一種電編程-紫外光擦除的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提出電編程-紫外光擦除的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)及其制備方法。以重?fù)诫s的N型單晶硅片為襯底，并作為柵的引出電極；以致密性較好的氧化物絕緣體作存儲(chǔ)器的電荷阻擋層；以電荷缺陷較多的薄膜材料或納米晶作為電荷俘獲層；以致密性較好且禁帶寬度較大的氧化物絕緣體作存儲(chǔ)器的隧穿層；以IGZO薄膜用作存儲(chǔ)器的導(dǎo)電溝道，通過(guò)光刻、濕刻定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝道；通過(guò)光刻、金屬淀積及剝離技術(shù)，完成源、漏極的加工；測(cè)試時(shí)，在柵電極上加正脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的編程操作；用紫外光照射器件，同時(shí)不加任何偏壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件擦除。本發(fā)明解決了基于IGZO溝道的TFT存儲(chǔ)器擦除不了的問(wèn)題；提高了器件的擦除效率和工作速度；擴(kuò)大了基于IGZO溝道TFT存儲(chǔ)器的應(yīng)用空間。
【專利說(shuō)明】一種電編程-紫外光擦除的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，針對(duì)非揮發(fā)性快速閃存存儲(chǔ)器，提出了一種電編程-紫外光擦除存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)和制備方法。
【背景技術(shù)】 [0002]系統(tǒng)面板(SOP)技術(shù)是將多種功能元件全部集成在同一個(gè)顯示面板上，以獲得高性能和低成本的系統(tǒng)，在汽車、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、軍事電子、無(wú)線通信領(lǐng)域和食品檢測(cè)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。非易失性薄膜晶體管(TFT)存儲(chǔ)器作為SOP中的重要元件，不僅可用于電路級(jí)調(diào)整和電壓修飾，還適用于復(fù)雜顯示參數(shù)的大容量存儲(chǔ)等，將來(lái)像素存儲(chǔ)和存儲(chǔ)塊也可望被直接集成在顯示板上，既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，也能降低功耗，尤其是面向那些低功耗的便攜式電子設(shè)備上。因此，對(duì)非揮發(fā)性TFT存儲(chǔ)器的研究，已為國(guó)內(nèi)外科研人員的熱門話題。而非晶銦鎵鋅氧半導(dǎo)體(a-1GZO)作為一種新型的氧化物半導(dǎo)體，具有低溫淀積、較高的電子遷移率(≥10cm2/V*s)和較大的禁帶寬度(> 3.0eV)等優(yōu)良性能，是一種較為理想的溝道材料。因此，基于IGZO溝道的非揮發(fā)性TFT存儲(chǔ)器具有很好的應(yīng)用前景。
[0003]然而，目前報(bào)道的基于IGZO溝道的TFT存儲(chǔ)器都有一個(gè)很大的缺點(diǎn):電擦除效率很低，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)電擦除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于上述背景，為了解決器件擦除效率低的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種電編程-紫外光擦除的非揮發(fā)性TFT存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)及其制備方法，即采用紫外光照射的方法對(duì)器件進(jìn)行擦除。這樣，在擦除時(shí)不需要任何負(fù)偏壓既能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器閾值電壓的左移，從而提高了存儲(chǔ)器的擦除效率，改善了存儲(chǔ)器的工作速度和穩(wěn)定性。
