多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器及其製作方法

2023-11-07 06:27:32

專利名稱：多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及微電子技術領域，尤其涉及一種多介質複合隧穿層的納米 晶浮柵存儲器及其製作方法。
背景技術：
浮柵結構存儲器是目前被大量使用和普遍認可的主流存儲器類型，是 一種十分重要的半導體元器件，被廣泛應用於電子和計算機行業。傳統的 浮柵結構存儲器由於其自身結構與材料選擇的要求，具有快速寫入/擦除操 作和長時間高穩定性存儲相衝突的局限性，且隨著技術節點的縮小，這一 矛盾並沒有得到明顯改善，進而限制了浮柵存儲器的發展。
隨著特徵尺寸進入到納米級，如何適應工藝的發展，在減小存儲單元 尺寸的同時提高存儲數據寫入、讀取、擦除和保持性能，已經成為目前浮 柵存儲器發展面臨的關鍵問題，這就要求從材料或結構上對傳統浮柵存儲 器進一步改進。
基於SONOS (Poly-Si/Si02/Si3N4/Si02/Si)結構非易失存儲器而提出 來的具有納米晶浮柵結構的非易失存儲器，利用納米晶顆粒作為電荷存儲 介質，每一個納米晶顆粒與周圍晶粒絕緣且只存儲少量幾個電子，從而實 現了分立電荷存儲，降低了隧穿介質層上由於缺陷而形成的致命的放電通 道的危害性，只可能引起局部的納米晶顆粒上的電荷洩漏，從而使電荷的 保持特性更加穩定。
納米晶顆粒材料的選擇，對納米晶浮柵結構存儲器的存儲性能起著至 關重要的決定作用。未來具有納米晶浮柵結構的非易失存儲器極有潛力為 應用存儲設備提供更高的集成密度、更低的寫入/擦除電壓、更快的寫入/ 擦除速度、更高的耐受性、更強的數據保持特性和多位存儲能力。
自1996年提出了在室溫下工作的採用矽納米晶浮柵結構的金屬氧化 物半導體場效應電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,
MOSFET)存儲器以來，納米晶浮柵結構非易失存儲器引起了廣泛的研究
興趣，並已經在這一方面做了大量的研究工作。
為了進一步改善現有傳統的浮柵結構存儲器所固有的編程效率和數 據保持率之間的矛盾，並同時提高存儲器性能，對浮柵結構存儲器的隧穿 介質層進行結構設計和材料選擇，己經開始成為眾多以改進存儲器綜合性 能和提高半導體存儲器件集成度為目的的研究的方向和重點。而近年來，
高k介質材料由於其可以綜合性提高存儲器性能和穩定性，已經開始引起
業界大量關注。
在納米晶材料浮柵結構非易失存儲器的柵介質層中引入高k材料可以
很大程度上提高存儲器的存儲性能和穩定性。相比較於傳統的Si02介質，
高k材料介質的能帶勢壘高度比較低，有利於加快存儲器數據的寫入/擦除 速度，從而縮短存儲器的編程操作工作時間，同時為降低寫入/擦除工作電 壓提供了可能性。
此外，高k材料介質可以提供數倍於Si02介質的物理厚度，即相比較
於具有相同等效氧化層厚度(Equivalent Oxide Thickness, EOT)的Si02 介質，高k介質的物理厚度要大的多，這有利於延長數據保存的時間，增 強存儲器的數據保持特性；同時這也為解決了傳統的浮柵結構非易失存儲 器所固有的柵介質層厚度的限制問題，提供了一個可行的研究方向，為減 小存儲器尺寸和提高存儲器集成密度帶來了希望，並有助於解決存儲器的 尺寸和集成密度相對於目前半導體工藝技術節點縮小滯後的問題。
基於對高k材料在浮柵結構非易失性存儲器中作為隧穿層介質應用的 研究，在對浮柵結構非易失性存儲器中隧穿介質層結構的研究方面，使用 單一高k材料層替代傳統Si02材料隧穿介質層的方法正逐步擴展，目前很
多研究試圖使用具有不對稱勢壘結構的多介質複合隧穿層結構，以期在傳 統的單一Si02材料隧穿介質層結構和單一的高k材料隧穿介質層結構之間
實現折衷，以求進一步對隧穿層的勢壘結構和高度、物理厚度和等效厚度 進行優化，實現綜合的提高浮柵結構非易失性存儲器的寫入/擦除速度、編 程操作工作時間等存儲性能和數據保持特性。
申請號為02130478.5的中國發明專利提供了一種具有量子點的存儲器 及其製造方法、..其^iit層採用氧化矽、氧化鋁、氧氮化矽、氧化鉅、氧
化鉿、氧化鋯、STO (SrTi03);浮柵採用量子點材料，包括矽、氮化矽、 金屬；量子點的形成過程為先沉積模板層，接著氧化形成多孔模板，澱積 量子點材料，刻蝕並平坦化。
申請號為20060125027的美國發明專利提供了一種採用HfD2納米晶 作為浮柵的非易失存儲器，通過共濺射Hf、 Si形成含Hf的矽酸鹽，然後 在Ar/02中快速退火形成Hf02納米晶，隧穿介質採用Si02、 Si3N4、 Hf02、 Zr02、 A1203、 La203。
申請號為20060166452的美國發明專利及申請號為2006080999的世 界發明專利提供了一種非易失納米晶存儲器及其製造方法，採用Si、 Ge 及金屬納米晶浮柵，採用Si02、 Hf02、 La203、八1203隧穿介質，採用SiONx 控制柵介質，其中N的含量從納米晶浮柵到控制柵逐漸降低。
申請號為200410091126.0的中國發明專利提供了一種基於縱向雙勢 壘共振隧穿結構的量子點存儲器，採用SiGe量子點浮柵層、雙勢壘共振 隧穿層，通過S-K生長模式自組織生長SiGe量子點，交替生長SiGe和 Si形成多層異質結構的雙勢壘遂穿層。
採用上述方法利用高k介質和納米晶材料製作浮柵結構非易失存儲器
一般都可以獲得納米晶顆粒，納米晶材料被用作浮柵層，其中製備納米晶 顆粒的方法包括模板法、混合材料退火法、多層退火、氧化加刻蝕、S-K 自組織生長法等；高k材料被用作介質層；單一介質材料或者多層介質材 料被用作隧穿介質層。
但是利用上述方法製備納米晶顆粒， 一般存在製作工藝複雜、製作成 本高、製作效率低，或者納米晶顆粒較大，或者製作過程中工藝控制困難， 或者可行性差與傳統CMOS工藝兼容性差的缺點。

發明內容
(一)要解決的技術問題 有鑑於此，本發明的一個目的在於提供一種多介質複合隧穿層的納米 晶浮柵存儲器，以減小浮柵結構非易失存儲器的編程/擦除(P/E)電壓， 降低浮柵結構非易失存儲器的操作時間和操作功耗，提高浮柵結構非易失 存,器的編程/擦除(P/E)速度、數據保持特性(retention)、編程/擦除(P/E)
耐受性等存儲性能，同時折衷考慮浮柵結構非易失存儲器中編程/擦除效率 和數據保持特性，以適應半導體存儲器件尺寸縮小的需要，提高器件的集 成度。
本發明的另一個目的在於提供一種製作多介質複合隧穿層的納米晶 浮柵存儲器的方法，以簡化製作工藝，降低製作成本，提高製作效率，提 高兼容性。
(二)技術方案
