專利名稱：一種電荷俘獲型非易失存儲器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米電子器件及納米加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用能帶結(jié)構(gòu)漸變 的俘獲介質(zhì)層提高器件性能的電荷俘獲型非易失存儲器及其制作方法。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)性存儲器的主要特點(diǎn)是在不加電的情況下也能夠長期保持存儲的信息，它 既有只讀存儲器(ROM)的特點(diǎn)，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重寫，功耗較小。隨 著多媒體應(yīng)用、移動通信等對大容量、低功耗存儲的需要，非揮發(fā)性存儲器，特別是閃速存 儲器(Flash)，所占半導(dǎo)體器件的市場份額變得越來越大，成為一種非常重要的存儲器類 型。傳統(tǒng)的Flash存儲器是采用多晶硅薄膜浮柵結(jié)構(gòu)的硅基非揮發(fā)存儲器，其局限主 要與器件隧穿介質(zhì)層(一般是氧化層)的厚度有關(guān)一方面要求隧穿介質(zhì)層比較薄，以實(shí) 現(xiàn)快速有效的P/E操作，另一方面要求具備較好的數(shù)據(jù)保持性能以保持電荷存儲十年以 上。出于折衷的考慮，隧穿介質(zhì)層的厚度約為9 llnm。在器件制作工藝節(jié)點(diǎn)由1 μ m降到 0. 13 μ m的過程中，此厚度幾乎沒有變動。為了克服這一缺點(diǎn)，電荷俘獲存儲結(jié)構(gòu)的非揮發(fā) 性存儲器被提出，并獲得了廣泛的研究，它以Si3N4層作為電荷存儲介質(zhì)，具有極少量電子 操作、器件尺寸小、編程速度快、功耗小、操作電壓低的優(yōu)點(diǎn)，并且兼容于硅基微電子工藝。然而，電荷俘獲存儲器(CTM)存在一個主要的技術(shù)難點(diǎn)是其保持特性與擦除速度 的矛盾。為了使器件具有優(yōu)良的保持特性(大于10年)，要求俘獲介質(zhì)層的導(dǎo)帶位置較低。 而當(dāng)前主流電荷俘獲存儲器采用的俘獲介質(zhì)層Si3N4與SiOJi穿介質(zhì)層帶隙差僅為1. lev, 很難獲得較好的保持特性。因此，尋找能帶結(jié)構(gòu)更為優(yōu)化的存儲材料及柵介質(zhì)體系成為電荷俘獲存儲器 (CTM)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題針對現(xiàn)有電荷俘獲存儲器中俘獲介質(zhì)層材料的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)致器件較差保持能力 的問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種電荷俘獲型非易失存儲器及其制作方法，以提高 電荷俘獲存儲器件的電荷保持特性，同時不犧牲器件其他方面的性能。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的的一個方面，本發(fā)明提供了一種電荷俘獲型非易失存儲器，該存 儲器包括硅襯底1 ；在硅襯底1上重?fù)诫s的源導(dǎo)電區(qū)6和漏導(dǎo)電區(qū)7 ；在源導(dǎo)電區(qū)6和漏導(dǎo)電區(qū)7之間載流子溝道上覆蓋的由SiO2材料構(gòu)成的隧穿介 質(zhì)層2 ；
3
在隧穿介質(zhì)層2上覆蓋的具有錐形能帶結(jié)構(gòu)的HfAlO高K材料俘獲介質(zhì)層3 ；在俘獲介質(zhì)層3上覆蓋的由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層4 ；以及在控制柵介質(zhì)層4上覆蓋的柵材料層5。上述方案中，所述HfAlO高K材料俘獲介質(zhì)層3采用Hf靶和Al靶在O2氣氛中反 應(yīng)濺射的方法淀積生長，通過濺射過程中改變Hf靶和Al靶的濺射功率，實(shí)現(xiàn)HfAlO薄膜自 上而下的漸變組分結(jié)構(gòu)。為達(dá)到上述目的的另一個方面，本發(fā)明提供了一種電荷俘獲型非易失存儲器的制 作方法，該方法包括A、在硅襯底上生長一層SiO2材料的隧穿介質(zhì)層；B、在SiO2隧穿介質(zhì)層上生長自下而上能帶逐漸變寬的HfAlO高k材料俘獲介質(zhì) 層；C、在俘獲介質(zhì)層上沉積由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層。上述方案中，步驟A中所述生長SiO2材料的隧穿介質(zhì)層的方法為熱氧化、原子層 沉積ALD、化學(xué)氣相淀積CVD ；所述SiO2材料的隧穿介質(zhì)層的厚度為3nm至5nm。上述方案中，步驟B中所述生長HfAlO高k材料俘獲介質(zhì)層的方法為反應(yīng)磁控濺 射，所述HfAlO高k材料俘獲介質(zhì)層的厚度為5nm至15nm。