專(zhuān)利名稱(chēng)：形成納米單晶硅的方法和非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形成納米單晶硅層的方法和制造半導(dǎo)體器件的方法。具體地 說(shuō)，本發(fā)明涉及在絕緣襯底上外延生長(zhǎng)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(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)性存儲(chǔ)器例如可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(electrically programmable read-only memory, EPROM)、電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(electrically-erasable programmable read-only memory ， EEPROM)以及快閃存儲(chǔ)器(flash memory )
目前廣泛用做計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器件。這些非揮發(fā)性存儲(chǔ)器通常包括大 量具有電學(xué)絕緣性能的柵極，也就是通常所說(shuō)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(guān)注。
由于納米單晶硅優(yōu)越的物理性能如電子封閉(electron confinement)、光 致發(fā)光和電子發(fā)射等性能，其制備方法也得到了一定的發(fā)展。如公開(kāi)號(hào)為 US20050048796的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)峁┝?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(tuán)對(duì)基體表面進(jìn)行處理，所述的氬原子團(tuán)是通 過(guò)對(duì)氫氣進(jìn)行等離子體沉積得到的；第二步，通過(guò)含有硅的氣體的熱化學(xué)反 應(yīng)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 Si2仏與氫氣的混合氣體；第三步，通過(guò)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(lái)。上述的三個(gè)步驟可以循環(huán) 進(jìn)行，直到達(dá)到設(shè)定的納米單晶硅的厚度。但是上述方法很難控制每一個(gè)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(shù)量。
比4交常見(jiàn)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(xué)當(dāng)量的非晶氮化硅膜沉積形成納米單晶硅顆粒。如美國(guó)專(zhuān)利號(hào)為6774061 的專(zhuān)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(gè)曝光的掩膜層；在掩膜層上形成 至少一個(gè)開(kāi)口 ；通過(guò)掩膜層上所述的至少一個(gè)開(kāi)口將硅離子植入二氧化硅層， 離子植入的能量在O.l 7keV;在700到800。C的情況下對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)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(gè)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(shù)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(shù)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(fā)性存儲(chǔ)器的浮 柵時(shí)，存儲(chǔ)器的編程速度和數(shù)據(jù)保持能力很難同時(shí)得到提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)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(shù)量和尺寸。本發(fā)明還提供了含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ) 器的方法。
本發(fā)明是通過(guò)下面的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的 一種納米單晶硅的形成方法， 具體的工藝步驟為
在半導(dǎo)體基體上形成富硅介質(zhì)薄膜層； 將硅離子植入富硅介質(zhì)薄膜層；