為達到上述一個目的，本發明提供了一種多介質複合隧穿層的納米晶 浮柵存儲器，該存儲器包括
矽襯底1、矽襯底上重摻雜的源導電區8和漏導電區9、源漏導電區
之間載流子溝道上覆蓋的Si02材料介質2/高k材料介質3/高k或&02材 料介質4複合隧穿層，複合隧穿層上覆蓋的納米晶浮柵層5、納米晶浮柵 層上覆蓋的高k材料或Si02材料控制柵介質層6，以及控制柵介質層上覆 蓋的柵材料層7。
上述方案中，所述Si02材料介質2/高k材料介質3/高k或Si02材料 介質4複合隧穿層由第一層Si02材料的隧穿介質2、第二層高k材料的隧 穿介質3和第三層高k或Si02材料的隧穿介質4，按一定厚度比例自Si 襯底表面起由下至上堆疊而成，所述Si02材料介質/高k材料介質/高k 或Si02材料介質複合隧穿層的總厚度為3nm至30nm。
上述方案中，所述複合隧穿層中的第一層Si02材料的隧穿介質2由 SiCb材料製作而成，所述第一層Si02材料的隧穿介質2厚度為lnm至5nm。
上述方案中，所述複合隧穿層中的第二層高k材料的隧穿介質3由高 k材料製作而成，包括Hf02、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La203、 HfAlO和HfTaON 中的任意一種或幾種的組合；所述第二層高k材料的隧穿介質3的厚度為 lnm至20nm。
上述方案中，所述複合隧穿層中的第三層高k或Si02材料的隧穿介質 4由高k或Si02材料製作而成，該第三層為Si02材料的隧穿介質時厚度為 lnm至5nm，該第三層為高k材料的隧穿介質時厚度為lnm至10nm，所 述高k材料包括Hf02、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La203、 Hf^\10和HfTaON
中的任意一種。
上述方案中，所述納米晶浮柵層5的材料選用金屬納米晶，或化合物
納米晶，或半導體納米晶，或異質複合納米晶；所述納米晶的直徑為lnm 至10nm，密度為lxl0"cm-2至lxio12cm_2。
上述方案中，所述金屬納米晶材料為W、 Al、 Ni、 Co、 Cr、 Pt、 Ru、 Sn、 Ti、 Au和Ag金屬中的任意一種；所述化合物納米晶材料為HfD2、 WN、 CdSe、 CoSi2、 NiSi、 TaSi2、 WSi2和HfSiOx 二元、多元化合物中的 任意一種；所述半導體納米晶材料為Si或Ge;所述異質複合納米晶材料 為Si/Ge、 TiSVSi複合材料中的任意一種。
上述方案中，所述控制柵介質層6由高k材料製作而成，包括Hf02、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La2C>3、 HfAlO、 HfTaON中的任意一種；或者由Si02 材料製作而成；所述控制柵介質層6的厚度為10nm至50nm。
上述方案中，所述的柵材料層7採用多晶矽柵，或採用金屬柵，所述 金屬柵包括TaN、 Ir02或金屬矽化物；所述多晶矽材料或者金屬材料的柵 材料層的厚度至少為100nm。
為達到上述另一個目的，本發明提供了一種製作多介質複合隧穿層的 納米晶浮柵存儲器的方法，該方法包括
A、 在矽襯底上生長一層Si02材料的隧穿介質；
B、 在Si02材料的隧穿介質上生長一層高k材料的隧穿介質；
C、 在高k材料的隧穿介質上再生長一層高k或Si02材料的隧穿介質；
D、 在高k或Si02材料的隧穿介質上生長納米晶浮柵層；
E、 在納米晶浮柵層上沉積高k材料或Si02材料的控制柵介質層；
F、 在控制柵介質層上沉積多晶矽材料或者金屬材料的柵材料層；
G、 光刻，在柵材料層上的抗蝕劑中形成柵線條圖形；
H、 以柵線條圖形為掩模刻蝕柵材料層、控制柵介質層、納米晶浮柵 層、高k或Si02材料介質/高k材料介質/Si02材料介質複合隧穿層，形 成柵堆結構；
I、 光刻、離子注入，在柵線條兩側:矽襯底中形成源導電區和漏導電區； J、生長絕緣介質、光刻、—腐蝕、蒸發金屬、剝離、退火，形成源電
極、漏電極和柵電極，並封裝。
上述方案中，步驟A中所述生長Si02材料的隧穿介質的方法為熱 氧化、原子層沉積ALD、化學氣相澱積CVD、電子束蒸發或者磁控濺射;
所述Si02材料的隧穿介質的厚度為lnm至5nm。
上述方案中，步驟B中所述生長高k材料的隧穿介質的方法為化學 氣相澱積CVD、原子層沉積ALD、電子束蒸發或者磁控濺射。所述高k 材料的隧穿介質的厚度為lnm至20nm。
上述方案中，步驟C中所述生長高k或Si02材料的隧穿介質的方法 為原子層沉積ALD、化學氣相澱積CVD、電子束蒸發或者磁控濺射； 所述Si02材料的隧穿介質的厚度為lnm至5nm，所述高k材料的隧穿介 質的厚度為lnm至10nm。
上述方案中，步驟A、步驟B和步驟C中所述的Si02材料的隧穿介 質/高k材料的隧穿介質/高k或Si02材料的隧穿介質按一定厚度比例堆疊 組成所述的多介質複合隧穿層，所述多介質複合隧穿層的總厚度為3nm至 30nm。
上述方案中，步驟D中所述生長納米晶浮柵層的方法為採用濺射或 蒸發在高k或Si02材料隧穿介質上鍍膜，然後對形成的薄膜材料進行高溫 快速熱處理，使薄膜材料結晶，從而形成納米晶顆粒。
上述方案中，步驟E中所述沉積高k材料或者Si02材料的控制柵介 質層的方法為化學氣相澱積CVD、原子層沉積ALD、電子束蒸發或者 磁控濺射；所述沉積的高k材料或者Si02材料的控制柵介質層的厚度為 10nm至50nm。
上述方案中，步驟F中所述沉積多晶矽材料或者金屬材料的柵材料層 的方法為化學氣相澱積CVD、原子層沉積ALD、電子束蒸發或者磁控 濺射；所述沉積的多晶矽材料或者金屬材料的柵材料層的厚度至少為 100nm。
上述方案中，步驟G中所述光刻為光學光刻或者電子束光刻，光刻後 形成的柵線條圖形的寬度即柵長為20nm至2000nm;
所述光學光刻的具體工藝步驟包括在柵材料層表面塗敷一層厚度為 1.5pm的AZ5211負性光學抗蝕劑，對所塗敷的AZ5214負性光學抗蝕劑
採用熱板在IO(TC下前烘100秒，接著對光學抗蝕劑AZ5214採用光刻機 利用光掩模版按所設計的柵圖形進行30秒的曝光，然後用熱板在115t:下 烘烤70秒，接著泛曝，不用光掩模版而直接裸曝60秒，最後用AZ5214 專用顯影液1Microposit35h 5H20或1AZ400K: 4H20，在室溫下顯影50 秒，只在待形成的柵堆上方留下AZ5214光學抗蝕劑，最後採用去離子水 在室溫下定影30秒，完成在AZ5214負性光學抗蝕劑中形成柵線條圖形； 採用光學光刻形成的AZ5214負性光學抗蝕劑柵線條的寬度為500nm至 2000nm;