上述方案中，步驟C中所述沉積由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層的方法為 原子層沉積ALD或者磁控濺射；所述沉積的Al2O3控制柵介質(zhì)層的厚度為15nm至30nm。上述方案中，該方法在步驟C之后進(jìn)一步包括在控制柵介質(zhì)層上形成柵電極和 源、漏，完成電荷俘獲型非易失存儲器的制作。(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、利用本發(fā)明，器件的加工工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容。2、本發(fā)明提出的非易失存儲器采用能帶漸變的HfAlO高k材料俘獲介質(zhì)層，可以 有效降低電荷泄漏幾率，不采用額外手段提高器件的保持性能，并且有益于增大存儲窗口， 提高擦寫速度，綜合改善了器件的存儲特性，并為電荷俘獲存儲器件的進(jìn)一步縮小奠定了 ■石出。


圖1是本發(fā)明提供的非易失存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明提供的制作非易失存儲器的工藝流程圖；圖3是說明HfAlO介質(zhì)能帶結(jié)構(gòu)隨材料組分的變化規(guī)律；圖4是依照本發(fā)明實(shí)施例的非易失存儲器的能帶結(jié)構(gòu)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，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的非易失存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，該存儲器包 括硅襯底1 ；在硅襯底1上重?fù)诫s的源導(dǎo)電區(qū)6和漏導(dǎo)電區(qū)7 ；在源導(dǎo)電區(qū)6和漏導(dǎo)電區(qū)7之間載流子溝道上覆蓋的由SiO2材料構(gòu)成的隧穿介質(zhì)層2 ；在隧穿介質(zhì)層2上覆蓋的具有 錐形能帶結(jié)構(gòu)的HfAlO高K材料俘獲介質(zhì)層3 ；在俘獲介質(zhì)層3上覆蓋的由高k材料Al2O3 構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層4 ；以及在控制柵介質(zhì)層4上覆蓋的柵材料層5。其中，HfAlO高K材料俘獲介質(zhì)層3采用Hf靶和Al靶在O2氣氛中反應(yīng)濺射的方 法淀積生長，通過濺射過程中改變Hf靶和Al靶的濺射功率，實(shí)現(xiàn)HfAlO薄膜自上而下的漸 變組分結(jié)構(gòu)?；趫D1所示的非易失存儲器的基本結(jié)構(gòu)示意圖，圖2示出了本發(fā)明提供的制作 非易失存儲器的工藝流程圖，包括以下步驟步驟201 在硅襯底上生長一層SiO2材料的隧穿介質(zhì)層；在本步驟中，生長SiO2材料的隧穿介質(zhì)層的方法為熱氧化、原子層沉積ALD、化 學(xué)氣相淀積CVD ；所述SiO2材料的隧穿介質(zhì)層的厚度為3nm至5nm。步驟202 在SiO2隧穿介質(zhì)層上生長自下而上能帶逐漸變寬的HfAlO高k材料俘 獲介質(zhì)層；在本步驟中，生長HfAlO高k材料俘獲介質(zhì)層的方法為反應(yīng)磁控濺射，所述HfAlO 高k材料俘獲介質(zhì)層的厚度為5nm至15nm。步驟203 在俘獲介質(zhì)層上沉積由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層；在本步驟中，沉積由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層的方法為原子層沉積 ALD或者磁控濺射；所述沉積的Al2O3控制柵介質(zhì)層的厚度為15nm至30nm。步驟204 在控制柵介質(zhì)層上形成柵電極和源、漏，完成電荷俘獲型非易失存儲器 的制作。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，首先在硅襯底上用950°C干氧的條件生長4. 8nm SiO2 隧穿介質(zhì)層；在SiO2隧穿介質(zhì)上生長采用射頻磁控濺射的方法淀積第一層HfAlO俘獲介質(zhì) 層，厚度為15nm;生長方法為金屬Hf靶和金屬Al靶在氧氣氣氛中共同進(jìn)行反應(yīng)濺射，濺 射過程中逐漸減小金屬Hf靶的濺射功率，并逐漸提高金屬Al靶的濺射功率，使得靠近SiO2 隧穿介質(zhì)層的薄膜組分為富Hf的HfAlO，而靠近Al2O3阻擋層的薄膜組分為富Al的HfAlO。 隨著薄膜中自下而上Hf組分的降低(Al組分升高)，HfA10介質(zhì)的能帶將由窄變寬。HfAlO 介質(zhì)能帶結(jié)構(gòu)隨材料組分的變化規(guī)律如圖3所示。