[发明专利]基于纳米晶浮栅的三维非易失性半导体存储器及其制备方法

说明书

本发明属于三维闪存存储器制备领域，更具体地，涉及一种基于纳米晶浮栅的三维非易失性半导体存储器及其制备方法。该三维半导体存储器包括多个位于垂直方向的三维NAND存储串，每个三维NAND存储串包括半导体区域，以及围绕所述半导体区域的四层包裹结构，依次为隧穿电介质层、电荷存储层、阻隔电介质层以及控制栅电极；其中，所述电荷存储层的材料包含纳米晶材料，所述纳米晶材料为硫系化合物纳米晶。本发明采用自身空穴结构含量很高的硫系化合物纳米晶作为电荷存储层材料，提高了三维闪存存储器单个存储单元的编程/擦除效率、编程/擦除速度额以及电荷的存储能力，并且本发明纳米晶浮栅的工艺过程简单，与垂直沟道工艺兼容。

技术领域

本发明属于三维闪存存储器制备领域，更具体地，涉及一种基于纳米晶浮栅的三维非易失性半导体存储器及其制备方法。

背景技术

三维闪存存储器的存储密度不再受限于工艺特征尺寸，可以随着垂直方向上堆叠实现存储密度的不断提升。

然而，在三维闪存结构中，由于栅结构的限制，致使快速写入/擦除操作的要求和长期稳定存储的需求之间产生严重矛盾。且随着三维堆叠层数的不断增加，特征尺寸的不断缩小，此矛盾更加显著。另一方面，在三维结构中，浮栅结构的串扰也非常严重。

近些年，虽然有报道提出采用纳米晶金属作为浮栅材料，以实现多值存储，提高存储器的存储容量，但是纳米晶金属等比缩小特性较弱，随尺寸缩小载流子浓度显著减少，提高存储容量空间非常有限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于纳米晶浮栅的三维非易失性半导体存储器及其制备方法，通过将硫系化合物纳米晶材料引入电荷存储层作为浮栅材料，利用硫系化合物自身空穴结构优势，提高三维闪存存储器单个存储单元的编程/擦除效率、编程/擦除速度额以及电荷的存储能力，由此解决现有浮栅材料提高存储器存储容量有限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于纳米晶浮栅的非易失性三维半导体存储器，包括多个位于垂直方向的三维NAND存储串，每个三维NAND存储串包括半导体区域，以及围绕所述半导体区域的四层包裹结构，所述四层包裹结构从里到外依次为隧穿电介质层、电荷存储层、阻隔电介质层以及控制栅电极；

其中，所述电荷存储层的材料包含纳米晶材料，所述纳米晶材料为硫系化合物纳米晶。

优选地，所述硫系化合物纳米晶为GeTe纳米晶、GeSbTe纳米晶和SnTe纳米晶中的一种或多种。

优选地，所述硫系化合物纳米晶的直径为1nm至20nm。

优选地，所述硫系化合物纳米晶在所述电荷存储层中的分布密度在10¹¹cm^-2至10¹²cm^-2。

优选地，所述纳米晶材料分散在绝缘介质中，所述绝缘介质材料为二氧化硅。

按照本发明的另一个方面，提供了一种所述的基于纳米晶浮栅的非易失性三维闪存存储器的制备方法，包括下述步骤：

S1：在衬底上附着下电极，并在所述下电极上沉积多层膜堆叠结构；在多层膜堆叠结构中进行深孔刻蚀形成通孔；所述多层膜堆叠结构由控制栅电极和绝缘介质交替堆叠形成；

S2：在该多层膜的堆叠结构中通过刻蚀形成暴露衬底的垂直深孔；

S3：在所述深孔中进行选择性各向同性刻蚀，形成垂直方向排列的多个凹坑；

S4：在所述凹坑中沉积阻隔电介质材料形成阻隔电介质层，沉积纳米晶材料形成电荷存储层；再通过刻蚀在垂直方向形成通孔；其中所述纳米晶材料为硫系化合物纳米晶，采用化学气相沉积法沉积获得含有该硫系化合物纳米晶的电荷存储层；