所述電子束光刻的具體工藝步驟包括在柵材料表面塗敷一層厚度為 500mn的SAL601負性電子抗蝕劑，對所塗敷的SAL601負性電子抗蝕劑 用熱板在105'C下前烘2分鐘，接著採用電子束直寫光刻系統按柵圖形進 行曝光，然後對曝光後的SAL601負性電子抗蝕劑用熱板在105'C下後烘 2分鐘，接著採用MF CD-26顯影液在室溫下顯影1至10分鐘，再採用去 離子水在室溫下定影30秒，完成在SAL601負性電子抗蝕劑中形成柵線 條圖形；採用電子束光刻形成的SAL601負性電子抗蝕劑柵線條的寬度為 20nm至500nm。
上述方案中，所述步驟H包括將柵表面上覆蓋的AZ5214負性光學 抗蝕劑或者SAL601負性電子抗蝕劑柵線條圖形作為掩模，採用高密度電 感耦合等離子ICP刻蝕方法或者反應離子刻蝕RIE方法依次刻蝕柵材料 層、控制柵介質層、納米晶浮柵層、高k或Si02材料介質/高k材料介質/ Si02 材料介質複合隧穿層，再去膠，形成柵堆結構；所述去膠方法為溼法去膠， 採用濃H2S04+H202煮膠去膠。
上述方案中，所述步驟I包括在表面塗敷一層厚度為1.5pm的 AZ9912正性光學抗蝕劑，採用熱板在IO(TC下前烘100秒，在光刻機上採 用光刻掩模版掩蔽在柵線條兩側的源、漏區域進行曝光，然後用AZ9912 專用顯影液在室溫下顯影50秒，最後用去離子水在室溫下定影30秒，完 成在AZ9912正性光學抗蝕劑中形成源、漏區域圖形；再向所形成的源、 漏區域的矽襯底中注入P"+離子，注入能量為50keV，注入劑量為 lxio18cm_2，再在濃H2S04+H202中煮膠去膠；然後在IIO(TC溫度下在N2 氣氛中快速退火10秒，從而在柵線條兩側矽襯底中形成源導電區和漏導電區。
上述方案中，步驟J中所述生長絕緣介質、光刻、腐蝕、蒸發金屬、 剝離、退火，形成源電極、漏電極和柵電極包括
首先，在表面澱積一層絕緣介質，材料包括Si02、磷矽玻璃PSG或
硼磷矽玻璃BPSG;然後在該絕緣介質層上塗敷一層厚度為1.5pm的 AZ9912正性光學抗蝕劑，採用熱板在IO(TC下前烘100秒、在光刻機上採 用光刻掩模版掩蔽進行曝光；接下來用AZ9912正性光學抗蝕劑的專用顯 影液在室溫下顯影50秒；最後用去離子水在室溫下定影30秒，完成在源、 漏、柵上方形成接觸孔圖形；
下一步，利用AZ9912正性光學抗蝕劑圖形作為掩模，採用氫氟酸緩 衝液HF+NH4F+H20在常溫下腐蝕絕緣介質層；
再下一步，在露出的源、漏、柵材料表面及未去除的AZ9912正性光 學抗蝕劑上蒸發一層厚度小於AZ9912正性光學抗蝕劑厚度的Al-l%Si薄 膜作為金屬電極材料，所述Al-l。/。Si薄膜的厚度為lpm;
然後，採用丙酮超聲剝離AZ9912正性光學抗蝕劑及其上方蒸發的金 屬電極材料；
最後，對剝離後剩餘的金屬電極材料進行退火處理形成源、漏、柵電 極；所述對剝離後剩餘的金屬電極材料進行退火處理的條件為在40(TC 溫度下在N2氣氛中退火處理5分鐘；然後在40(TC溫度下在N2/H2混合氣 體中退火20分鐘；最後在400。C溫度下在N2氣氛中退火5分鐘。
(三)有益效果
從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果
(1) 本發明提供的這種多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器及其 製作方法，製作在體矽襯底上，不需要昂貴的襯底材料，既節約了成本， 同時又有利於散熱。
(2) 本發明提供的這種多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器及其 製作方法，其結構和製作工藝十分簡單，在矽襯底上依次生長一層Si02 材料的隧穿介質薄膜、 一層高k材料的隧穿介質薄膜、 一層高k或Si02 材料的隧穿介質薄膜、納米晶顆粒、 一層高k材料或者SA02材料的控制柵介質薄膜、 一層多晶矽或者金屬柵材料薄膜後，利用光刻、刻蝕、源漏離 子注入、退火等工藝即可製備出本發明所述的多介質複合隧穿層的納米晶 浮柵存儲器。
(3) 由於採用了多介質複合隧穿層結構、高k介質材料和納米晶材
料，可以使器件的集成密度和穩定性得到提高；同時存儲器的存儲性能， 特別是存儲窗口、編程/擦除(P/E)速度、編程/擦除(P/E)工作電壓、操作時 間、操作功耗、數據保持特性、編程/擦除(P/E)耐受性等性能指標，能 夠獲得綜合提高。
(4) 各種納米晶浮柵材料、介質層材料、柵材料均可採用磁控濺射、 電子束蒸發或化學氣相沉積(CVD)這些傳統方法製備，因此所需材料的 製備工藝和製作存儲器的完整工藝過程均與傳統CMOS工藝完全兼容。
(5) 採用本發明提供的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的制 作方法，製作工藝簡單，製作效率高和工藝的穩定性高，製作成本低，有 利於本發明的推廣和應用。


圖1為本發明提供的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的結構示 意圖2為本發明提供的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的製作方 法的總體技術方案的實現流程圖3-1為依照本發明實施例在矽襯底上沉積一層Si02材料的隧穿介質 的示意圖3-2為依照本發明實施例在Si02材料的隧穿介質上沉積一層高k材
料的隧穿介質的示意圖3-3為依照本發明實施例在高k材料的隧穿介質上再沉積一層高k 或Si02材料的隧穿介質的示意圖3-4為依照本發明實施例在高k或Si02材料的隧穿介質上生長一層 納米晶顆粒作為浮柵層的示意圖3-5為依照本發明實施例在納米晶浮柵層上沉積一層控制柵介質層 的示意圖3-6為依照本發明實施例在控制柵介質層上沉積一層柵材料層的示
