[发明专利]基于HfxSi1‑xO2多元氧化物存储材料的电荷存储器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属微电子器件及其材料领域，涉及一种Hf_xSi_1-xO₂多元氧化物电荷存储材料及其在非易失性电荷存储器件中的应用。

背景技术

随着半导体器件特征尺寸逐渐缩小和集成度的不断提高，传统的浮栅型非易失性存储器件已经很难满足市场的需求。近年来，金属(Metal)-二氧化硅(SiO₂)-氮化硅(Si₃N₄)-二氧化硅(SiO₂)-硅衬底(Si)型(MONOS)电荷存储器成为替代浮栅型存储器的候选结构。MONOS电荷存储器结构的主要特点是利用Si₃N₄替代传统浮栅结构中的多晶硅浮栅存储电荷；紧靠硅衬底的SiO₂作为隧穿层，紧靠金属栅极的SiO₂作为阻挡层，形成三明治结构；Si₃N₄存储的电荷被限制在两层SiO₂形成的势阱中，从而达到存储电荷的效果。但是，该类型结构存在以下缺点：1)隧穿层SiO₂厚度不断减小，漏电流增大，器件功耗严重；2)存储层Si₃N₄的陷阱态密度不高，电荷存储密度较低；3)存储层Si₃N₄的缺陷态具有复杂的能级分布，部分被浅能级缺陷态俘获的电荷极易逃逸，导致器件可靠性下降。

为了解决以上问题，选用多元氧化物材料替代Si₃N₄提高结构的缺陷态密度成为研究的热点，而隧穿层和阻挡层的研究较少。从器件漏电流和能带角度考虑，合适的器件应符合以下几个条件：1)存储层具有较大的缺陷态密度，以提高存储密度；2)隧穿层和阻挡层能够有效地阻挡电荷泄漏，并且与存储层之间能形成较深的势垒；3)器件的制备工艺简单，容易操作。综合以上几点考虑，我们发明了一种磁控溅射方法制备多元氧化物基电荷存储器的方法。借助磁控溅射方法，在硅衬底上顺序生长多元氧化物隧穿层、存储层、阻挡层和金属电极。通过磁控溅射沉积系统实现器件结构的制备，并且达到提高器件缺陷态密度和形成有效势阱的目的。

发明内容

本发明提供了一种多元氧化物电荷存储材料、制备方法及在电荷存储器件中的应用。

本发明还提供了利用上述多元氧化物电荷存储材料，借助磁控溅射制备多元氧化物基电荷存储器件的方法，操作简单，能带中势阱容易形成。

本发明还提供上述制备方法得到的多元氧化物薄膜基电荷存储器件在非易失性存储器件中的应用。

本发明的技术方案是：多元氧化物存储材料为Hf_xSi_1-xO₂，x取值范围分为两类，第一类x为0.1-0.2，第二类x为0.8-0.9。制备Hf_xSi_1-xO₂陶瓷靶材时，选取HfO₂和SiO₂粉体，经过球磨机湿磨36小时后，烘干，利用压片机在20-25MPa的压力下成型，最后在1400℃下烧制10小时。制备两类x值不同的陶瓷靶材，第一类x值在0.1-0.2范围内(Hf_0.1-0.2Si_1-xO₂)，第二类x值在0.8-0.9范围内(Hf_0.8-0.9Si_1-xO₂)。

所述多元氧化物薄膜基电荷存储器件的制备方法包括以下步骤：

a)将硅衬底置于稀释氟化氢溶液中去除表面氧化物，然后放入三靶磁控溅射沉积腔体内的衬底台上，等待在表面生长薄膜；将Hf_0.1-0.2Si_1-xO₂(靶材1)和Hf_0.8-0.9Si_1-xO₂(靶材2)的陶瓷靶材分别置于磁控溅射沉积腔的1号和2号靶台上，将金靶材(靶材3)置于3号靶台上，如图1a)所示；

b)利用金属挡板，将2号和3号靶台上的陶瓷靶材和金靶材挡住，打开1号金属挡板，利用磁控溅射的方法在硅衬底表面生长一层Hf_0.1-0.2Si_1-xO₂多元氧化物薄膜作为隧穿层，如图1b)所示；