對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理，在富硅介質(zhì)薄膜層中形成納米單晶硅。
所述的半導(dǎo)體基體可以是硅或者絕緣體上硅(SOI )。
所述的富硅介質(zhì)薄膜層可以是富硅氧化物SiOx (0<X<2)或者富硅氮氧 化物SiOxNy ( 0<X<1、 0<Y<1 )。
所述的富硅介質(zhì)薄膜層的折射率為1.48至1.98。
硅離子植入時(shí)采用離子垂直植入的方式，環(huán)境中的硅離子的密度為lx
1014至x 10"個(gè)/cm2,比較優(yōu)選的是4x 1015至1 x 10"個(gè)/cm2,離子植入的 能量為50至300keV,比較優(yōu)選的是100至120keV。
對(duì)半導(dǎo)體基體在NH3、 N2、 Fb或者Ar氛圍下進(jìn)行退火處理，退火溫度在 700到IOO(TC之間，可使富硅介質(zhì)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。
根據(jù)所采用的富硅介質(zhì)中硅原子含量的不同，以及植入的硅離子密度的 不同，退火后形成的納米單晶硅原子的密度在lxl010/cm2至lxl0"/cm2之間, 微粒直徑在1至10nm之間。
對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理的溫度應(yīng)該嚴(yán)格控制在700至IOO(TC之間，
在上述的溫度范圍較易形成納米單晶硅且有較低的熱預(yù)算。
另 一方面，本發(fā)明提供了含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 的方法，本方法包括下列步驟
在半導(dǎo)體基體上形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)； 在基體上形成一氧化層；
在上述氧化層上形成多晶硅層和納米單晶硅浮柵； 刻蝕上述多晶硅層、納米單晶硅浮柵和氧化層形成控制門(mén)； 在半導(dǎo)體基體中形成漏源區(qū)； 在控制門(mén)上形成氮化物或者氮氧化物隔離層； 在隔離層上沉積層間導(dǎo)電層，并形成連接存儲(chǔ)器內(nèi)電路的觸點(diǎn)。 上述的氧化層為隧道門(mén)氧化層，所述氧化物材料為氮?dú)饣?SiON)、富 硅氧化物(SRO)、 Hf02、 Al2Cb或者SiN。
上述在氧化層上形成多晶硅層和納米單晶硅浮柵的工藝方法為
在所述氧化層上沉積富硅介質(zhì)薄膜； 在富硅介質(zhì)薄膜層上沉積多晶硅層； 將硅離子通過(guò)多晶硅層植入富硅介質(zhì)薄膜層；
對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理，在富硅介質(zhì)薄膜層中形成納米單晶硅。 所述的富硅介質(zhì)薄膜層可以是富硅氧化物SiOx (0<X<2)或者富硅氮氧 化物SiOxNy ( 0<X<1、 0<Y<1 )。
所述的富硅介質(zhì)薄膜層的折射率為1.48至1.98，優(yōu)選的折射率為1.58至
1.80。
上述硅離子植入時(shí)環(huán)境中的硅離子的密度為lxio"至lxio"個(gè)/cm2， 較好的是4 x 1015至1 x 10"個(gè)/cm2。
上述硅離子植入的能量為50至300keV，較好的是100至120keV。
根據(jù)權(quán)利要求20所述的所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的方法，其特征在于，硅離子植入的能量為。
對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理的退火溫度為700至1000°C。
對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理后在富硅介質(zhì)薄膜層中形成納米單晶硅原子 的密度為lxl010/cm2至lxlOl2/cm2。
晶硅層、納米單晶硅浮柵和氧化層形成控制門(mén)的工藝為在多晶硅層上沉積 氮氧化硅抗反射介電覆膜，并噴涂光刻膠、曝光和顯影，定義出控制門(mén)的位 置，然后清除控制門(mén)之外的氮氧化硅抗反射介電覆膜層、多晶硅層、富硅介 質(zhì)薄膜層和隧道門(mén)氧化層。
形成控制門(mén)后，每一控制門(mén)中包含的每一納米單晶硅浮柵內(nèi)含有的納米 單晶硅粒子的數(shù)量為至100,粒子直徑為lnm至10nm。
上述含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，形成的隔離 層為氮化物或者氮氧化物。
上述含有納米單晶石圭浮4冊(cè)的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存卩諸器的方法，所述的層間
介電層為高密度等離子體磷硅玻璃(HDPPSG)或者硼磷硅玻璃(BPSG)。