意圖3-7為依照本發明實施例在柵材料表面塗敷一層負性抗蝕劑並前烘 的示意圖3-8為依照本發明實施例對所塗敷的負性抗蝕劑進行曝光、顯影和 定影形成柵線條圖形的示意圖3-9為依照本發明實施例利用負性抗蝕劑圖形為掩模刻蝕柵材料 層、控制柵介質層、納米晶浮柵層、高k或Si02材料介質/高k材料介質/ Si02 材料介質複合隧穿層的示意圖3-10為依照本發明實施例去膠形成柵堆結構的示意圖3-11為依照本發明實施例在完成上述步驟的襯底表面塗敷一層正 性光學抗蝕劑並前烘的示意圖3-12為依照本發明實施例對所塗敷的正性光學抗蝕劑進行光學曝 光、顯影和定影形成源、漏區域圖形的示意圖3-13為依照本發明實施例對所形成的源、漏區域的矽襯底離子注入 形成源、漏導電區的示意圖3-14為依照本發明實施例去膠並進行快速退火的示意圖3-15為依照本發明實施例在完成以上步驟後的結構表面澱積一層 絕緣介質的示意圖3-16為依照本發明實施例在絕緣介質層上塗敷一層正性光學抗蝕 劑並前烘的示意圖3-17為依照本發明實施例對所塗敷的正性光學抗蝕劑進行曝光、顯 影和定影在源、漏、柵上方形成接觸孔圖形的示意圖3-18為依照本發明實施例利用正性光學抗蝕劑圖形作為掩模在常 溫下腐蝕絕緣層薄膜露出源、漏、柵材料的示意圖3-19為依照本發明實施例在露出的源、漏、柵材料表面及未去除的 正性光學抗蝕劑上蒸發一層Al-l%Si薄膜作為金屬電極材料的示意圖3-20為依照本發明實施例剝離正性光學抗蝕劑及其上方蒸發的金 屬電極材料，並對剝離後剩餘的金屬電極材料進行退火處理形成源、漏、 柵電極的示意圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖1所示，圖1為本發明提供的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存 儲器的結構示意圖，該多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器包括矽襯 底1、矽襯底上重摻雜的源導電區8和漏導電區9、源漏導電區之間載流
子溝道上覆蓋的Si02材料介質2/高k材料介質3/高k或Si02材料介質 4複合隧穿層，複合隧穿層上覆蓋的納米晶浮柵層5、納米晶浮柵層上覆 蓋的高k材料或Si02材料控制柵介質層6，以及控制柵介質層上覆蓋的柵 材料層7。
矽襯底1 、 Si02材料介質2 /高k材料介質3 /高k或Si02材料介質 4複合隧穿層、納米晶浮柵層5、控制柵介質層6、柵材料層7構成柵堆結 構，源導電區8和漏導電區9位於柵堆結構兩側的矽襯底1中。
其中，矽襯底l為p型，用於支撐整個多介質複合隧穿層的納米晶浮 柵存儲器。
所述Si02材料介質2/高k材料介質3/高k或Si02材料介質4複合隧 穿層由第一層Si02材料的隧穿介質2、第二層高k材料的隧穿介質3和第 三層高k或Si02材料的隧穿介質4，按一定厚度比例自Si襯底表面起由
下至上堆疊組成，所述Si02材料介質/高k材料介質/高k或Si02材料介
質複合隧穿層的總厚度為3nm至30nm。
所述複合隧穿層中的第一層Si02材料的隧穿介質2由Si02材料製作 而成，所述第一層Si02材料的隧穿介質2的厚度為lrmi至5nm。
所述複合隧穿層中的第二層高k材料的隧穿介質3由高k材料製作而 成，包括Hf02、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La203、 HfAlO和HfTaON中的任 意一種或幾種的組合；所述第二層高k材料的隧穿介質3的厚度為lnm至 20nm。
所述複合隧穿層中的第三層高k或Si02材料的隧穿介質4由高k或 Si02材料製作而成，該第三層為Si02材料的隧穿介質時厚度為lnm至 5nm，該第三層為高k材料的隧穿介質時厚度為lnm至10nm，所述高k— 材料包括Hf02、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La203、 HfAlO和HfTaON中的任,
意一種。
所述納米晶浮柵層5用作電荷存儲介質，其材料選用金屬納米晶、化 合物納米晶、半導體納米晶或異質複合納米晶。所述金屬納米晶材料為W、
Al、 Ni、 Co、 Cr、 Pt、 Ru、 Sn、 Ti、 Au和Ag金屬中的任意一種；所述化 合物納米晶材料為Hf02、 WN、 CdSe、 CoSi2、 NiSi、 TaSi2、 WS^和HfSiOx 二元、多元化合物中的任意一種；所述半導體納米晶材料為Si或Ge;所 述異質複合納米晶材料為Si/Ge、 TiSb/Si複合材料中的一種。所述納米晶 的直徑為lnm至10nm，密度為lxl0"cm'2至lxl012cm-2。
所述控制柵介質層6由高k材料製作而成，包括H幻2、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La203、 HfAlO、 HfTaON中的任意一種；或者由Si02材料製作而 成；所述控制柵介質層6的厚度為10nm至50nm。
所述的柵材料層7採用多晶矽柵或金屬柵，所述金屬柵材料包括TaN、 Ir02或金屬矽化物；所述多晶矽材料或者金屬材料的柵材料層的厚度至少 為IOO謹。
基於圖1所示的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的結構示意 圖，圖2示出了本發明製作多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的總體 技術方案的實現流程圖，該方法包括以下步驟-
步驟201:在矽襯底上生長一層Si02材料的隧穿介質； 步驟202:在Si02材料的隧穿介質上生長一層高k材料的隧穿介質； 步驟203:在高k材料的隧穿介質上再生長一層高k或Si02材料的隧 穿介質；
步驟204:在高k或Si02材料的隧穿介質上生長納米晶浮柵層； 步驟205:在納米晶浮柵層上沉積高k材料或Si02材料的控制柵介質
層；
步驟206:在控制柵介質層上沉積多晶矽材料或者金屬材料的柵材料
層；
步驟207:光刻，在柵材料層上的抗蝕劑中形成柵線條圖形； 步驟208:以抗蝕劑上的柵線條圖形為掩模刻蝕柵材料層、控制柵介 質層、納米晶浮柵層、高k或Si02材料介質/高k材料介質/Si02材料介質
複合隧穿層，形成柵堆結構；
步驟209:光刻、離子注入，在柵線條兩側矽襯底中形成源導電區和 漏導電區；
步驟210:生長絕緣介質、光刻、腐蝕、蒸發金屬、剝離、退火，形 成源電極、漏電極和柵電極，並封裝。
與上述步驟201所述在矽襯底上生長一層SiO2材料的隧穿介質對應的
工藝流程如圖3-1所示，圖3-1為依照本發明實施例在矽襯底301上生長 一層Si02材料的隧穿介質302的示意圖。步驟201中所述矽襯底為p型矽 襯底；所述生長Si02材料的隧穿介質的方法為熱氧化、原子層沉積ALD、 化學氣相澱積CVD、電子束蒸發或者磁控濺射；所述Si02材料的隧穿介 質的厚度為lnm至5nm。
與上述步驟202所述在Si02材料的隧穿介質上生長一層高k材料的隧 穿介質對應的工藝流程如圖3-2所示，圖3-2為依照本發明實施例在Si02 材料的隧穿介質302上生長一層高k材料的隧穿介質303的示意圖。步驟 202中所述生長高k材料的隧穿介質的方法為利用磁控濺射、電子束蒸發、 化學氣相澱積CVD或原子層澱積ALD;所述高k材料的隧穿介質的厚度 為lnm至20nm。
