基於鍺矽異質納米結構的非揮發浮柵存儲器及製備方法

2023-12-01 22:18:01

專利名稱：基於鍺矽異質納米結構的非揮發浮柵存儲器及製備方法
技術領域：
本發明涉及一種基於納米結構的半導體非揮發浮柵存儲器及製備方法，尤其是基 於鍺矽異質納米結構(晶粒)的新型半導體非揮發浮柵存儲器的製備方法。
技術背景快閃記憶體(Flash Memory)作為非揮發性浮柵結構存儲器的典型器件目前已廣泛應用於 U盤、MP3播放器及手機、數位照相機等移動電子設備，並有望在不久的將來替代PC 中的硬碟實現大規模數據存儲；然而目前廣泛應用的多晶矽薄膜浮柵存儲器結構在向 45 nm特徵尺寸發展實現超大規模器件集成的同時，在存儲時間和控制功耗等方面將面 臨嚴峻的挑戰。應用納米晶粒替代傳統多晶矽薄膜作為浮柵的存儲器件因具有低功耗、 高速度、高存儲密度等特點，被廣泛認為將成為替代快閃記憶體的新一代非揮發性浮柵存儲器 件。然而，目前納米晶粒存儲器的電荷存儲時間特性還遠未達到工業應用的要求，同 時還必須解決器件的單勢壘結構所導致的存儲時間與編程時間之間的矛盾。為解決以上 問題，本申請人的中國專利申請CN01108248.8和CN200610085590.8，圖1是基於異質 納米結構(晶粒)的半導體非揮發性浮柵存儲器的截面示意圖，如圖1所示，異質納米 結構(晶粒)浮柵存儲器包括p型半導體矽襯底10，在半導體矽襯底中摻雜形成n+型 源極11和漏極12，源漏極之間即為溝道13，溝道上方為隧穿氧化層14，異質納米結 構(晶粒)15鑲嵌於柵氧化層16中，置於溝道13和控制柵17之間。本申請人的中國專利CN01108247.X，公開了選擇的方法除去鍺的浸潤層。發明內容本發明目的是基於納米結構的半導體非揮發浮柵存儲器及製備方法，尤其是利 用鍺矽異質納米結構(晶粒)替代矽納米結構(晶粒)作為納米浮柵的存儲器及其製備 方法。提出一種編程時間基本不變的情況下，使存儲時間顯著增加的浮柵存儲器及製備 方法，浮柵存儲器既能快速擦寫編程，又能長久存儲。本發明的技術解決方案是基於鍺矽異質納米結構(晶粒)的半導體非揮發性浮 柵存儲器(圖2)，包括a) 半導體襯底；b) 在半導體襯底中設有摻雜形成的源極和漏極，在源漏極間的溝道層的正上方 設有氧化形成隧穿氧化層；C) 設有控制柵介電層和柵電極；d) 在隧穿氧化層上是漸變鍺矽異質納米結構(晶粒)；本發明設有應用漸變鍺矽 異質納米結構(晶粒)的複合勢壘作為浮柵存儲單元。其中隧穿氧化層為1.5 5nm， 鍺矽異質納米結構(晶粒)的大小為15nm以下，密度為10、mJ以上。鍺矽異質納米結構浮柵存儲器件的製備方法，使用矽烷(SiH4)或乙矽垸(Si2H6) 採用低壓化學氣相外延技術(LPCVD)澱積納米量級的非晶矽薄膜，然後使用鍺垸 (GeH4)採用低壓化學氣相外延技術自組織生長得到鍺納米晶粒；取出樣品採用選擇 刻蝕除去鍺浸潤層，通過高溫退火促進鍺矽間的互擴散，然後採用化學選擇腐蝕劑得到 分立的漸變鍺矽異質納米結構(晶粒)。本發明的機制的效果對於漸變鍺矽異質納米晶粒，由於鍺較小的禁帶寬度(0.66 eV)及其與矽相近的電子親和能，鍺的價帶頂比矽高約0.5eV,從而形成空穴的複合勢 阱作為存儲器的電荷存儲單元，如圖2所示；在柵極17加上合適電壓後，溝道13中空 穴直接隧穿過單勢壘O)i，越過矽材料15B的勢壘存儲於勢阱材料鍺15A中。