[0005]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案是提供一種電編程-紫外光擦除的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)，其包含:
采用重?fù)诫s的N型單晶硅片為襯底，并作為柵電極的引出電極；
在所述襯底上，形成具有良好致密性的氧化物絕緣體薄膜，作為阻擋氧化層；
在所述阻擋氧化層上，形成納米晶，或者是形成的由具有電荷俘獲能力材料制成的薄膜，作為電荷俘獲層；
在所述電荷俘獲層上，形成具有良好致密性且禁帶寬度大的氧化物絕緣體薄膜，作為
隧穿氧化層；
在所述隧穿氧化層上，形成IGZO薄膜，基于所述IGZO薄膜來(lái)定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝
道；
在所述導(dǎo)電溝道上，形成源、漏區(qū)域并淀積一層金屬薄膜，以形成源極和漏極；
所述的存儲(chǔ)器件，能夠在源極、漏極接地時(shí)，通過(guò)在柵電極上施加一個(gè)正的電壓脈沖來(lái)進(jìn)行編程操作；并且，能夠在紫外光照射下進(jìn)行擦除操作，而不需要在各電極上施加任何電壓。[0006]所述存儲(chǔ)器件中具有下列的任意一項(xiàng)或其任意的組合:
所述N型單晶硅片的電阻率為0.008、.100 Q *cm ；
所述阻擋氧化層是Al2O3薄膜、或SiO2薄膜、或HfO2薄膜；所述阻擋氧化層的薄膜厚度為 20~150nm ；
所述電荷俘獲層是Pt納米晶、或Ru納米晶，所述電荷俘獲層為金屬納米晶顆粒時(shí)，密度為5 X IOltl~5 X IO12 cm—2 ;或者所述電荷俘獲層是SiNx薄膜、或ZnAlO薄膜、或ZnGaO薄膜，厚度為l(T50nm ；
所述隧穿氧化層是SiO2薄膜、或Al2O3薄膜；所述隧穿氧化層的厚度為5~20nm ；
所述IGZO薄膜的厚度為IOlOOnm ；
用以形成源極和漏極的是Au、或Al的金屬薄膜；所述金屬薄膜的厚度為5(T250nm。
[0007]本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)方案是提供一種電編程-紫外光擦除的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其包含:
對(duì)作為襯底的重?fù)诫s的N型單晶硅片進(jìn)行表面清洗，該N型單晶硅片還被作為柵電極的引出電極；
在所述襯底上，生長(zhǎng)具有良好致密性的氧化物絕緣體薄膜，作為阻擋氧化層；
在所述阻擋氧化層上，生長(zhǎng)納米晶，或者生長(zhǎng)由具有電荷俘獲能力材料制成的薄膜，作為電荷俘獲層；
在所述電荷俘獲層上，生長(zhǎng)具有良好致密性且禁帶寬度大的氧化物絕緣體薄膜，作為
隧穿氧化層；
在所述隧穿氧化層上，生長(zhǎng)IGZO薄膜，基于所述IGZO薄膜來(lái)定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝
道；
在所述導(dǎo)電溝道上，形成源、漏區(qū)域并淀積一層金屬薄膜，以形成源極和漏極；
以及，對(duì)制成的存儲(chǔ)器件進(jìn)行電學(xué)性能的測(cè)試，將源極、漏極接地，通過(guò)在柵電極上施加一個(gè)正的電壓脈沖來(lái)進(jìn)行編程操作；并且，在紫外光照射下進(jìn)行擦除操作，而不需要在各電極上施加任何電壓。
[0008]制備所述存儲(chǔ)器件時(shí)，基于下列的任意一項(xiàng)或其任意的組合:
采用的N型單晶硅片的電阻率為0.008、.100 Q -cm ；
所述阻擋氧化層是通過(guò)ALD、或CVD方法，生長(zhǎng)的Al2O3薄膜、或SiO2薄膜、或HfO2薄膜；所述阻擋氧化層的薄膜厚度為2(Tl50nm ；
