專(zhuān)利名稱(chēng)：多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路中的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多 層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，集成電路中存儲(chǔ)器的增長(zhǎng)速度已超過(guò)邏輯電路，存儲(chǔ)器占芯
片面積的比例己由1999年的20%增至2005年的71%，而邏輯電路則由 1999年的66%降到2005年的16%。
在存儲(chǔ)器產(chǎn)品中，市場(chǎng)需求增長(zhǎng)最快的是非揮發(fā)存儲(chǔ)器。閃存(Flash Memory)作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的典型器件，目前已廣泛應(yīng)用于U盤(pán)、MP3 播放器及手機(jī)等多種手持移動(dòng)存儲(chǔ)電子產(chǎn)品中。然而目前廣泛被工業(yè)界所 采用的閃存器件結(jié)構(gòu)在向納米特征尺寸發(fā)展的同時(shí)，在存儲(chǔ)時(shí)間和功耗等 方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
而基于納米晶的浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器是一種分立存儲(chǔ)機(jī)制，電 荷被存儲(chǔ)在獨(dú)立的納米晶粒上，納米晶粒之間是被介質(zhì)層隔幵的。因此， 避免了由于隧穿層上的缺陷導(dǎo)致整個(gè)器件信號(hào)丟失的情況，增強(qiáng)了電荷保 持能力。
圖1為常規(guī)納米晶浮柵存儲(chǔ)器的截面示意圖。參照?qǐng)D1，常規(guī)納米晶 浮柵存儲(chǔ)器包括P型半導(dǎo)體襯底3，在半導(dǎo)體硅襯底3中摻雜形成的n型 源極1和漏極2，源漏極之間即為溝道4，溝道上方生長(zhǎng)隧穿氧化層5，納 米晶粒6淀積在隧穿氧化層之上，然后覆蓋以控制氧化層7和柵極8。
在這樣的納米晶浮柵存儲(chǔ)器中，電荷直接隧穿注入納米晶粒從而導(dǎo)致 器件閾值電壓的改變。然而，目前納米晶粒存儲(chǔ)器的電荷存儲(chǔ)時(shí)間，存儲(chǔ) 窗口還沒(méi)有達(dá)到工業(yè)量產(chǎn)的需求，急需基于新結(jié)構(gòu)納米晶浮柵存儲(chǔ)器的出 現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問(wèn)題
有鑒于此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非 揮發(fā)性存儲(chǔ)器，以解決單層納米晶浮柵存儲(chǔ)器的編程時(shí)間(或電壓)與存 儲(chǔ)時(shí)間之間的矛盾，在較短的編程時(shí)間前提下提升器件的存儲(chǔ)時(shí)間。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā) 性存儲(chǔ)器的方法，以制備能夠解決單層納米晶浮柵存儲(chǔ)器的編程時(shí)間(或 電壓)與存儲(chǔ)時(shí)間之間的矛盾的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述一個(gè)目的，本發(fā)明提供了一種多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮 發(fā)性存儲(chǔ)器，該非揮發(fā)性存儲(chǔ)器包括
用于支撐整個(gè)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的半導(dǎo)體襯底11; 在半導(dǎo)體襯底11中摻雜形成源極9和漏極10; 在源極9和漏極IO之間的溝道12; 位于溝道12上的隧穿氧化層13;
用于控制多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)氧化的控制氧化層14; 位于控制氧化層14上的柵電極16; 其特征在于，該非揮發(fā)性存儲(chǔ)器進(jìn)一步包括
位于隧穿氧化層13與控制氧化層14之間的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15，
用于作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的浮柵存儲(chǔ)單元。
上述方案中，所述多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15為納米晶粒層與氧化層依
次交互疊加而成的多層結(jié)構(gòu)。
上述方案中，所述半導(dǎo)體襯底為P型半導(dǎo)體硅襯底，或?yàn)镹型半導(dǎo)體 硅襯底。
上述方案中，所述納米晶為金屬納米晶粒，或?yàn)榘雽?dǎo)體納米晶粒，或 為不同材料形成的納米異質(zhì)晶粒。
上述方案中，所述金屬納米晶粒為W、 Ti、 Ni、 Au、 Co或Pt材料形 成的納米晶粒，所述半導(dǎo)體納米晶粒為硅、鍺或硫化鎘材料形成的納米晶 粒，所述不同材料形成的納米異質(zhì)晶粒為鍺/硅納米異質(zhì)晶粒。