上述含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，所述的觸點(diǎn) 為金屬鴒或者多晶硅。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 本發(fā)明提供的納米單晶硅的形成方法，由于采用的富硅介質(zhì)薄膜中硅 原子的數(shù)量可以通過(guò)調(diào)整形成富硅介質(zhì)薄膜的工藝參數(shù)進(jìn)行控制，而且隨后 在富硅介質(zhì)薄膜中植入硅離子，植入的硅離子的密度也可以通過(guò)調(diào)節(jié)植入硅 離子時(shí)環(huán)境中硅離子的密度確定，因此，采用本發(fā)明提供的納米單晶硅的形 成方法生成的納米單晶硅原子的數(shù)量較多，密度在lxl01() /cm2至lxlOl2/cm2 之間，并且納米微粒的數(shù)量可以進(jìn)行控制，同時(shí)，生長(zhǎng)的納米單晶硅直徑在l 至10nm之間，形狀為圓球狀。
2、 本發(fā)明在700到IOO(TC的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行退火，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中退 火溫度必須大于1050。C的工藝，退火溫度明顯降低，具有較低的熱預(yù)算，降 低了對(duì)能源的消耗和生產(chǎn)成本；并且，由于退火之前富硅介質(zhì)薄膜中硅原子 的含量較高，在本發(fā)明的溫度范圍內(nèi)即可容易的形成納米單晶硅。
3 、用本發(fā)明提供的方法制備的納米單晶硅浮柵具有納米單晶硅晶粒的尺 寸易于控制、密度高等優(yōu)點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，數(shù)據(jù)在在斷電情況下不會(huì)丟失。


圖1是本發(fā)明提供的納米單晶硅的形成方法中半導(dǎo)體基體表面形成富硅 介質(zhì)薄膜層的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明提供的納米單晶硅的形成方法中硅離子植入富硅介質(zhì)薄膜層 之后半導(dǎo)體基體的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明提供的納米單晶硅的形成方法中半導(dǎo)體基體退火之后富硅介 質(zhì)薄膜層中形成納米單晶硅的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
緣隔離層之后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5本發(fā)明提供的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器形成方法中半導(dǎo)體基體表面形 成高K值隧道門(mén)氧化層之后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
成富硅介質(zhì)薄膜層、多晶硅氧化層、并植入硅離子時(shí)的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7本發(fā)明提供的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器形成方法中半導(dǎo)體基體中富硅 介質(zhì)薄膜層內(nèi)退火形成納米單晶硅的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8本發(fā)明提供的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器形成方法中刻蝕多晶硅層、納 米單晶硅浮柵和氧化層形成控制門(mén)后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9本發(fā)明提供的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器形成方法中在半導(dǎo)體基體中形 成漏源區(qū)后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖IO本發(fā)明提供的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器形成方法中形成氮化物或者氮 氧化物隔離區(qū)后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11本發(fā)明提供的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器形成方法中形成層間導(dǎo)電層和 觸點(diǎn)后的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。 實(shí)施例1
本發(fā)明提供了一種納米單晶硅的形成方法，具體的工藝步驟為l)在半 導(dǎo)體基體上形成富硅介質(zhì)薄膜層；2)將硅離子植入富硅介質(zhì)薄膜層；3)對(duì)
半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理。
