鋯、STO(SrTiO?3)；浮柵采用量子點材料，包括硅、氮化硅、金屬；量子點的形成過程為先沉積模板層，接著氧化形成多孔模板，淀積量子點材料，刻蝕并平坦化。

申請號為20060125027的美國發明專利提供了一種采用HfO₂納米晶作為浮柵的非易失存儲器，通過共濺射Hf、Si形成含Hf的硅酸鹽，然后在Ar/O₂中快速退火形成HfO₂納米晶，隧穿介質采用SiO₂、Si₃N₄、HfO₂、ZrO₂、Al₂O₃、La₂O₃。

申請號為20060166452的美國發明專利及申請號為2006080999的世界發明專利提供了一種非易失納米晶存儲器及其制造方法，采用Si、Ge及金屬納米晶浮柵，采用SiO₂、HfO₂、La₂O₃、Al₂O₃隧穿介質，采用SiON_x控制柵介質，其中N的含量從納米晶浮柵到控制柵逐漸降低。