為達(dá)到上述另一個(gè)目的，本發(fā)明提供了一種制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu) 非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的方法，該方法包括-
在半導(dǎo)體襯底中摻雜形成源極和漏極，在源極與漏極之間形成溝道， 溝道上方形成隧穿氧化層；
在隧穿氧化層上制備一層納米晶顆粒，然后在納米晶顆粒上覆蓋以一 層氧化層薄膜，接著再在氧化層薄膜上制備一層納米晶顆粒，同樣也在納 米晶顆粒上覆蓋以一層氧化層薄膜，……，依次一層納米晶顆粒一層氧化
物薄膜交互疊加，形成多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)；
最后在形成的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)上依次覆蓋一層控制氧化層和一 層?xùn)烹姌O。
上述方案中，所述半導(dǎo)體襯底為p型半導(dǎo)體硅襯底，所述摻雜形成的
源極和漏極為N型的源極和漏極。
上述方案中，所述納米晶顆粒為金屬納米晶顆粒，所述在隧穿氧化層 上制備一層納米晶顆粒采用電子束蒸發(fā)與快速熱退火相結(jié)合的工藝進(jìn)行。
上述方案中，所述金屬納米晶顆粒直徑在5nm至10nm之間，面密度 為101Qcm-2。
(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明提供的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，采用多層 納米晶結(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)的單層納米晶結(jié)構(gòu)作為浮柵存儲(chǔ)單元，在固定的單元 面積下有效的提高了納米晶粒的數(shù)量，從而在同樣的工作電壓下，增大器 件的存儲(chǔ)窗口；并且，由于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)的影響，減小了器件的漏電流， 提升了器件的存儲(chǔ)時(shí)間，解決了納米晶粒浮柵存儲(chǔ)器的編程時(shí)間(或電壓) 與存儲(chǔ)時(shí)間之間的矛盾。
2、 利用本發(fā)明，由于應(yīng)用多層納米晶結(jié)構(gòu)的多層勢(shì)壘作為浮柵存儲(chǔ) 單元，從而可以在同樣的面積下提高電荷的存儲(chǔ)量，大大增加存儲(chǔ)窗口， 使得浮柵結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)高密度集成。
3、 本發(fā)明提供的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，具有制作 工藝簡(jiǎn)單靈活、讀寫(xiě)電壓低、編程時(shí)間短、存儲(chǔ)窗口大、存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)、集
成密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。


圖1為常規(guī)納米晶浮柵存儲(chǔ)器的截面示意圖2為本發(fā)明提供的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)示意
圖3為本發(fā)明提供的具有多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的能帶 示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)
器的結(jié)構(gòu)示意圖，該非揮發(fā)性存儲(chǔ)器包括用于支撐整個(gè)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器 的半導(dǎo)體襯底ll;在半導(dǎo)體襯底11中摻雜形成源極9和漏極10;在源極 9和漏極10之間的溝道12;位于溝道12上的隧穿氧化層13;用于控制多 層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)氧化的控制氧化層14;位于隧穿氧化層13與控制氧化
層14之間的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15;位于控制氧化層14上的柵電極16。 其中，所述多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的浮柵存儲(chǔ)單元。 上述多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15為納米晶粒層與氧化層依次交互疊加而 成的多層結(jié)構(gòu)。
上述半導(dǎo)體襯底為P型半導(dǎo)體硅襯底，或?yàn)镹型半導(dǎo)體硅襯底。 上述納米晶為金屬納米晶粒，或?yàn)榘雽?dǎo)體納米晶粒，或?yàn)椴煌牧闲?成的納米異質(zhì)晶粒。當(dāng)納米晶為金屬納米晶粒時(shí)，可以選用W、 Ti、 Ni、 Au、 Co或Pt材料形成的納米晶粒；當(dāng)納米晶為半導(dǎo)體納米晶粒時(shí)，可以 選用硅、鍺或硫化鎘材料形成的納米晶粒；當(dāng)納米晶為不同材料形成的納 米異質(zhì)晶粒時(shí)，可以選用鍺/硅納米異質(zhì)晶粒。
