[发明专利]3D架构垂直沟道纳米硅环栅存储器的制备方法

说明书

本发明涉及一种3D环栅量子点存储器，属于非挥发性存储器技术领域。该存储器的特征在于：其特征在于：以非晶硅作为存储器件沟道，所述非晶硅纳米柱的上下两端作为浮栅存储器沟道的源漏电极，以及环绕在非晶硅柱侧壁的纳米硅浮栅层，所述纳米硅浮栅由隧穿层、纳米硅层和高K介质控制层组成；在控制层表面沉积金属层，形成栅电极；本发明与当前的微电子工艺技术相兼容，纳米硅浮栅存储器由于其分立电荷存储的优势，在写入和擦除过程中电荷可以独立存储在彼此分立的纳米硅中，另外纳米硅浮栅存储器的隧穿层较薄，可以在较小的工作电压下完成写入和擦除的工作，实现低功耗。

技术领域

本发明涉及一种3D环栅量子点存储器阵列及其制备方法，属于非挥发性存储器技术领域。

背景技术

随着大数据和云计算时代的到来，新一代低功耗、高密度闪存器件的需求已经成为当前信息社会重要的硬件基础，虽然通过缩小半导体存储器工艺尺寸可以提高其集成密度，但是当前的CMOS工艺技术已经接近其物理极限，进一步的缩小将面临很多技术难题。而3D架构的存储技术打破传统存储器的平面二维概念，从平面向三维方向发展，可以采用大工艺尺寸获得高密度的集成，特别是纳米硅浮栅存储器由于其分立电荷存储的优势，在写入和擦除过程中电荷可以独立存储在彼此分立的纳米硅中，避免了市场上的多晶硅浮栅存储器面临的问题“一处漏电，全体漏光”。另外纳米硅浮栅存储器的隧穿层较薄，可以在较小的工作电压下完成写入和擦除的工作，实现低功耗，截止目前为止，关于基于3D架构垂直非晶硅沟道的纳米硅浮栅存储器的设计和制备还未见报道。近年来南京大学在纳米硅浮栅存储器方面取得较快的研究进展，针对平面架构的纳米硅浮栅存储器进行了深入研究(1-2)，当前计算机的存储器密度和计算速度还有待进一步提高，如何把非晶硅沟道应用于3D架构高密度纳米硅浮栅存储器具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种3D环栅量子点存储器阵列，从而满足微电子科学技术发展对降低非挥发性存储器件功耗的需求。同时给出其制备方法，该方法与当前的微电子工艺相兼容，从而可以切实应用于未来的硅基纳米电子学器件。为了达到以上目的，本发明的技术方案特征在于：以氧化硅纳米柱侧壁的非晶硅沟道作为存储器单元的沟道，隧穿氧化层、纳米硅层和铪铝氧控制层组成的三明治结构环绕在单晶硅纳米柱的表面，形成纳米硅环栅结构，采用大氢稀释的方法获得三层纳米硅，并以碳化硅作为中间隧穿层来进行隔离。本发明的纳米硅尺寸和密度可通过硅烷和氢气的流量比进行调控，中间隧穿层的势垒可以调控硅烷和甲烷的流量比，从而控制工作电压的大小从而实现超低功耗。与现有非挥发性存储器件中的浮栅存储器相比，本发明的优点在于纳米硅的分立电荷存储能力可以有效的防止漏电，铪铝氧控制层可以较好的实现存储层的隔离，使电荷存储在纳米硅层中，防止向顶部金属电极方向传递，另外，传统的多晶硅浮栅存储器中一般电流较大，因此如何降低功耗是目前急需解决的问题。而本发明的存储器则可以实现工作电压的控制，从而解决了降低其功耗的关键性问题。

本发明设计的超低功耗3D环栅量子点储器的制备方法包括以下步骤：

第一步、构筑非晶硅柱沟道

1.1在单晶硅表面旋涂光刻胶，曝光显影后在单晶硅表面获得圆形光刻胶，以光刻胶为掩膜对单晶硅进行刻蚀，获得单晶硅柱。

1.2采用高温热氧化的方法在单晶硅柱表面获得300纳米厚的氧化硅层，采用PECVD系统在氧化硅层表面沉积100纳米的非晶硅层。

第二步、构筑纳米硅环栅存储层；

2.1在非晶硅表面沉积碳化硅和纳米硅，交替进行获得三个周期的碳化硅和纳米硅，采用原子层沉积技术在最上层纳米硅表面沉积铪铝氧控制层，最后在铪铝氧控制层表面沉积金属铝。

2.2在硅基片表面旋涂光刻胶，采用无掩膜技术进行曝光显影，获得覆盖纳米硅环栅存储器单元表面的圆形光刻胶，以光刻胶为掩膜板，采用ICP刻蚀技术把彼此相连的纳米硅环栅存储层刻断，刻蚀深度达到隧穿层与底部氧化硅层的交界处，获得彼此独立开来的纳米硅浮栅存储器单元。