如圖3所 示，從而改變器件的閾值電壓，且編程時間基本不變；存儲於鍺15A勢阱中的空穴需 隧穿過①2和0,所形成的複合勢壘才能回到溝道13，這樣存儲狀態下鍺15A中空穴直 接隧穿回溝道13的隧穿機率大大降低，從而可以在編程時間基本不變的情況下，使存 儲時間顯著增加至數年，達到使納米結構浮柵存儲器既能快速擦寫編程，又能長久存儲。在器件的製備過程中，應用低壓化學氣相沉積(LPCVD)澱積非晶矽薄膜和鍺納 米晶粒，然後使用選擇腐蝕除去鍺的浸潤層。再高溫退火促進鍺矽間的互擴散提高後續 化學刻蝕的選擇性，採用化學選擇腐蝕劑刻蝕鍺納米晶粒間的矽(在示例中，根據本申 請人獲得授權的國內專利01108247.乂，使用稀釋的氨水溶液)，形成分立的鍺矽異質納 米晶粒，再澱積柵介質層，最後蒸發電極完成鍺矽異質納米晶粒浮柵存儲器的製備，從 而採用漸變鍺矽異質納米結構(晶粒)替代矽納米結構(晶粒)作為浮柵存儲單元，以 解決矽納米晶粒浮柵存儲器的編程時間(電壓)與存儲時間之間的矛盾，從而在較短的 編程時間前提下，同時有效增加器件的存儲時間。


圖l是基於異質納米結構(晶粒)的半導體非揮發浮柵存儲器的截面示意圖；圖2是本發明漸變鍺矽異質納米結構(晶粒)的半導體非揮發浮柵存儲器的能帶結構簡圖；圖3是是對應於圖2的漸變鍺矽異質納米結構(晶粒)的非揮發浮柵存儲器在編 程狀態下的能帶結構簡圖；圖4A是漸變鍺矽異質納米晶粒的掃描電子顯微鏡(SEM)圖； 圖4B是澱積鍺納米晶後樣品的X射線光電子能譜(XPS)圖； 圖4C是使用稀釋的氨水溶液刻蝕後樣品的X射線光電子能譜(XPS)圖； 圖5A是漸變鍺矽異質納米晶粒的浮柵存儲器的高頻C-V曲線； 圖5B是漸變鍺矽異質納米晶粒的浮柵存儲器的C-t存儲特性曲線。
具體實施方式
下面將參照附圖詳述根據本發明的非揮發性浮柵存儲器件的製備方法，附圖中示出了本發明的示例性實施例； 在基於漸變鍺矽異質納米結構(晶粒)的非揮發浮柵存儲器的製備中，首先對矽 襯底進行標準的半導體清洗工藝，在低壓化學氣相沉積(LPCVD)系統中800°C ~ IOO(TC 的高溫下快速(約l-3min，並最好在低壓強條件下)氧化得2.5nm的超薄氧化層後，
使用矽烷(SiH4)在於0.3 100mTorr的腔體壓強下460 58(TC澱積約5nm的非晶矽 薄膜，然後在46(TC下以50sccm的鍺垸(GeH4)在0.4mTorr的腔體壓強下反應30秒 得到鍺納米晶粒；取出樣品使用1:5 ~ 1:50的稀釋氫氟酸刻蝕除去鍺浸潤層，在700 ~ 900°C，壓強為0.05 50Pa的氬氣氛圍下退火l小時促進鍺矽間的互擴散，然後使用 1:5 1:20的稀釋氨水溶液在60 ~ 80。C溫度下刻蝕30s ~ 3min得到分立的漸變鍺矽異質 納米晶粒，使用掃描電子顯微鏡(SEM)的表徵表明，如圖4A，所得異質納米晶粒的 尺寸和密度分別約為10nm和2Xl(^cm—2;澱積鍺納米晶後樣品的X射線光電子能譜 (XPS)圖，如圖4B所示，除了鍺峰信號(29eV)，還有氧化鍺G3eV)的存在；在 使用稀釋的氨水溶液刻蝕後發現，氧化鍺消失，鍺峰的半高寬增大，表明了鍺矽合金的 分布，如圖4C所示。在PECVD澱積二氧化矽作為柵氧層和蒸發鋁電極後，對樣品的高頻C-V和C-t 測量表明，分別如圖5A和B所示，空穴在樣品的存儲特性中起主要作用，隨掃描偏壓 的增大，空穴的存儲數目明顯增加，並且，樣品中空穴的存儲時間特性遠優於電子，在 104 s後存儲特性曲線趨於水平，表明基於漸變鍺矽異質納米晶粒的浮柵存儲器可實現 較好的長時間空穴存儲。通過參照附圖詳細介紹典型實施例將使本發明的上述內容及其它特徵和優點更為 明顯。
