[发明专利]一种制作金属纳米晶非挥发性存储器的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米电子器件及纳米加工技术领域，尤其涉及一种采用低能离子注入的手段制作金属纳米晶非挥发性存储器的方法。

背景技术

非挥发性存储器的主要特点是在不加电的情况下也能够长期保持存储的信息。它既有只读存储器(ROM)的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写，功耗较小。随着多媒体应用、移动通信等对大容量、低功耗存储的需要，非挥发性存储器，特别是闪速存储器(Flash)，所占半导体器件的市场份额变得越来越大，也越来越成为一种相当重要的存储器类型。

传统的Flash存储器是采用多晶硅薄膜浮栅结构的硅基非挥发存储器，其局限主要与器件隧穿介质层(一般是氧化层)的厚度有关：一方面要求隧穿介质层比较薄，以实现快速有效的P/E操作，另一方面要求具备较好的数据保持性能以保持电荷存储十年以上。出于折衷的考虑，隧穿介质层的厚度约为9～11nm。在器件制作工艺节点由1μm降到0.13μm的过程中，此厚度几乎没有变动。为了克服这一缺点，SONOS结构的硅基非挥发性存储器被提出，并获得了广泛的研究，它以Si₃N₄层作为电荷存储介质，具有兼容于硅基微电子工艺的优点。

自1995年IBM的S.Tiwari首次提出采用硅纳米晶作为存储节点的概念后，纳米晶浮栅存储器由于其突出的可缩小性能、高可靠性、低压低功耗操作等一系列优点，引起了广泛的研究兴趣。申请号为01108248.8的中国发明专利提供了一种锗/硅复合纳米晶粒浮栅结构MOSFET存储器；申请号为200480015225.9的中国发明专利提供了一种利用自组装材料做模版来限定纳米晶颗粒尺寸、间隔或密度的包含半导体纳米晶体的非挥发性存储器。

图1为纳米晶非挥发性存储器的结构示意图。在图1中，101表示半导体衬底，102表示隧穿介质层，103表示纳米晶，104是栅介质层，105是栅电极，106是源极，107是漏极。纳米晶浮栅存储器利用纳米晶体作为电荷存储介质，每一个纳米晶粒与周围晶粒绝缘且只存储少量几个电子，从而实现分立电荷存储。

分立电荷存储的优点是显而易见的：对于传统的浮栅存储结构，隧穿介质层上的一个缺陷即会形成致命的放电通道；而分立电荷存储可以降低此问题的危害，隧穿介质层上的缺陷只会造成局部纳米晶上的电荷泄漏，这样使电荷保持更稳定。

纳米晶存储器存储单元的状态取决于存储在纳米晶上的电荷。对P型衬底的纳米晶存储器而言，写入时，电子从沟道反型层或者栅进入纳米晶；擦除时，存储在纳米晶上的电子通过各种机制被释放出纳米晶；读出时，由于纳米晶上有无电子会造成存储器件阈值电压V_th的变化，通过外围电路的电流检测可以判断‘0’和‘1’两种状态，这两种不同的状态如图2所示。图3是纳米晶非挥发性存储器在器件的写入、保持和擦除状态时的能带示意图。

对于硅纳米晶非挥发性存储器而言，其整体器件性能与传统的浮栅结构的存储器相比较已经有了很大的提高，但是存储器的擦写时间和电荷保持时间仍然存在一定的矛盾。为了进一步提高纳米晶非挥发性存储器的性能，人们还提出了很多其它材料的纳米晶，其中最突出的是金属纳米晶非挥发性存储器。与硅纳米晶相比，采用金属纳米晶主要有以下优点：金属纳米晶在费米能级附近具有更高的态密度、与沟道具有更好的耦合作用、功函数可调(即采用不同的金属材料就可以得到不同的功函数)、由于载流子局域而受微扰较小、可以得到更小尺寸的纳米晶、可以进一步增强数据保持性能，金属纳米晶存储可以进行低压P/E操作。