專利名稱：基于納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性浮柵存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于納米晶粒的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲器，尤其是基于納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲器。
背景技術(shù)：
閃存(Flash Memory)作為非揮發(fā)性浮柵結(jié)構(gòu)存儲器的典型器件目前已廣泛應(yīng)用于U盤、MP3播放器及手機等移動電子器件，并有望在不久的將來替代PC中的硬盤實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲；然而目前廣泛為工業(yè)界所采用的閃存器件結(jié)構(gòu)在向納米特征尺寸發(fā)展實現(xiàn)超大規(guī)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(yán)峻的挑戰(zhàn)。
在目前所提出的眾多的納米結(jié)構(gòu)量子功能器件中，采用納米晶粒作為浮柵的存儲器件具有低功耗、高速度、高存儲密度等特點，被認(rèn)為將作為新一代非揮發(fā)性浮柵存儲器件替代閃存而首先得到大規(guī)模應(yīng)用；圖1為常規(guī)硅納米晶粒浮柵存儲器的截面示意圖，參照圖1，常規(guī)硅納米晶粒浮柵存儲器包括p型半導(dǎo)體硅襯底10，在半導(dǎo)體硅襯底中摻雜形成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，硅納米晶粒15淀積于隧穿氧化層之上，然后覆蓋以控制氧化層16和柵極17；在這種器件結(jié)構(gòu)中，溝道13中電荷直接隧穿注入納米晶粒15從而導(dǎo)致器件閾值的改變。然而，目前納米晶粒存儲器的電荷存儲時間還遠(yuǎn)未達到工業(yè)應(yīng)用的要求，同時還必須解決器件的單勢壘結(jié)構(gòu)(如圖1(B)所示)所導(dǎo)致的存儲時間與編程時間之間的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出采用納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)替代硅納米晶粒作為浮柵存儲單元，以解決硅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，同時有效提升器件的存儲時間。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲器，包括半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底中摻雜形成源極和漏極，在源漏極間的溝道層正上方氧化形成隧穿氧化層；在隧穿氧化層上制備異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)；然后淀積控制氧化層和柵極；應(yīng)用異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合勢壘作為浮柵存儲單元。
其中納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括由不同半導(dǎo)體材料形成的納米異質(zhì)晶粒。
本發(fā)明中納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括由不同半導(dǎo)體材料形成的納米異質(zhì)晶粒(如鍺/硅納米異質(zhì)晶粒)、金屬及金屬半導(dǎo)體化合物(如鉑，鉑硅化合物等)與半導(dǎo)體材料(如硅、鍺、硫化鎘等)所形成的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的特點是提出了采用納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)替代硅納米晶粒作為浮柵存儲單元，在較短的編程時間前提下，同時有效提升器件的存儲時間。解決了硅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。如圖2(C)所示，從而改變器件的閾值電壓，且編程時間基本不變；存儲于材料25A勢阱中的電子需隧穿過Φ2和Φ1所形成的復(fù)合勢壘才能回到溝道23，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(shù)年，達到使納米結(jié)構(gòu)浮柵存儲器既能快速擦寫編程，又能長久存儲的目的。


通過參照附圖詳細(xì)介紹典型實施例將使本發(fā)明的上述內(nèi)容及其它特征和優(yōu)點更為明顯，附圖中圖1(A)是現(xiàn)有常規(guī)硅納米晶粒浮柵存儲器的截面示意圖；圖1(B)是對應(yīng)于圖1(A)的常規(guī)硅納米晶粒浮柵存儲器的能帶結(jié)構(gòu)簡圖；圖2(A)是根據(jù)本發(fā)明，具有納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲器的截面示意圖；圖2(B)是對應(yīng)于圖2(A)的具有納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲器的能帶結(jié)構(gòu)簡圖；圖2(C)是對應(yīng)于圖2(A)的具有納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性浮柵存儲器在編程狀態(tài)下的能帶結(jié)構(gòu)簡圖；具體實施方式
下面將參照附圖詳述根據(jù)本發(fā)明的非揮發(fā)性浮柵存儲器件，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實施例圖2(A)是基于納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲器的截面示意圖，如圖2(A)所示，納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)25鑲嵌于二氧化硅中，置于溝道23和控制柵27之間，納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體或金屬以及金屬半導(dǎo)體化合物納米材料25A的電子親和能(如鍺)或功函數(shù)(金屬，如鉑等)大于半導(dǎo)體納米材料25B(如硅)的電子親和能，從而形成復(fù)合勢阱作為存儲器的電荷存儲單元，如圖2(B)所示；在柵極27加上合適電壓后，溝道23中電荷直接隧穿過單勢壘Φ1，越過材料25B的勢壘存儲于勢阱材料25A中，如圖2(C)所示，從而改變器件的閾值電壓，且編程時間基本不變；存儲于材料25A勢阱中的電子需隧穿過Φ2和Φ1所形成的復(fù)合勢壘才能回到溝道23，這樣存儲狀態(tài)下存儲節(jié)點25A中電子隧穿回溝道23的隧穿幾率大大降低，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(shù)年，達到使納米結(jié)構(gòu)浮柵存儲器既能快速擦寫編程，又能長久存儲。