權利要求
1. 基於鍺矽異質納米結構的半導體非揮發性浮柵存儲器，包括a) 半導體襯底；b) 在半導體襯底中設有摻雜形成的源極和漏極，在源漏極間的溝道層正上方設 有氧化形成隧穿氧化層；C)設有控制柵介電層和柵電極；其特徵在於在隧穿氧化層上是漸變鍺矽異質納米結構即晶粒；應用漸變鍺矽異質 納米結構的複合勢壘作為浮柵存儲單元。
2. 根據權利要求1所述的鍺矽異質納米結構半導體非揮發性浮柵存儲器，其特徵是 隧穿氧化層為1.5-5 nm。
3. 根據權利要求1所述的鍺矽異質納米結構半導體非揮發性浮柵存儲器，其特徵是 鍺矽異質納米結構的大小為15nrn以下，密度為10、m々以上。
4. 鍺矽異質納米結構非揮發性浮柵存儲器件製備方法，其特徵是使用矽垸SiH4或乙 矽垸Si2H6採用低壓化學氣相外延方法LPCVD澱積納米量級的非晶矽薄膜，然 後使用鍺烷GeH4菜用低壓化學氣相外延技術自組織生長得到鍺納米晶粒；取出 樣品採用選擇刻蝕除去鍺浸潤層，通過高溫退火促進鍺矽間的互擴散，然後採用 化學選擇腐蝕劑得到分立的漸變鍺矽異質納米結構。
5. 根據權利要求4所述的鍺矽異質納米結構浮柵存儲器件製備方法，其特徵是 矽襯底進行半導體清洗，在低壓化學氣相沉積(LPCVD)系統中以800°C IOO(TC的高 溫下氧化得2.5 nm的超薄氧化層後，使用矽烷SiILt在0.3 ~ 100 mTorr的壓強下460 ~ 580 r澱積約5nm的非晶矽薄膜，然後在460。C下以50sccm的鍺烷GeH4在0.4mTorr的壓強 下反應30秒得到鍺納米晶粒；取出樣品使用1:5 ~ 1:50的稀釋氫氟酸刻蝕除去鍺浸潤層， 在700 90(TC，壓強為0.05 50Pa的氬氣氛圍下退火l小時促進鍺矽間的互擴散，然 後使用1:5 1:20的稀釋氨水溶液在60 ~ 8(TC溫度下刻蝕30s ~ 3min得到分立的漸變鍺矽 異質納米晶粒。
全文摘要
基於鍺矽異質納米結構的半導體非揮發性浮柵存儲器，包括半導體襯底；在半導體襯底中設有摻雜形成的源極和漏極，在源漏極間的溝道層正上方設有氧化形成隧穿氧化層；設有控制柵介電層和柵電極；在隧穿氧化層上是漸變鍺矽異質納米結構即晶粒；應用漸變鍺矽異質納米結構的複合勢壘作為浮柵存儲單元。本發明使用矽烷SiH4或乙矽烷Si2H6採用低壓化學氣相外延方法LPCVD澱積納米量級的非晶矽薄膜，然後使用鍺烷GeH4採用低壓化學氣相外延技術自組織生長得到鍺納米晶粒；取出樣品採用選擇刻蝕除去鍺浸潤層，通過高溫退火促進鍺矽間的互擴散，然後採用化學選擇腐蝕劑得到鍺矽異質納米結構。
文檔編號H01L21/02GK101123277SQ200710131530
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月4日 優先權日2007年9月4日
發明者正 左, 榮 張, 毅 施, 林 濮, 鄭有炓, 錦 閭, 陳裕斌, 平 韓, 顧書林 申請人:南京大學