與上述步驟203所述在高k材料的隧穿介質上再生長一層高k或Si02 材料的隧穿介質對應的工藝流程如圖3-3所示，圖3-3為依照本發明實施 例在高k材料的隧穿介質303上再生長一層高k或Si02材料的隧穿介質 304的示意圖。步驟203中所述生長高k或Si02材料的隧穿介質的方法為 原子層沉積ALD、化學氣相澱積CVD、電子束蒸發或者磁控濺射；所述 Si02材料的隧穿介質的厚度為lnm至5nm，所述高k材料的隧穿介質的厚 度為lnm至10nm。
與上述步驟201、 202和203中所述在矽襯底301上生長一層Si02材 料的隧穿介質302，再在Si02材料的隧穿介質302上生長一層高k材料的 隧穿介質303，再在高k材料的隧穿介質303上再生長一層高k或Si02材 料的隧穿介質304的目的是形成複合隧穿層，用於隔離矽襯底和用作電荷 存儲層的浮柵層，同時綜合提高存儲器的寫入/擦除速度、寫入/擦除電壓、
保持時間、穩定性、集成密度等存儲性能指標。所述生長的第一層Si02 材料的隧穿介質、第二層高k材料的隧穿介質和第三層高k或Si02材料的 隧穿介質按一定厚度比例自Si襯底表面起由下向上堆疊組成所述多介質 複合隧穿層，所述Si02材料介質/高k材料介質/高k或Si02材料介質復
合隧穿層的總厚度為3nm至30nm。
與上述步驟204所述在SiO2材料的隧穿介質上生長一層納米晶浮柵層 對應的工藝流程如圖3-4所示，圖3-4為依照本發明實施例在Si02材料的 隧穿介質304上生長一層納米晶顆粒305的示意圖。步驟204中所述在SiO2 材料的隧穿介質上生長一層納米晶顆粒的目的是用作電荷存儲介質；所述 形成納米晶顆粒的方法為利用濺射或蒸發的方法在Si02材料介質表面生 長一層1到10nm厚度的金屬、化合物或者矽、鍺薄膜，再根據不同薄膜 材料的高溫特性，在相應不同的溫度快速退火5秒至90秒，使薄膜材料 在Si02介質表面結晶，從而形成納米晶顆粒作為浮柵層。
與上述步驟205所述在納米晶浮柵層上沉積一層控制柵介質層對應的 工藝流程如圖3-5所示，圖3-5為依照本發明實施例在納米晶顆粒305上 沉積一層控制柵介質層306的示意圖。步驟205中所述在納米晶浮柵層上 沉積控制柵介質層的方法為利用化學氣相澱積CVD、原子層沉積ALD、 電子束蒸發或磁控濺射；所述沉積的高k材料或者Si02材料控制柵介質層 的厚度為10nm至50nm。
與上述步驟206所述在控制柵介質層上沉積一層柵材料層對應的工藝 流程如圖3-6所示，圖3-6為依照本發明實施例在控制柵介質層306上沉 積一層柵材料層307的示意圖。步驟206中所述在控制柵介質層上沉積柵 材料的方法為用化學氣相澱積CVD、原子層沉積ALD、電子束蒸發或
磁控濺射等方法在控制柵介質薄膜表面生長一層多晶矽或者金屬薄膜；所 述薄膜的厚度至少為100nm。
上述歩驟207—中所述光刻，在柵材料層上的抗蝕劑中形成柵線條圖形
還可以進一步包括在柵材料表面塗敷一層抗蝕劑並前烘，對所塗敷的抗 蝕劑進行曝光、顯影和定影形成柵線條圖形
與上述在柵材料表面塗敷一層抗蝕劑並前烘對應的工藝流程如圖3-7
所示，圖3-7為依照本發明實施例在柵材料307表面塗敷一層抗蝕劑308 並前烘的示意圖。所述抗蝕劑308為AZ5214負性光學抗蝕劑或SAL601 負性電子抗蝕劑，所述AZ5214負性光學抗蝕劑的厚度為1.5pm，對應的 前烘條件為採用熱板在0(TC下烘烤IOO秒；所述SAL601負性電子抗 蝕劑的厚度為500nm，對應的前烘條件為採用熱板在105。C溫度下烘烤 2分鐘。
與上述對所塗敷的抗蝕劑進行曝光、顯影和定影形成柵圖形對應的工 藝流程如圖3-8所示，圖3-8為依照本發明實施例對所塗敷的抗蝕劑308 進行曝光、顯影和定影形成柵線條圖形309的示意圖。光刻後形成的柵結 構的線條寬度即柵長為20nm至2000nm。
所述對所塗敷的AZ5214負性光學抗蝕劑308進行曝光、顯影和定影 形成柵線條圖形309的具體工藝步驟包括對AZ5214負性光學抗蝕劑308 利用光掩模版用光刻機按所設計的柵線條圖形曝光30秒，然後用熱板在 115。C下烘烤70秒，接著泛曝(即不用光掩模版而直接裸曝)60秒，最後 用AZ5214專用顯影液(1Microposit35h 5H20或1AZ400K: 4H20)在 室溫下顯影50秒，只在待形成的柵堆上方留下AZ5214光學抗蝕劑，最後 採用去離子水在室溫下定影30秒，完成在AZ5214光學抗蝕劑中形成柵線 條圖形。採用光學光刻形成的AZ5214光學抗蝕齊」柵線條圖形的寬度為 500nm至2000nm。
所述對所塗敷的SAL601負性電子束抗蝕劑308進行曝光、顯影和定 影形成柵線條圖形309的具體工藝步驟包括對SAL601負性電子抗蝕劑 308採用電子束直寫光刻系統按所設計的柵線條圖形進行曝光，然後對曝 光後的SAL601負性電子抗蝕劑用熱板在105。C下後烘2分鐘，接著採用 MF CD-26顯影液在室溫下顯影1至10分鐘，最後採用去離子水在室溫下 定影30秒，完成在SAL601電子抗蝕劑中形成柵線條圖形。採用電子束 光刻形成的SAL601電子抗蝕劑柵線條圖形的寬度為20nm至500nm。
上述步驟208中所述以柵線條圖形為掩模刻蝕柵材料層、控制柵介質 層、納米晶浮柵層、高k或Si02材料介質/高k材料介質/ Si02材料介質復 合隧穿層，形成柵堆結構還可以進一步包括利用抗蝕劑圖形為掩模依次 刻蝕柵材料層、控制柵介質層、納米晶浮柵層、高k或Si02材料介質/高k 材料介質/Si02材料介質複合隧穿層，去膠形成柵堆結構。
與上述利用抗蝕劑圖形為掩模刻蝕柵材料層、控制柵介質層、納米晶
浮柵層、高k或Si02材料介質/高k材料介質/ Si02材料介質複合隧穿層對 應的工藝流程如圖3-9所示，圖3-9為依照本發明實施例利用抗蝕劑圖形 309為掩模刻蝕柵材料層307、控制柵介質層306、納米晶浮柵層305、高 k或Si02材料介質304/高k材料介質303/SiO2材料介質302複合隧穿層的 示意圖。圖3-9中，310、 311、 312、 313、 314、 315分別為被刻蝕後的第 一層Si02材料的隧穿介質、第二層高k材料的隧穿介質、第三層高k或 Si02材料的隧穿介質、納米晶浮柵層、控制柵介質層、柵材料層。所述利 用抗蝕劑圖形為掩模刻蝕柵材料層、控制柵介質層、納米晶浮柵層、高k 或Si02材料介質/高k材料介質/Si02材料介質複合隧穿層形成柵堆結構的 工藝過程包括將柵表面上覆蓋的AZ5214光學抗蝕劑或SAL601電子抗 蝕劑柵線條圖形作為掩模，採用高密度電感耦合等離子ICP刻蝕方法或反 應離子刻蝕RIE方法依次刻蝕多晶矽或者金屬柵材料層、高k材料或者 Si02材料控制柵介質層、納米晶浮柵層、高k或Si02材料介質/高k材料 介質/Si02材料介質複合隧穿層。
與上述去膠形成柵堆結構對應的工藝流程如圖3-10所示，圖3-10為 依照本發明實施例去除抗蝕劑309形成柵堆結構的示意圖。所述去膠的方