在俘獲介質(zhì)層上采用原子層淀積的方式 (溫度為250°C )沉積高k材料Al2O3控制柵介質(zhì)層，所述Al2O3控制柵介質(zhì)層厚度為15nm。圖4示出了依照本發(fā)明實(shí)施例的非易失存儲器的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，由于靠近SiO2 隧穿介質(zhì)層的HfAlO導(dǎo)帶位置較低，可以減低電子隧穿回襯底的幾率，從而使器件的電荷 保持特性得到提高。以上所述的具體實(shí)施例，對本發(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)施例而已，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
1.一種電荷俘獲型非易失存儲器，其特征在于，該存儲器包括硅襯底⑴；在硅襯底⑴上重?fù)诫s的源導(dǎo)電區(qū)(6)和漏導(dǎo)電區(qū)(7)；在源導(dǎo)電區(qū)(6)和漏導(dǎo)電區(qū)(7)之間載流子溝道上覆蓋的由SiO2材料構(gòu)成的隧穿介 質(zhì)層⑵；在隧穿介質(zhì)層(2)上覆蓋的具有錐形能帶結(jié)構(gòu)的HfTUO高K材料俘獲介質(zhì)層(3)；在俘獲介質(zhì)層⑶上覆蓋的由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層(4)；以及在控制柵介質(zhì)層(4)上覆蓋的柵材料層(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電荷俘獲型非易失存儲器，其特征在于，所述HfTUO高K材料 俘獲介質(zhì)層( 采用Hf靶和Al靶在&氣氛中反應(yīng)濺射的方法淀積生長，通過濺射過程中 改變Hf靶和Al靶的濺射功率，實(shí)現(xiàn)HfAW薄膜自上而下的漸變組分結(jié)構(gòu)。
3.一種電荷俘獲型非易失存儲器的制作方法，其特征在于，該方法包括A、在硅襯底上生長一層SiA材料的隧穿介質(zhì)層；B、在SiA隧穿介質(zhì)層上生長自下而上能帶逐漸變寬的HfTUO高k材料俘獲介質(zhì)層；C、在俘獲介質(zhì)層上沉積由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電荷俘獲型非易失存儲器的制作方法，其特征在于，步驟A中 所述生長SiO2材料的隧穿介質(zhì)層的方法為熱氧化、原子層沉積ALD、化學(xué)氣相淀積CVD ；所 述SW2材料的隧穿介質(zhì)層的厚度為3nm至5nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電荷俘獲型非易失存儲器的制作方法，其特征在于，步驟B中 所述生長HfAW高k材料俘獲介質(zhì)層的方法為反應(yīng)磁控濺射，所述HfAW高k材料俘獲介 質(zhì)層的厚度為5nm至15nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電荷俘獲型非易失存儲器的制作方法，其特征在于，步驟C中 所述沉積由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層的方法為原子層沉積ALD或者磁控濺射； 所述沉積的Al2O3控制柵介質(zhì)層的厚度為15nm至30nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電荷俘獲型非易失存儲器的制作方法，其特征在于，該方法 在步驟C之后進(jìn)一步包括在控制柵介質(zhì)層上形成柵電極和源、漏，完成電荷俘獲型非易失存儲器的制作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電荷俘獲型非易失存儲器及其制作方法。該存儲器包括硅襯底；在硅襯底上重?fù)诫s的源導(dǎo)電區(qū)和漏導(dǎo)電區(qū)；在源導(dǎo)電區(qū)和漏導(dǎo)電區(qū)之間載流子溝道上覆蓋的由SiO2材料構(gòu)成的隧穿介質(zhì)層；在隧穿介質(zhì)層上覆蓋的具有錐形能帶結(jié)構(gòu)的HfAlO高K材料俘獲介質(zhì)層；在俘獲介質(zhì)層上覆蓋的由高k材料Al2O3構(gòu)成的控制柵介質(zhì)層；以及在控制柵介質(zhì)層上覆蓋的柵材料層。利用本發(fā)明，有效地提高了電荷俘獲型非易失存儲器的電荷保持特性，并且有益于增大存儲窗口，提高擦寫速度，綜合改善了其存儲性能，為器件的進(jìn)一步縮小奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號H01L27/115GK102117810SQ200910244529
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者劉明, 劉璟, 王琴, 龍世兵 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所