參考圖1所示，為在半導(dǎo)體基體101上形成富硅介質(zhì)薄膜層102后的剖 面結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中所示的半導(dǎo)體基體101為硅，還可以使用絕緣體上硅 (SOI)作為半導(dǎo)體基體101。圖1中所示的的富硅介質(zhì)薄膜層102可以是富 硅氧化物SiOx (0<X<2)或者富硅氮氧化物SiOxNy (0<X<1、 0<Y<1 )。所述 的富硅氧化物SiOx (0<X<2)以及富硅氮氧化物SiOxNy (0<X<1、 0<Y<1 ) 中硅原子的含量可以根據(jù)需要通過(guò)控制富硅介質(zhì)薄膜層102的生成工藝進(jìn)行 控制。
本發(fā)明中富硅氧化物SiOx (0<X<2)的形成工藝可以通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人 員公知的任何方法制備。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，本發(fā)明給出一種富硅氧 化物SiOx (0<X<2)薄膜層的形成工藝。
采用N20和SiH4做為反應(yīng)原料沉積富硅氧化物SiOx ( 0<X<2 )介質(zhì)薄膜 層，化學(xué)反應(yīng)的總反應(yīng)式為
SiH4+N20 — SiOx + H2+ H20+ 4軍發(fā)性物質(zhì)
上述反應(yīng)可以在等離子體氛圍以及N2、 He或者Ar氣氛下進(jìn)行。所述的 等離子體氛圍包括硅離子(Si+)、氫離子(H+)、以及氧離子(0—)或者電子 氛圍等。使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的現(xiàn)有等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備 (PECVD)，在N2氛圍中，將硅基體放置在反應(yīng)室內(nèi)，同時(shí)保持反應(yīng)室中N2 的流量在400至2000sccm的條件下，通入300至1200sccm的N20氣體和50 至200sccm的SiH4氣體，在反應(yīng)室內(nèi)的壓力(pressure )為1.0至5torr,射頻 功率為50至250瓦(watt),溫度為300至400。C的情況下，反應(yīng)1至20秒 (sec )即可生成富硅氧化物SiOx薄膜層。
采用上述的方法制備的富硅氧化物SiOx (0<X<2)介質(zhì)薄膜層的折射率 為1.48至1.98，比較優(yōu)選的范圍為1.58至1.80。折射率的大小反映了富硅介
質(zhì)中硅原子的濃度大小，一4殳情況下，富硅介質(zhì)中石圭的濃度越大，薄膜的折 射率就越高。
在一個(gè)比較優(yōu)選的實(shí)施例中，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備，將硅
基體放置在反應(yīng)室內(nèi)，在N2氛圍中，保持反應(yīng)室中通入N2的流量為1600sccm 的情況下，通入的N20的流量為70sccm, SiH4的流量為115sccm，在反應(yīng)室 內(nèi)的壓力為5torr,射頻功率為135watt,溫度為400。C的條件下反應(yīng)15sec。 制備的富硅氧化物SiOx薄膜層的折射率為1.80。
本發(fā)明中富硅氮氧化物SiOxNy (0<X<1、 0<Y<1)介質(zhì)薄膜層的形成工 藝也可以通過(guò)本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的任何方法制備。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方 式，本發(fā)明給出一種富硅氮氧化物SiOxNy (0<X<1、 0〈Y〈1)介質(zhì)薄膜層的
形成工藝。
當(dāng)采用的富硅介質(zhì)薄膜層為富硅氮氧化物SiOxNy (0<X<1、 0<Y<1 )介 質(zhì)薄膜層時(shí)， 一般采用N20和SiH4做為反應(yīng)原料，化學(xué)反應(yīng)的總反應(yīng)式為
SiH4+N20^ SiOxNY+H2+H20+揮發(fā)性物質(zhì)
上述反應(yīng)可以在N2、 He或者Ar氣氛下進(jìn)行。使用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知 的現(xiàn)有等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備，在Ar氣氛下，將硅基體放置在反應(yīng)室 內(nèi)，同時(shí)保持反應(yīng)室中Ar的流量為3000至5000sccm的條件下，通入50至 150sccm的N20和50至200sccm的SiH4，在反應(yīng)室內(nèi)的壓力為2.0至10torr， 射頻功率為go至230瓦的條件下，溫度為300至400。C的情況下反應(yīng)1至 20sec，即可生成富硅氮氧化物SiOxNy (0<X<1、 0<Y<1 )介質(zhì)薄膜層。