所述電荷俘獲層是通過(guò)ALD、或PVD方法制備的Pt納米晶、或Ru納米晶，所述電荷俘獲層為金屬納米晶顆粒時(shí)，密度為5X101(^5X1012 cm_2 ;或者是通過(guò)CVD、或ALD、或PVD方法生長(zhǎng)的SiNx薄膜、或ZnAlO薄膜、或ZnGaO薄膜；所述電荷俘獲層為薄膜時(shí)，厚度為10~50nm ；
所述隧穿氧化層是通過(guò)ALD、或CVD方法，生長(zhǎng)的SiO2薄膜、或Al2O3薄膜；所述隧穿氧化層的厚度為5~20nm ；
用以形成導(dǎo)電溝道的所述IGZO薄膜，是通過(guò)ALD、或PVD方法生長(zhǎng)的，所述IGZO薄膜的厚度為IOlOOnm ;并且采用光刻和濕法刻蝕工藝定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝道；
用以形成源極和漏極的所述金屬薄膜，是通過(guò)電子束蒸發(fā)方法淀積的Au、或Al薄膜；所述金屬薄膜的厚度為5(T250nm。[0009]在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述的制備方法，其包含以下步驟:
步驟1:選取電阻率為0.008、.100 Q 的重?fù)诫s的N型單晶硅片作為襯底，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗工藝對(duì)硅片進(jìn)行清洗，之后用氫氟酸去除硅片表面的氧化層；
步驟2:在清洗好的襯底上，采用ALD方法淀積生長(zhǎng)厚度為2(Tl50nm的Al2O3薄膜作為所述阻擋氧化層；淀積過(guò)程中，襯底溫度控制在10(T300 °C之間；生長(zhǎng)Al2O3的反應(yīng)源為三甲基鋁和水蒸氣；
步驟3:在所述阻擋氧化層上，采用ALD方法淀積一層Pt納米晶顆粒作為所述電荷俘獲層；淀積Pt納米晶的反應(yīng)源為(MeCp) Pt (Me) 3和02，淀積溫度為20(T400°C，淀積循環(huán)數(shù)為 I(TlOO ； 或者，采用ALD方法淀積一層厚度為l(T50nm的ZnAlO薄膜作為所述電荷俘獲層；淀積ZnAlO薄膜的反應(yīng)源為三甲基鋁、二乙基鋅和水蒸氣，淀積溫度為10(T30(TC，淀積的每個(gè)生長(zhǎng)周期中ZnO和Al2O3的反應(yīng)循環(huán)數(shù)比為1:100到1:1之間；
步驟4:在所述電荷俘獲層上，采用ALD方法淀積生長(zhǎng)另一層厚度為5~20nm的Al2O3薄膜作為所述隧穿氧化層；生長(zhǎng)Al2O3的反應(yīng)源為三甲基鋁和水蒸汽；淀積過(guò)程中襯底溫度控制在10(T300°C之間；
步驟5:在所述隧穿氧化層上，采用磁控濺射的方法淀積厚度為5(Tl00nm的IGZO薄膜以形成導(dǎo)電溝道；所述IGZO薄膜的淀積功率為70W，靶材的組分為In:Ga:Zn:0=l:l:l:4 ；步驟6:利用光刻的方法，在所述IGZO薄膜上形成被光刻膠保護(hù)的區(qū)域，該區(qū)域即為器件的有源區(qū)；然后，采用濃度為0.01%?的鹽酸、硝酸、磷酸或氫氟酸作為刻蝕劑，利用濕法刻蝕的方法對(duì)IGZO薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間為1(T600s ;之后去除光刻膠，形成單個(gè)器件的有源區(qū)；
步驟7:利用光刻的方法在形成器件的源、漏極開(kāi)孔區(qū)域；之后，通過(guò)電子束蒸發(fā)的方法淀積一層厚度為5(T250nm的Ti/Au金屬薄膜，并采用剝離的方法形成器件的源、漏電極；
步驟8:采用快速熱退火的方式對(duì)器件進(jìn)行退火；快速熱退火的溫度為10(T400°C ;時(shí)間為f600s ;所用氣體為N2。
[0010]對(duì)制成的存儲(chǔ)器件進(jìn)行以下的電學(xué)性能測(cè)試時(shí)，測(cè)試存儲(chǔ)器件初始狀態(tài)下的輸出特性曲線，以得到初始狀態(tài)下器件的閾值電壓；用正的電壓脈沖施加于柵電極上對(duì)器件進(jìn)行編程，并測(cè)試不同編程時(shí)間后器件的閾值電壓；用紫外光照射的方法擦除器件，并測(cè)試不同擦除時(shí)間后器件的閾值電壓。