法為溼法去膠，採用濃H2S04+H202煮膠去膠。
上述步驟209中所述光刻、離子注入，在柵線條兩側矽襯底中形成源 導電區和漏導電區還可以進一步包括在表面塗敷一層AZ9912正性光學 抗蝕劑並前烘；對所塗敷的AZ9912正性光學抗蝕劑進行光學曝光、顯影 和定影形成源、漏區域圖形；對源、漏區域的矽襯底離子注入形成源、漏 導電區；去膠，並快速退火。
與上述塗敷一層AZ9912正性光學抗蝕劑並前堪對應的工藝流程如圖
3-11所示，圖3-11為依照本發明實施例塗敷一層AZ9912正性光學抗蝕劑 316並前烘的示意圖。所述所塗敷AZ9912正性光學抗蝕劑316的厚度為 1.5pm;所述前烘的條件為採用熱板在IO(TC下前烘100秒。
與上述對所塗敷的AZ9912正性光學抗蝕劑進行光學曝光、顯影和定 影形成源、漏區域圖形對應的工藝流程如圖3-12所示，圖3-12為依照本 發明實施例對所塗敷的AZ9912正性光學抗蝕劑進行光學曝光、顯影和定 影形成源、漏區域圖形的示意圖。圖3-12中，317為曝光後的AZ9912正 性光學抗蝕劑，318、 319分別為曝光形成的源、漏區域圖形。所述對所塗 敷的AZ9912正性光學抗蝕劑進行光學曝光、顯影和定影的方法為在光 刻機上採用光刻掩模版掩蔽按所設計的在柵線條兩側的源、漏區域圖形進 行曝光，然後用AZ9912的專用顯影液在室溫下顯影50秒，最後用去離子 水在室溫下定影30秒，完成在AZ9912正性光學抗蝕劑中形成源、漏區域 圖形。
與上述對所形成的源、漏區域的矽襯底離子注入形成源、漏導電區對 應的工藝流程如圖3-13所示，圖3-13為依照本發明實施例對所形成的源、 漏區域的矽襯底離子注入形成源、漏導電區的示意圖。圖3-13中，320、 321分別為離子注入所形成的源、漏。所述對所形成的源、漏區域的矽襯 底離子注入的具體條件為向所形成的源、漏區域的矽襯底中注入P"+離 子，注入能量為50keV，注入劑量為lxlOl8cm—2。
與上述去膠、並快速退火對應的工藝流程如圖3-14所示，圖3-14為 依照本發明實施例去除抗蝕劑317並快速退火的示意圖。所述去膠的方法 為溼法去膠，即採用濃H2S04+H202煮膠；所述快速退火的目的是激活 雜質、減少缺陷，從而在柵線條兩側矽襯底中形成源、漏導電區；所述快 速退火的具體條件為在N2氣氛中在110(TC溫度下快速退火10秒。
上述步驟210中所述生長絕緣介質、光刻、腐蝕、蒸發金屬、剝離、
退火，形成源電極、漏電極和柵電極，並封裝還可以進一步包括
澱積一層絕緣介質；
在絕緣介質層上塗敷一層AZ9912正性光學抗蝕劑並前烘； 對所塗敷的AZ9912正性光學抗蝕劑進行光學曝光、顯影和定影，在
源、漏、柵區域上方形成接觸孔圖形；
利用AZ9912正性光學抗蝕劑圖形作為掩模在常溫下腐蝕絕緣介質薄 膜露出源、漏、柵材料；
在露出的源、漏、柵材料表面及未去除的AZ9912正性光學抗蝕劑上
蒸發一層Al-l%Si薄膜作為金屬電極材料；
剝離AZ9912正性光學抗蝕劑及其上方蒸發的金屬電極材料，並對剝 離後剩餘的金屬電極材料進行退火處理形成源、漏、柵電極。
與上述澱積一層絕緣介質層對應的工藝流程如圖3-15所示，圖3-15 為依照本發明實施例澱積一層絕緣介質層322的示意圖。所述絕緣介質材 料包括Si02、磷矽玻璃PSG、硼磷矽玻璃BPSG等；所述絕緣介質的沉積 方法為化學氣相澱積CVD、電子束蒸發或磁控濺射。
與上述在絕緣介質上塗敷一層AZ9912正性光學抗蝕劑並前烘對應的 工藝流程如圖3-16所示，圖3-16為依照本發明實施例塗敷AZ9912正性 光學抗蝕劑323並前烘的示意圖。所述AZ9912正性光學抗蝕劑的厚度為 1.5pm，對所塗敷的AZ9912正性光學抗蝕劑進行前烘的條件為採用熱 板在IO(TC下前烘100秒。
與上述在對所塗敷的AZ9912正性光學抗蝕劑進行光學曝光、顯影、 定影，在源、漏、柵上方形成接觸孔圖形對應的工藝流程如圖3-17所示， 圖3-17為依照本發明實施例對所塗敷的AZ9912正性光學抗蝕劑進行光學 曝光、顯影和定影的示意圖。圖3-17中，324、 325、 326中分別為在柵、 源、漏上方形成的接觸孔圖形。所述對所塗敷AZ9912正性光學抗蝕劑進 行光學曝光、顯影和定影的具體條件為在光刻機上採用光刻掩模版掩蔽 進行曝光，然後用AZ9912的專用顯影液在室溫下顯影50秒，最後用去離 子水在室溫下定影30秒，完成在源、漏、柵上方形成接觸孔圖形。
與上述利用AZ9912正性光學抗蝕劑圖形作為掩模在常溫下腐蝕絕緣 介質薄膜露出源、漏、柵材料對應的工藝流程如圖3-18所示，圖3-18為 依照本發明實施例利用AZ9912正性光學抗蝕劑圖形作為掩模在常溫下腐 蝕絕緣介質薄膜的示意圖。圖3-18中，327為被腐蝕後的絕緣介質層薄膜， 328、 329、 330分別為腐蝕絕緣介質層薄膜後露出的柵、源、漏材料。所 述腐蝕絕緣介遞薄膜的方法為利用AZ9912正性光學抗蝕劑圖形作為掩
模，採用氫氟酸緩衝液(HF+NH4F+H20)在常溫下腐蝕絕緣層薄膜。
與上述在露出的源、漏、柵材料表面及未去除的AZ9912正性光學抗 蝕劑上蒸發一層Al-l。/。Si薄膜作為金屬電極材料對應的工藝流程如圖3-19 所示，圖3-19為依照本發明實施例在露出的源、漏、柵材料表面及未去除 的AZ9912正性光學抗蝕劑上蒸發一層Al-l%Si薄膜331作為金屬電極材 料的示意圖。所述Al-P/。Si薄膜的厚度為l[rni，該厚度應小於AZ9912正 性光學抗蝕劑的厚度。
與上述剝離AZ9912正性光學抗蝕劑及其上方蒸發的金屬電極材料， 並對剝離後剩餘的金屬電極材料進行退火處理形成源、漏、柵電極對應的 工藝流程如圖3-20所示，圖3-20為依照本發明實施例剝離並對對剩餘的 金屬電極進行退火處理的示意圖。圖3-20中，332、 333、 334分別為剝離 後形成的柵、源、漏電極。所述剝離的方法為採用丙酮超聲剝離AZ9912 正性光學抗蝕劑及其上方蒸發的金屬電極材料；所述退火處理的具體條件 為在400。C下在N2氣氛中退火處理5分鐘；然後在400。C下在N2/H2混 合氣體中退火20分鐘；最後在40(TC下在N2氣氛中退火5分鐘。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果迸行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而 已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器，其特徵在於，該存儲器包括矽襯底(1)、矽襯底上重摻雜的源導電區(8)和漏導電區(9)、源漏導電區之間載流子溝道上覆蓋的SiO2材料介質(2)/高k材料介質(3)/高k或SiO2材料介質(4)複合隧穿層，複合隧穿層上覆蓋的納米晶浮柵層(5)、納米晶浮柵層上覆蓋的高k材料或SiO2材料控制柵介質層(6)以及控制柵介質層上覆蓋的柵材料層(7)。