采用上述的方法制備的富硅氮氧化物SiOxNy (0<X<1、 0<Y<1)介質(zhì)薄 膜層的折射率為1.48至1.98,比較優(yōu)選的范圍為1.58至1.80。
在一個(gè)比較優(yōu)選的實(shí)施例中，采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備，反室
中通入N2的流量為3 800sccm,通入的N20的流量為70sccm, SiH4的流量為 115sccm,在反應(yīng)室內(nèi)的壓力為5torr，射頻功率為135watt,溫度為40(TC的 條件下反應(yīng)15sec,生成的富硅氮氧化物介質(zhì)薄膜層的折射率為1.60。
本發(fā)明所提供的富硅介質(zhì)薄膜層中硅的濃度就越大，有助于控制后形成 的納米單晶硅中硅原子的密度。
參考圖2所示，將硅離子直接植入富硅介質(zhì)薄膜層102。硅離子植入時(shí)可 以離子采用垂直植入的方式，環(huán)境中的硅離子的密度為lxlO"至lxio"個(gè) /cm2，比較優(yōu)選的是4 x 1015至1 x 10'6個(gè)/cm2,離子植入的能量為50至300keV, 比較優(yōu)選的是100至120keV。
將硅離子植入富硅介質(zhì)薄膜層，可以使富硅介質(zhì)薄膜層中硅的含量變的 更高，并且采用離子注入的方式可以更好的控制植入的硅離子的含量，使隨 后在富硅介質(zhì)薄膜層中形成的納米單晶硅的數(shù)量得到有效的控制。
參考圖3所示，對(duì)半導(dǎo)體基體101為700至IOO(TC進(jìn)行退火處理，可在 富硅介質(zhì)薄膜層102內(nèi)生成數(shù)量、尺寸和形狀都可控的納米單晶硅103。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，對(duì)半導(dǎo)體基體在NH3、 N2、 H2或者Ar氣氛圍下進(jìn) 行退火處理，退火溫度為700至IOO(TC，使富硅介質(zhì)薄膜層中的富硅氧化物 或者富硅氮氧化物原子即可分解成尺寸、形狀和數(shù)量都可控的納米單晶硅和 硅氧化物SiOx (或者SiOxNy)，其中納米單晶硅原子的密度為lxlO"Vcr^至 lxlOl2/cm2。從圖3中可以看出，退火后，納米單晶硅原子在富硅介質(zhì)薄膜層 中均勻分布，形狀為圓球狀，硅原子直徑為1至10nm。
對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理的溫度應(yīng)該保持為700到1000。C,相對(duì)于現(xiàn) 有技術(shù)中退火溫度必須大于1050。C的工藝，退火溫度明顯降低。這是由于本 發(fā)明首先采用了富硅介質(zhì)薄膜，薄膜中含有硅原子的含量較高，隨后又通過(guò) 離子植入工藝植入數(shù)量可控的硅離子，因此，富硅介質(zhì)薄膜中的硅離子含量 變的更高，在700至1000。C退火之后，即可容易的形成納米單晶珪，并且可 以容易的控制納米單晶硅的數(shù)量、形狀和尺寸。
本發(fā)明采用比較低的退火溫度，具有較低的熱預(yù)算，降低了對(duì)能源的消 耗和生產(chǎn)成本。
上述方法制備的納米單晶硅可以用作非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件的浮柵，也可以 用于制作納米發(fā)光器件的有源層。
實(shí)施例2
本發(fā)明提供了含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法，本 方法包括下列步驟在半導(dǎo)體基體上形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)；在基體上形成一氧 化層；在上述氧化層上形成多晶硅層和納米單晶硅浮柵；在半導(dǎo)體基片上形 成控制門(mén)；在半導(dǎo)體基體中形成漏源區(qū)；形成氮化物或者氮氧化物隔離區(qū)； 沉積層間導(dǎo)電層，并形成觸點(diǎn)。
以P型半導(dǎo)體基體為例，并參考圖4,對(duì)半導(dǎo)體基體201表面進(jìn)行清潔之 后，在基體201內(nèi)采用淺溝槽隔離(STI)技術(shù)形成隔離溝槽202,形成隔離 溝槽202的技術(shù)可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的現(xiàn)有技術(shù)。
參考圖5，在半導(dǎo)體基體201上形成一氧化層203,所述的氧化層203為 隧道門(mén)氧化物，所述的隧道門(mén)氧化物可以是氮氧化硅(SiON)、富硅氧化物 (SRO)、 Hf02、 Al2()3或者SiN，沉積上述隧道門(mén)氧化物的技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù) 人員熟知的現(xiàn)有技術(shù)。
參考圖6和圖7，在氧化層203上形成多晶硅層和納米單晶硅浮柵。形成 多晶硅層和納米單晶硅浮柵的工藝步驟包括在氧化層203上沉積富硅介質(zhì) 薄膜層204;在富硅介質(zhì)薄膜層204上沉積多晶硅層205;將硅離子通過(guò)多晶 硅層205植入富硅介質(zhì)薄膜層204;對(duì)半導(dǎo)體基體201進(jìn)行退火處理，富硅介 質(zhì)薄膜層204中形成均勻分布的納米單晶硅206，即可作為浮柵使用。