[0011]綜上所述，本發(fā)明屬于非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域，提出了一種電編程-紫外光擦除的薄膜晶體管存儲(chǔ)器及其制備方法。采用重?fù)诫s的N型單晶硅片為襯底，并作為柵的引出電極；采用致密性較好的氧化物絕緣體作存儲(chǔ)器的電荷阻擋層；采用電荷缺陷較多的薄膜材料或納米晶作為電荷俘獲層；采用致密性較好且禁帶寬度較大的氧化物絕緣體作存儲(chǔ)器的隧穿層；采用IGZO薄膜用作存儲(chǔ)器的導(dǎo)電溝道，通過(guò)光刻和濕法刻蝕工藝定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝道；通過(guò)光刻工藝形成源、漏區(qū)域，然后淀積一層金屬，并結(jié)合lift-off技術(shù)，完成源、漏極的加工；測(cè)試時(shí)，在柵電極上加一個(gè)正的電壓脈沖以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的編程操作；用紫外光照射器件，同時(shí)不加任何偏壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的擦除操作。
[0012]本發(fā)明采用紫外光照射的方法對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除，主要是因?yàn)樽贤夤庹赵贗GZO溝道中產(chǎn)生了大量的電子-空穴對(duì)，而使得受激發(fā)了的空穴有機(jī)會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下隧穿進(jìn)入電荷俘獲層中，進(jìn)而使存儲(chǔ)器的閾值電壓發(fā)生明顯左移。因此，紫外光照射解決了基于IGZO溝道的TFT存儲(chǔ)器擦除不了的問(wèn)題；提高了器件的擦除效率和工作速度；提高了基于IGZO溝道的TFT存儲(chǔ)器在SOP中應(yīng)用的可能性，并擴(kuò)大了 SOP的應(yīng)用空間。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是基于納米晶電荷俘獲層的IGZO溝道TFT存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱納米晶型存儲(chǔ)器)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0014]圖2是基于陷阱介質(zhì)電荷俘獲層的IGZO溝道TFT存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱陷阱介質(zhì)型存儲(chǔ)器)結(jié)構(gòu)的剖面圖。
[0015]圖3是納米晶型存儲(chǔ)器在編程情況下，IGZO溝道和柵電極之間的能帶結(jié)構(gòu)圖。
[0016]圖4是納米晶型存儲(chǔ)器在擦除情況下，IGZO溝道和柵電極之間的能帶結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖5是納米晶型存儲(chǔ)器在不同條件下電編程(電壓為10V)和UV擦除后的閾值電壓變化示意圖。
[0018]圖6是納米晶型存儲(chǔ)器分別在編程IOV lms、UV擦除5s后的數(shù)據(jù)保持特性曲線。
[0019]圖7是納米晶型存儲(chǔ)器的閾值電壓窗口隨著電編程和UV擦除次數(shù)的變化。
[0020]圖8是陷阱介質(zhì)型存儲(chǔ)器在不同條件下進(jìn)行電編程和UV擦除所對(duì)應(yīng)的的閾值電
壓變化。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳盡的說(shuō)明。