參照圖2(A)，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有鍺/硅復(fù)合納米晶粒的非揮發(fā)性浮柵存儲器件包括p型半導(dǎo)體硅襯底20，在半導(dǎo)體硅襯底中摻雜形成n型源極21和漏極22，源漏極之間即為溝道23，溝道上方為隧穿二氧化硅層24，應(yīng)用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)與濕法選擇腐蝕相結(jié)合制備鍺/硅復(fù)合納米晶粒25于隧穿氧化層之上，其中鍺納米晶粒為25A，硅納米晶粒為25B，復(fù)合納米晶粒的尺寸為20nm以下(鍺/硅的各自尺寸為10nm以下)，面密度為1010cm-2以上，然后覆蓋以控制氧化層26和柵極27；鍺的禁帶寬度(0.68eV)小于硅的禁帶寬度(1.12eV)，從而形成高度約為0.1eV的勢壘Φ2，如圖2(B)所示；在柵極27加上正電壓后，溝道23中電子直接隧穿過熱氧化硅勢壘Φ1，越過硅25B勢壘存儲于鍺25A勢阱中，從而導(dǎo)致器件閾值電壓的提高，如圖2(C)所示。
參照圖2(A)，根據(jù)本發(fā)明第二實施例的具有鉑硅化合物/硅異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性浮柵存儲器件基本結(jié)構(gòu)與第一實施例相同，應(yīng)用濺射(Sputtering)和干法選擇刻蝕制備鉑硅化合物/硅異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)25于隧穿氧化層24上，其中鉑硅化合物(異質(zhì)界面附近為硅化鉑)為25A，硅納米晶粒為25B，異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的尺寸為20nm以下，面密度為1010cm2以上，鉑硅化合物的功函數(shù)遠(yuǎn)大于硅的電子親和能，從而形成高度約為0.6eV的勢壘Φ2，如圖2(B)所示；在柵極27加上正電壓后，溝道23中電子直接隧穿過熱氧化硅勢壘Φ1，越過硅25B勢壘存儲于鉑硅化合物25A勢阱中，從而導(dǎo)致器件閾值電壓的提高，如圖2(C)所示；存儲于鉑硅化合物25A勢阱中的電子需隧穿過Φ2和Φ1所形成的復(fù)合勢壘才能回到溝道23。
權(quán)利要求
1.一種基于納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性浮柵存儲器，其包括半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底中摻雜形成源極和漏極，在源漏極間的溝道層正上方氧化形成隧穿氧化層；在隧穿氧化層上制備異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)；然后淀積控制氧化層和柵極；其特征在于應(yīng)用異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合勢壘作為浮柵存儲單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性浮柵存儲器件，其特征是其中納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括由不同半導(dǎo)體材料形成的納米異質(zhì)晶粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性浮柵存儲器件，其特征是其中納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括由金屬或金屬半導(dǎo)體化合物與半導(dǎo)體材料所形成的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非揮發(fā)性浮柵存儲器件，其特征是其中納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)可為鍺/硅納米異質(zhì)晶粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的非揮發(fā)性浮柵存儲器件，其特征是其中納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)可為鉑硅化合物與硅所形成的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于納米晶粒的半導(dǎo)體非揮發(fā)性浮柵存儲器，提出基于納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型非揮發(fā)性浮柵存儲器，一種基于納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性浮柵存儲器，其包括半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底中摻雜形成源極和漏極，在源漏極間的溝道層正上方氧化形成隧穿氧化層；在隧穿氧化層上制備異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)；然后淀積控制氧化層和柵極；應(yīng)用異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合勢壘作為浮柵存儲單元。從而可以在編程時間基本不變的前提下，使存儲時間顯著增加，解決硅納米晶粒浮柵存儲器的編程時間與存儲時間之間的矛盾，達到使納米結(jié)構(gòu)浮柵存儲器既能快速擦寫編程，又能長久存儲。
文檔編號H01L29/40GK1870299SQ200610085590
公開日2006年11月29日 申請日期2006年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月26日
發(fā)明者施毅, 閭錦, 楊紅官, 張 榮, 濮林, 韓平, 顧書林, 朱順明, 鄭有炓 申請人:南京大學(xué)