參考圖6，在氧化層203上沉積富硅介質(zhì)薄膜層204,所述的富硅介質(zhì)薄
膜層204可以是富硅氧化物SiOx( 0<X<2 )或者富硅氮氧化物SiOxNy( 0<X<1、 0<Y<1 )，富硅氧化物以及富硅氮氧化物的制備方法與本發(fā)明實(shí)施例1納米單 晶硅的形成方法中沉積富硅介質(zhì)薄膜層的方法相同。生成的富硅介質(zhì)薄膜層 204的厚度在1.5nm至50nm之間。
然后在富硅介質(zhì)薄膜層204上沉積多晶硅層205，所述的多晶硅層205的 厚度在10至200nm之間，在非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中作為控制門(mén)電極使用。 沉積多晶硅層205的工藝方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的低壓化學(xué)氣相沉積法 (LPCVD )。
然后，通過(guò)所述的多晶硅層205將硅離子植入所述的富硅介質(zhì)薄膜層204。 硅離子植入時(shí)采用離子垂直植入的方式，環(huán)境中的硅離子的密度為lxlO"至 10x 10'5個(gè)/cm2,比較優(yōu)選的是lxl0'6至4xl0"個(gè)/cm2,離子植入的能量為 50至300keV，比較優(yōu)選的是120keV。根據(jù)需要，可以控制離子植入時(shí)硅離 子的含量和離子植入的能量，控制植入富硅介質(zhì)薄膜層204的硅離子的數(shù)量。
將硅離子植入富硅介質(zhì)薄膜層，可以使富硅介質(zhì)薄膜層中硅的含量變的 更高，并且采用離子注入的方式可以更好的控制硅離子的含量，使隨后在富 硅介質(zhì)層中形成的納米單晶硅的數(shù)量得到有效的控制。
參考圖7，對(duì)半導(dǎo)體基體201進(jìn)行退火處理，退火后，富硅介質(zhì)薄膜層 204內(nèi)生成納米單晶硅206。含有均勻分布的納米單晶硅206的富硅介質(zhì)薄膜 層204即可作為非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的浮柵。
在對(duì)半導(dǎo)體基體201進(jìn)行退火處理的工藝是將半導(dǎo)體基體201在NH3、 N2、 112或者Ar氛圍下進(jìn)行的，退火溫度在700至IOO(TC之間。
進(jìn)行退火處理之后，使得使富硅介質(zhì)薄膜層204中過(guò)量的硅原子以及通 過(guò)離子植入方法植入的硅離子轉(zhuǎn)換成納米單晶硅206和硅氧化物SiOx (或者
SiOxNy )。由于富硅介質(zhì)薄膜層204中的硅原子以及植入的硅離子的數(shù)量都可
通過(guò)控制制備的工藝參數(shù)進(jìn)行控制，因此，形成的納米單晶硅粒子的數(shù)量可 控。同時(shí)，采用本方法形成的納米單晶硅粒子的形狀和尺寸可也控。本發(fā)明
提供的納米單晶硅浮柵中硅原子的密度在lxl0,cn^至lxlO力cn^之間，粒子 直徑在l至10nm之間，形狀為圓球狀。
參考圖8，刻蝕上述多晶硅層205、納米單晶硅浮柵和氧化層203形成控 制門(mén)。形成控制門(mén)的方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的現(xiàn)有技術(shù)。本實(shí)施例中， 給出一個(gè)比較優(yōu)選的技術(shù)方案在多晶硅層205上沉積氮氧化硅(SiON )抗 反射介電覆膜(DARC)層(圖中未示出)，作為隨后步驟的保護(hù)層，沉積氮 氧化硅抗反射介電覆膜層的方法為普通的等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法 (PECVD);在氮氧化硅抗反射介電覆膜層上噴涂光刻膠，根據(jù)設(shè)計(jì)好的控制 門(mén)的圖案進(jìn)行光刻膠的曝光和顯影，定義出控制門(mén)的位置，然后通過(guò)化學(xué)刻 蝕的方法清除控制門(mén)之外的氮氧化硅抗反射介電覆膜層、多晶硅層205、納米 單晶硅浮柵和氧化層203,形成如圖8所示的控制門(mén)，所述的納米單晶硅浮柵 為含有納米單晶硅206的富硅介質(zhì)薄膜層204。所述每一控制門(mén)中包含的每一 納米單晶硅浮柵內(nèi)含有的納米單晶硅粒子的數(shù)量在1至100之間，粒子直徑 在lnm至10nm之間。
參考圖9，在半導(dǎo)體基體201中形成漏源區(qū)207。本發(fā)明采用植入工藝進(jìn) 行源極或者漏極的摻雜工藝，形成漏源區(qū)207。在一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體基體 201選用p型硅，因此，對(duì)源極和漏極進(jìn)行N型4參雜植入。
參考圖10,在控制門(mén)上形成隔離層208。所述的隔離層為氮化物或者氮 氧化物，這層隔離層208在隨后的層間介電層的刻蝕工藝中作為刻蝕停止層 起到保護(hù)柵極結(jié)構(gòu)的作用。