再參照?qǐng)D2，多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15鑲嵌于隧穿氧化層13和控制氧 化層14之間，置于溝道12的上方，控制柵極16的下方。9、 IO分別為源 極和漏極，11為襯底。由一層納米晶粒加一層隧穿氧化層依次堆跌起來(lái)的
多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)，在固定的單位面積下有效的提高了納米晶粒的數(shù) 量，解決了由于納米晶面密度提高困難帶來(lái)的存儲(chǔ)性能的降低的問(wèn)題，有 效的增大了存儲(chǔ)窗口，并且由于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)的影響，使得漏電流明顯降 低，降低了對(duì)隧穿氧化層缺陷的要求，進(jìn)而隧穿氧化層可以進(jìn)一步減薄， 存儲(chǔ)器密度可以進(jìn)一步提高。同時(shí)由于漏電流的明顯降低，器件的存儲(chǔ)時(shí) 間大大加長(zhǎng)。
如圖3所示，在控制柵極16 B上加上合適的電壓后，溝道12B中的 電荷直接隧穿過(guò)隧穿氧化層13B，越過(guò)多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15B中的勢(shì)壘 存儲(chǔ)于15B中的勢(shì)阱材料中。首先由于多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15B中存在多 個(gè)勢(shì)阱，因此在同樣的面積下可以存儲(chǔ)更多的電荷，從而提高了器件的存 儲(chǔ)窗口。其次存儲(chǔ)于15B勢(shì)阱中的電子要隧穿過(guò)多層勢(shì)壘才能回到溝道 12B中，并且由于庫(kù)侖阻塞效應(yīng)的影響，存儲(chǔ)于15B勢(shì)阱中電子隧穿回溝 道12B的幾率大大降低，從而使得存儲(chǔ)時(shí)間顯著增加。
基于圖2所示的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，下面詳細(xì)介 紹制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的方法，該方法包括在半導(dǎo) 體襯底中摻雜形成源極和漏極，在源極與漏極之間形成溝道，溝道上方形 成隧穿氧化層；在隧穿氧化層上制備一層納米晶顆粒，然后在納米晶顆粒 上覆蓋以一層氧化層薄膜，接著再在氧化層薄膜上制備一層納米晶顆粒， 同樣也在納米晶顆粒上覆蓋以一層氧化層薄膜，……，依次一層納米晶顆 粒一層氧化物薄膜交互疊加，形成多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)；最后在形成的多 層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)上依次覆蓋一層控制氧化層和一層?xùn)烹姌O。
再次參照?qǐng)D2，下面結(jié)合具體的實(shí)施例介紹制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu) 非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的方法。本發(fā)明提供的具有多層金屬納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非 揮發(fā)性存儲(chǔ)器包括P型半導(dǎo)體硅襯底11，在半導(dǎo)體硅襯底中摻雜形成n 型源極9和漏極10，源漏極之間即為溝道12，溝道上方為隧穿氧化層13。 應(yīng)用電子束蒸發(fā)與快速熱退火相結(jié)合的工藝，制備一層金屬納米晶于隧穿 氧化層上，金屬納米晶顆粒直徑在5nm至10nm之間，面密度為101QCm—2 以上，然后覆蓋以一層致密的氧化層薄膜，接著再用同樣的方法在其上制 備一層金屬納米晶顆粒，同樣也覆蓋一層致密的氧化物薄膜，依次一層金 屬納米晶顆粒一層至夂密氧化物薄膜交互疊加，形成多層金屬納米晶浮柵結(jié)
構(gòu)15。最后覆—蓋以控制氧化層14和柵電極16，完成多層金屬納米晶浮柵 結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)形存儲(chǔ)器的制備。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 己，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，該非揮發(fā)性存儲(chǔ)器包括用于支撐整個(gè)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的半導(dǎo)體襯底(11)；在半導(dǎo)體襯底(11)中摻雜形成源極(9)和漏極(10)；在源極(9)和漏極(10)之間的溝道(12)；位于溝道(12)上的隧穿氧化層(13)；用于控制多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)氧化的控制氧化層(14)；位于控制氧化層(14)上的柵電極(16)；其特征在于，該非揮發(fā)性存儲(chǔ)器進(jìn)一步包括位于隧穿氧化層(13)與控制氧化層(14)之間的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)(15)，用于作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的浮柵存儲(chǔ)單元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器， 