2、 根據權利要求1所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器， 其特徵在於，所述Si02材料介質(2) /高k材料介質(3) /高k或Si02 材料介質(4)複合隧穿層由第一層Si02材料的隧穿介質(2)、第二層高 k材料的隧穿介質(3)和第三層高k或Si02材料的隧穿介質(4)，按一 定厚度比例自Si襯底表面起由下至上堆疊組成，所述Si02材料介質(2) /高k材料介質(3) /高k或Si02材料介質(4)複合隧穿層的總厚度為 3nm至30nm。
3、 根據權利要求2所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器， 其特徵在於，所述複合隧穿層中的第一層Si02材料的隧穿介質(2)由Si02 材料製作而成，所述第一層Si02材料的隧穿介質(2)的厚度為lnm至5nm。
4、 根據權利要求2所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器， 其特徵在於，所述複合隧穿層中的第二層高k材料的隧穿介質(3)由高k 材料製作而成，包括Hf02、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La203、 HfAlO和H汀aON 中的任意一種或幾種的組合；所述第二層高k材料的隧穿介質(3)的厚 度為lnm至20nm。
5、 根據權利要求2所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器， 其特徵在於，所述複合隧穿層中的第三層高k或Si02材料的隧穿介質(4) 由高k材料或Si02材料製作而成，該第三層為Si02材料隧穿介質時厚度 為lnm至5nm，該第三層為高k材料隧穿介質時厚度為lnm至10nm，所 述高k材料包括HfD2、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La203、 HfAlO和HfTaON 中的任意一種。
6、 根據權利要求1所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器， 其特徵在於，所述納米晶浮柵層(5)的材料選用金屬納米晶，或化合物 納米晶，或半導體納米晶，或異質複合納米晶；所述納米晶的直徑為lnm 至10nm，密度為lxl0"cm—2至lxl012cm-2。
7、 根據權利要求6所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器， 其特徵在於，所述金屬納米晶材料為W、 Al、 Ni、 Co、 Cr、 Pt、 Ru、 Sn、 Ti、 Au和Ag金屬中的任意一種；所述化合物納米晶材料為Hf02、 WN、 CdSe、 CoSi2、 NiSi、 TaSi2、 WSi2和HfSiOx 二元、多元化合物中的任意一 種；所述半導體納米晶材料為Si或Ge;所述異質複合納米晶材料為Si/Ge、 TiSi2/Si複合材料中的任意一種。
8、 根據權利要求1所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器， 其特徵在於，所述控制柵介質層(6)由高k材料製作而成，包括Hf02、 A1203、 Zr02、 Ta205、 La203、 HfAlO、 HfTaON中的任意一種；或者由Si02 材料製作而成；所述控制柵介質層的厚度為10nm至50nm。
9、 根據權利要求1所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器， 其特徵在於，所述的柵材料層(7)採用多晶矽柵，或者採用金屬柵，所 述金屬柵包括TaN、 Ir02或金屬矽化物。
10、 一種多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的製作方法，其特徵 在於，該方法包括A、 在矽襯底上生長一層Si02材料的隧穿介質；B、 在Si02材料的隧穿介質上生長一層高k材料的隧穿介質；C、 在高k材料的隧穿介質上再生長一層高k或Si02材料的隧穿介質；D、 在高k或Si02材料的隧穿介質上生長納米晶浮柵層；E、 在納米晶浮柵層上沉積高k材料或Si02材料的控制柵介質層；F、 在控制柵介質層上沉積多晶矽材料或者金屬材料的柵材料層；G、 光刻，在柵材料層上的抗蝕劑中形成柵線條圖形；H、 以柵線條圖形為掩模刻蝕柵材料層、控制柵介質層、納米晶浮柵 層、高k或Si02材料介質/高k材料介質/Si02材料介質複合隧穿層，形成柵堆結構；I、 光刻、離子注入，在柵線條兩側矽襯底中形成源導鬼區和漏導電區； J、生長絕緣介質、光刻、腐蝕、蒸發金屬、剝離、退火，形成源電 極、漏電極和柵電極，並封裝。
11、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器 的製作方法，其特徵在於，步驟A中所述生長Si02材料的隧穿介質的方法為熱氧化、原子層沉積ALD、化學氣相澱積CVD、電子束蒸發或者 磁控濺射；所述Si02材料的隧穿介質的厚度為lnm至5nm。
12、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器 的製作方法，其特徵在於，步驟B中所述生長高k材料的隧穿介質的方法 為化學氣相澱積CVD、原子層沉積ALD、電子束蒸發或者磁控濺射； 所述高k材料的隧穿介質的厚度為lnm至20nm。
13、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器 的製作方法，其特徵在於，步驟C中所述生長高k或Si02材料的隧穿介 質的方法為原子層沉積ALD、化學氣相澱積CVD、電子束蒸發或者磁 控濺射；所述Si02材料的隧穿介質的厚度為lnm至5nm，所述高k材料 的隧穿介質的厚度為lnm至10nm。
14、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器 的製作方法，其特徵在於，步驟A、步驟B和步驟C中所述的Si02材料 的隧穿介質/高k材料的隧穿介質/高k或Si02材料的隧穿介質按一定厚度 比例堆疊組成所述的多介質複合隧穿層，所述多介質複合隧穿層的總厚度 為3nm至30nm。