參考圖11,在隔離層208上沉積層間導(dǎo)電層209,并形成連接存儲(chǔ)器內(nèi)
電路的觸點(diǎn)210。在所述隔離層208上沉積層間介電層209，所述的層間介電 層為高密度等離子體磷珪玻璃(HDP PSG )或者硼磷石圭玻璃(BPSG )，上述 層間介電層的沉積方法可以使用現(xiàn)有技術(shù)，在本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例中可以采 用次大氣壓氣相沉積法(SACVD)制備。然后，在層間介電層內(nèi)通過(guò)刻蝕的 方法形成溝槽，并在溝槽內(nèi)沉積觸點(diǎn)材料，并采用化學(xué)機(jī)械拋光的方法拋光 層間介電層和觸點(diǎn)材料。所述的觸點(diǎn)為金屬鎮(zhèn)或者多晶硅(poly silicon),在 電路中起到導(dǎo)通電路的作用。
雖然本發(fā)明己以較佳實(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(dòng)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、一種納米單晶硅的形成方法，其特征在于，包括如下工藝步驟在半導(dǎo)體基體上形成富硅介質(zhì)薄膜層；將硅離子植入富硅介質(zhì)薄膜層；對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理，在富硅介質(zhì)薄膜層中形成納米單晶硅。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，所述 的半導(dǎo)體基體為硅或者絕緣體上硅。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，所述 的富硅介質(zhì)薄膜層為富硅氧化物SiOx (0<X<2)或者富硅氮氧化物SiOxNy(0<X<1、 0<Y<1 )。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于， 所述的富硅介質(zhì)薄膜層的折射率為1.48至1.98。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，所述 的富硅介質(zhì)薄膜層的折射率為1.58至1.80。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，硅離 子植入時(shí)環(huán)境中的硅離子的密度為1 x 1014至1 x 10"個(gè)/cm2。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，硅離 子植入時(shí)環(huán)境中的硅離子的密度為4x 1015至1 x 10"個(gè)/cm2。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，硅離 子才直入的能量為50至300keV。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，硅離 子植入的能量為100至120keV。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，退火 溫度為700至IOO(TC。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米單晶硅的形成方法，其特征在于，退火 后在富硅介質(zhì)薄膜層中形成納米單晶硅原子直徑為1至10nm。
12、 一種含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，其 特征在于，包括如下工藝步驟在半導(dǎo)體基體上形成溝槽隔離結(jié)構(gòu)； 在基體上形成一氧化層；在上述氧化層上形成多晶硅層和納米單晶硅浮柵；刻蝕上述多晶硅層、納米單晶硅浮柵和氧化層形成控制門(mén)；在半導(dǎo)體基體中形成漏源區(qū)；在控制門(mén)上形成氮化物或者氮氧化物隔離層；在隔離層上沉積層間導(dǎo)電層，并形成連接存儲(chǔ)器內(nèi)電路的觸點(diǎn)。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，所述的氧化層材料為氮氧化硅(SiON)、富硅 氧化物(SRO)、 Hf02、 Al203或者SiN。
14、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，所述的在氧化層上形成多晶硅層和納米單晶 硅浮柵的工藝方法為在所述氧化層上沉積富硅介質(zhì)薄膜層； 在富硅介質(zhì)薄膜層上沉積多晶硅層； 將硅離子通過(guò)多晶硅層植入富硅介質(zhì)薄膜層； 對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理，在富硅介質(zhì)薄膜層中形成納米單晶硅。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，所述的富硅介質(zhì)薄膜層為富硅氧化物SiOx(0<X<2)或者富珪氮氧化物SiOxNy (0<X<1、 0<Y<1 )。