其特征在于，所述多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)(15)為納米晶粒層與氧化層依次 交互疊加而成的多層結(jié)構(gòu)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器， 其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底為P型半導(dǎo)體硅襯底，或?yàn)镹型半導(dǎo)體硅襯 底。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器， 其特征在于，所述納米晶為金屬納米晶粒，或?yàn)榘雽?dǎo)體納米晶粒，或?yàn)椴?同材料形成的納米異質(zhì)晶粒。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器， 其特征在于，所述金屬納米晶粒為W、 Ti、 Ni、 Au、 Co或Pt材料形成的 納米晶粒，所述半導(dǎo)體納米晶粒為硅、鍺或硫化鎘材料形成的納米晶粒， 所述不同材料形成的納米異質(zhì)晶粒為鍺/硅納米異質(zhì)晶粒。
6、 一種制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的方法，其特征在 于，該方法包括在半導(dǎo)體襯底中摻雜形成源極和漏極，在源極與漏極之間形成溝道， 溝道上方形成隧穿氧化層； 在隧穿氧化層上制備一層納米晶顆粒，然后在納米晶顆粒上覆蓋以一 層氧化層薄膜，接著再在氧化層薄膜上制備一層納米晶顆粒，同樣也在納 米晶顆粒上覆蓋以一層氧化層薄膜，……，依次一層納米晶顆粒一層氧化 物薄膜交互疊加，形成多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)；最后在形成的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)上依次覆蓋一層控制氧化層和一 層?xùn)烹姌O。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體襯底為p型半導(dǎo)體硅襯底，所述摻雜形成的源極和漏極為N型的源極和漏極。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器 的方法，其特征在于，所述納米晶顆粒為金屬納米晶顆粒，所述在隧穿氧 化層上制備一層納米晶顆粒采用電子束蒸發(fā)與快速熱退火相結(jié)合的工藝 進(jìn)行。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器 的方法，其特征在于，所述金屬納米晶顆粒直徑在5nm至10nm之間，面 密度為l(Tcm-2。
全文摘要
本發(fā)明涉及非揮發(fā)性存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，公開(kāi)了一種多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，包括用于支撐整個(gè)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的半導(dǎo)體襯底11；在半導(dǎo)體襯底11中摻雜形成源極9和漏極10；在源極9和漏極10之間的溝道12；位于溝道12上的隧穿氧化層13；用于控制多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)氧化的控制氧化層14；位于控制氧化層14上的柵電極16；位于隧穿氧化層13與控制氧化層14之間的多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)15，用于作為非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的浮柵存儲(chǔ)單元。本發(fā)明同時(shí)公開(kāi)了一種制備多層納米晶浮柵結(jié)構(gòu)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的方法。本發(fā)明解決單層納米晶浮柵存儲(chǔ)器的編程時(shí)間/電壓與存儲(chǔ)時(shí)間之間的矛盾，在較短的編程時(shí)間前提下提升器件的存儲(chǔ)時(shí)間。
文檔編號(hào)H01L21/336GK101383378SQ20071012136
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2007年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者明 劉, 琦 劉, 李維龍, 琴 王, 管偉華, 媛 胡, 銳 賈, 陳寶欽, 龍世兵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所