15、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的製作方法，其特徵在於，步驟D中所述生長納米晶浮柵層的方法為採用濺射或蒸發在高k或Si02材料隧穿介質上鍍膜，然後對形成的薄膜材料 進行高溫快速熱處理，使薄膜材料結晶，形成納米晶顆粒。
16、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器 的製作方法，其特徵在於，步驟E中所述沉積高k材料或者Si02材料的 控制柵介質層的方法為化學氣相澱積CVD、原子層沉積ALD、電子束 蒸發或者磁控濺射；所述沉積的高k材科或者Si02材料的控制柵介質層的 厚度為10nm至50nm。
17、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器 的製作方法，其特徵在於，步驟F中所述沉積多晶矽材料或者金屬材料的柵材料層的方法為化學氣相澱積CVD、原子層沉積ALD、電子束蒸發 或者磁控濺射；所述沉積的多晶矽材料或者金屬材料的柵材料層的厚度至 少為100nm。
18、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器 的製作方法，其特徵在於，步驟G中所述光刻為光學光刻或者電子束光刻， 光刻後形成的柵線條圖形的寬度即柵長為20nm至2000nm;所述光學光刻的具體工藝步驟包括在柵材料層表面塗敷一層厚度為 1.5(im的AZ5214負性光學抗蝕劑，對所塗敷的AZ5214負性光學抗蝕劑 採用熱板在IO(TC下前烘100秒，接著對光學抗蝕劑AZ5214採用光刻機 利用光掩模版按所設計的柵圖形進行30秒的曝光，然後用熱板在115。C下 烘烤70秒，接著泛曝，不用光掩模版而直接裸曝60秒，最後用AZ5214 專用顯影液1Microposit351: 5H20或1AZ400K: 4H20，在室溫下顯影50 秒，只在待形成的柵堆上方留下AZ5214光學抗蝕劑，最後採用去離子水 在室溫下定影30秒，完成在AZ5214負性光學抗蝕劑中形成柵線條圖形； 採用光學光刻形成的AZ5214負性光學抗蝕劑柵線條的寬度為500nm至2000誰；所述電子束光刻的具體工藝步驟包括在柵材料表面塗敷一層厚度為500nm的SAL601負性電子抗蝕劑，對所塗敷的SAL601負性電子抗蝕劑 用熱板在105。C下前烘2分鐘，接著採用電子束直寫光刻系統按柵圖形進 行曝光，然後對曝光後的SAL601負性電子抗蝕劑用熱板在105。C下後烘 2分鐘，接著採用MF CD-26顯影液在室溫下顯影1至10分鐘，再採用去 離子水在室溫下定影30秒，完成在SAL601負性電子抗蝕劑中形成柵線 條圖形；採用電子束光刻形成的SAL601負性電子抗蝕劑柵線條的寬度為 20nm至500nm。
19、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的製作方法，其特徵在於，所述步驟H包括將柵表面上覆蓋的AZ5214負性光學抗蝕劑或者SAL601負性電子抗 蝕劑柵線條圖形作為掩模，採用高密度電感耦合等離子ICP刻蝕方法或者 反應離子刻蝕RIE方法依次刻蝕柵材料層、控制柵介質層、納米晶浮柵層、高k或Si02材料介質/高k材料介質/ Si02材料介質複合隧穿層，再去膠， 形成柵堆結構；所述去膠方法為溼法去膠，採用濃H2S04+H202煮膠去膠。
20、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器的製作方法，其特徵在於，所述步驟I包括在表面塗敷一層厚度為1.5|im的AZ9912正性光學抗蝕劑，採用熱板 在IO(TC下前烘100秒，在光刻機上採用光刻掩模版掩蔽在柵線條兩側的 源、漏區域進行曝光，然後用AZ9912專用顯影液在室溫下顯影50秒，最 後用去離子水在室溫下定影30秒，完成在AZ9912正性光學抗蝕劑中形成 源、漏區域圖形；再向所形成的源、漏區域的矽襯底中注入P"+離子，注 入能量為50keV，注入劑量為lxl018cm—2，再在濃H2S04+H202中煮膠去 膠；然後在110(TC溫度下在N2氣氛中快速退火10秒，從而在柵線條兩側 矽襯底中形成源導電區和漏導電區。
21、 根據權利要求10所述的多介質複合隧穿層的納米晶浮柵存儲器 的製作方法，其特徵在於，步驟J中所述生長絕緣介質、光刻、腐蝕、蒸 發金屬、剝離、退火，形成源電極、漏電極和柵電極包括首先，在表面澱積一層絕緣介質，材料包括Si02、磷矽玻璃PSG或 硼磷矽玻璃BPSG;然後在該絕緣介質層上塗敷一層厚度為1.5pm的 AZ9912正性光學抗蝕劑，採用熱板在IO(TC下前烘100秒、在光刻機上採 用光刻掩模版掩蔽進行曝光；接下來用AZ9912正性光學抗蝕劑的專用顯 影液在室L溫下顯影50秒；最後用去離子水在室溫下定影30秒，完成在源、 漏、柵上方形成接觸孔圖形；下一步，利用AZ9912正性光學抗蝕劑圖形作為掩模，採用氫氟酸緩 衝液HF+NH4F+H20在常溫下腐蝕絕緣介質層；再下一步，在露出的源、漏、柵材料表面及未去除的AZ9912正性光 學抗蝕劑上蒸發一層厚度小於AZ9912正性光學抗蝕劑厚度的Al-l%Si薄 膜作為金屬電極材料，所述Al-"/。Si薄膜的厚度為l拜；然後，採用丙酮超聲剝離AZ9912正性光學抗蝕劑及其上方蒸發的金 屬電極材料；最後，對剝離後剩餘的金屬電極材料進行退火處理形成源、漏、柵電 極;-J 述對剝離後剩餘的金屬電極材料進行退火處理的條件為在400°C溫度下在N2氣氛中退火處理5分鐘；然後在40CTC溫度下在N2/H2混合氣 體中退火20分鐘；最後在40(TC溫度下在N2氣氛中退火5分鐘。
全文摘要
本發明涉及微電子技術領域，公開了一種多介質複合遂穿層的納米晶浮柵存儲器，包括矽襯底、矽襯底上重摻雜的源和漏導電區、源漏導電區之間載流子溝道上覆蓋的SiO2材料介質/高k材料介質/高k或SiO2材料介質複合隧穿層、複合隧穿層上覆蓋的納米晶浮柵層、納米晶浮柵層上覆蓋的高k材料或SiO2材料控制柵介質層、控制柵介質層上覆蓋的柵材料層。本發明同時公開了一種多介質複合遂穿層的納米晶浮柵存儲器的製作方法。本發明綜合改善了浮柵存儲器的存儲性能，提高了編程/擦除速度和耐受性、數據保持特性，降低了編程/擦除電壓和操作功耗，折衷了編程/擦除效率和數據保持的矛盾，提高了集成度，且製作工藝簡單。
文檔編號H01L29/788GK101383379SQ200710121370
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月5日 優先權日2007年9月5日
發明者明 劉, 李志剛, 楊清華, 管偉華, 媛 胡, 龍世兵 申請人:中國科學院微電子研究所