[发明专利]一种混合纳米晶存储器的电容结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造技术领域，具体涉及一种快闪存储器的电容结构和制备方法，尤其是一种混合纳米晶存储电容结构及制备方法。 

背景技术

随着半导体工艺技术的不断发展，非挥发性快闪存储器集成密度越来越高，存储单元尺寸随之减小，在65nm技术节点之后传统的多晶硅浮栅结构出现了一系列的问题，极大地影响了器件存储的性能，诸如擦写速度慢，工作电压高等[1]。基于非连续电荷俘获机理(如纳米晶存储器等)的新一代非挥发性存储器最近引起了广泛关注，它和传统的多晶硅浮栅结构存储器相比拥有众多优点，如更好的数据保持特性、更低的操作电压以及更快的擦写速度等[2-4]。目前，用于快闪存储器的纳米晶主要有半导体和金属两大类，还有少量金属氧化物类纳米晶。相对于半导体纳米晶存储器，金属纳米晶存储器拥有众多优势：在费米能级附近具有更高的态密度，功函数的选择范围更广，与衬底的沟道有较强的耦合[4]。研究表明，拥有较大功函数的金属可以形成较深的势阱，从而较好地俘获电荷并提供更好的数据保存特性。 

金属钌(Ru)拥有较大的功函数(4.7eV)，良好的导电性，与高介电常数介质之间有较好的热稳定性，且其金属氧化物也有很好的电荷存储特性，因此金属钌在金属纳米晶存储器中具有较好的应用前景。通过研究，利用一种有效的方法制备得到大小一致、分布均匀、密度高的纳米晶将会解决纳米晶存储器实际应用前的关键问题。另外，电容存储器制备时电极的选择也会极大地影响器件的性能，传统的多晶硅电极材料存在电阻率大、功函数低等诸多问题，在纳米晶存储电容器的应用中有很大的局限性，而金属钯电极拥有较大的功函数(5.22eV)，能与电容介质形成有利于电荷擦写的垫垒高度，且钯具有良好的化学稳定性和热稳定性，因此其在纳米晶存储电容器的制备中有很大的应用前景。 

参考文献 

[1]J.D.Blauwe，IEEE Trans.Nanotechnology 1，1(2002). 

[2]J.J.Lee，and D.L.Kwong，IEEE Trans.Electron Devices 52，507(2005). 

[3]H.L.Hanafi，S.Tiwari，and I.Khan，IEEE Trans.Electron Devices 43，1553(1996). 

[4]Z.Liu，C.Lee，V.Narayanan，G.Pei，and E.C.Kan，IEEE Trans.Electron Devices 49，1606(2002). 

[5]B.Govoreanu，P.Blomme，M.Rosmeulen，and J.V.Houdt，IEEE Electron Device Lett.24，99(2003). 

发明内容

本发明的目的是提供一种存储电荷密度高、数据保持特性好、操作电压低和擦写速度快的新型钌、氧化钌混合纳米晶存储器电容结构。 

本发明的再一目的是提供上述产品的制备方法。 

本发明提出的新型纳米晶存储器的电容结构，以P型单晶硅片为衬底层，用原子层淀积的方法生长的Al₂O₃纳米薄膜作为电荷隧穿层，厚度为5-10纳米。在形成隧穿层之后，接着磁控溅射一层1-4纳米厚的钌膜，并在由氮气和痕量氧气组成的混合气氛中，于600-900℃下快速热退火以形成钌、氧化钌混合纳米晶。随后，原子层淀积15-40纳米厚的Al₂O₃薄膜作为阻挡层，并经过高温、氮气氛中快速热处理。经过标准的光刻工艺，利用lift-off方法形成栅电极，栅电极为50-200纳米的钯金属层。 

本发明新型混合纳米晶存储电容的剖面结构示意图如图1所示。 

本发明中Al₂O₃薄膜的厚度是通过控制原子层淀积的反应循环次数来实现，钌薄膜的厚度和均匀性是通过控制磁控溅射的功率、时间和衬底转速来实现。钌、氧化钌混合纳米晶的密度和大小是受钌的初始厚度以及后退火的温度和时间决定。电极钯是利用电子束蒸发在高真空下形成，与介质表面接触良好，电极质量高。 

在上述制备方法基础上，为了方便器件性能的测量，对(100)晶向的P型单晶硅片清洗、用氢氟酸去除衬底背面的自然氧化层，然后淀积一层金属铝层，以形成良好的欧姆接触。 

本发明所提出的钌纳米晶存储器电容的制备方法如下：