16、 根據(jù)權(quán)利要求14或者15所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半 導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，所述的富硅介質(zhì)薄膜層的折射率為1.48 至1.98。
17、 根據(jù)權(quán)利要求16所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，所述的富硅介質(zhì)薄膜層的折射率為1.58至1.80。
18、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半 導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，硅離子植入時(shí)環(huán)境中的硅離子的密度 為1 x 1014至1 x 10'6個(gè)/cm2。
19、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半 導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，硅離子植入時(shí)環(huán)境中的硅離子的密度 為4x 1015至1 x 10"個(gè)/cm2。
20、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半 導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，硅離子植入的能量為50至300keV。
21、 根據(jù)權(quán)利要求20所述的所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半 導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，硅離子植入的能量為100至120keV。
22、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半 導(dǎo)體存儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，退火溫度為700至IOO(TC。
23、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，刻蝕上述多晶硅層、納米單晶硅浮柵和氧化 層形成控制門(mén)的工藝為在多晶硅層上沉積氮氧化硅抗反射介電覆膜，并噴 涂光刻膠、曝光和顯影，定義出控制門(mén)的位置，然后清除控制門(mén)之外的氮氧 化硅抗反射介電覆膜層、多晶硅層、富硅介質(zhì)薄膜層和隧道門(mén)氧化層。
24、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，每一控制門(mén)中包含的每一納米單晶硅浮柵內(nèi) 含有的納米單晶硅粒子的數(shù)量為1至100，粒子直徑為lnm至10nm。
25、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，所述的隔離層為氮化物或者氮氧化物。
26、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，所述的層間介電層為高密度等離子體磷硅玻 璃或者硼磷硅玻璃。
27、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存 儲(chǔ)器的制造方法，其特征在于，所述的觸點(diǎn)為金屬鎢或者多晶硅。
全文摘要
一種納米單晶硅的形成方法，包括如下工藝步驟在半導(dǎo)體基體上形成富硅介質(zhì)薄膜層；將硅離子植入富硅介質(zhì)薄膜層；對(duì)半導(dǎo)體基體進(jìn)行退火處理，在富硅介質(zhì)薄膜層中形成納米單晶硅。所述富硅介質(zhì)薄膜為富硅氧化物或者富硅氮氧化物，退火溫度為700至1000℃。上述方法生成的納米單晶硅原子的密度在1×10¹⁰/cm²至1×10¹²/cm²之間，并且納米微粒的數(shù)量和晶粒尺寸都可以根據(jù)需要進(jìn)行控制。在700到1000℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行退火，具有較低的熱預(yù)算，降低了對(duì)能源的消耗和生產(chǎn)成本。本發(fā)明還提供了含有納米單晶硅浮柵的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的方法。
文檔編號(hào)H01L21/28GK101106078SQ20061002878
公開(kāi)日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2006年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月10日
發(fā)明者肖德元 申請(qǐng)人:中芯國(guó)際集成電路制造(上海)有限公司