[0022]本發(fā)明提出的電編程-紫外光擦除的非揮發(fā)性TFT存儲(chǔ)器，其主要特點(diǎn)是能夠用紫外光照射的方法對(duì)器件進(jìn)行擦除，擦除時(shí)器件的電極上不需要任何外加電壓。
[0023]如圖1或圖2所示，本發(fā)明所述存儲(chǔ)器，包含下列(I)~(6)的結(jié)構(gòu):
(I)采用重?fù)诫s的N型單晶硅片為襯底，并作為柵電極10的引出電極；例如，N型單晶硅片的電阻率為0.008~0.100 Q ^cm0
[0024](2)在襯底上，生長(zhǎng)一層氧化物絕緣材料薄膜，作為存儲(chǔ)器的電荷阻擋層(或稱阻擋氧化層20);例如，氧化物絕緣材料可以是A1203、SiO2, HfO2等致密性較好的氧化物，薄膜厚度為2(Tl50nm，薄膜的生長(zhǎng)方法可以是原子層淀積(ALD)、化學(xué)氣象淀積(CVD)等。
[0025](3)在電荷阻擋層上，生長(zhǎng)電荷缺陷較多的薄膜材料(或稱陷阱介質(zhì)材料)或納米晶，作為電荷俘獲層(分別為32和31);例如，電荷俘獲層可以是Pt (鉬)納米晶、Ru (釘)納米晶等材料(見(jiàn)圖1)，或者SiNx薄膜、ZnAlO薄膜、ZnGaO薄膜等具有電荷俘獲能力的材料(見(jiàn)圖2);電荷俘獲層材料的生長(zhǎng)方法可以是ALD、物理氣象淀積(PVD)等。
[0026](4)在電荷俘獲層31或32上，生長(zhǎng)一層氧化物絕緣材料薄膜，作為存儲(chǔ)器的隧穿層(或稱隧穿氧化層40);例如，隧穿層可以是Si02、Al2O3等致密性好且禁帶寬度大的氧化物薄膜，薄膜厚度為5~20nm，薄膜的生長(zhǎng)方法可以是ALD、CVD等。
[0027](5)在隧穿層上，淀積生長(zhǎng)一層IGZO (銦鎵鋅氧化物)薄膜50，用作存儲(chǔ)器的導(dǎo)帶溝道，通過(guò)光刻和濕法刻蝕工藝定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝道；例如，IGZO薄膜50的厚度控制在IOlOOnm之間，薄膜的生長(zhǎng)方法可以是PVD、ALD等。[0028](6)在導(dǎo)電溝道處，通過(guò)光刻工藝形成源、漏區(qū)域，然后淀積一層金屬，并結(jié)合lift-off (剝離)技術(shù)，形成器件的源極和漏極60 ;其中，例如是通過(guò)電子束蒸發(fā)的方法淀積一層厚度為5(T250nm的金屬薄膜，金屬薄膜可以是Au、Al等電阻率低的金屬材料。
[0029]對(duì)上述結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器進(jìn)行電學(xué)性能的測(cè)試時(shí)，用電壓脈沖對(duì)器件進(jìn)行編程，用紫外光照射對(duì)器件進(jìn)行擦除。即，在柵電極上加一個(gè)正的電壓脈沖，將源、漏極接地，以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的編程操作；將器件暴露于紫外光的氛圍中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的擦除操作，而存儲(chǔ)器的各個(gè)電極上不需要施加任何電壓。
[0030]下面以兩個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，來(lái)說(shuō)明本發(fā)明所述電編程-紫外光擦除的非揮發(fā)性TFT存儲(chǔ)器的制備方法。[0031]實(shí)施例一
步驟1:選取電阻率為0.008、.100 Q 的重?fù)诫s的N型單晶硅片作為襯底，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗工藝對(duì)硅片進(jìn)行清洗，之后用氫氟酸去除硅片表面的氧化層。
[0032]步驟2:在清洗好的硅片上，采用ALD的方法淀積生長(zhǎng)Al2O3薄膜作為存儲(chǔ)器的阻擋氧化層。Al2O3薄膜的厚度為2(Tl50nm ;淀積過(guò)程中，襯底溫度控制在100~300 °C之間；生長(zhǎng)Al2O3的反應(yīng)源為三甲基鋁和水蒸氣。
[0033]步驟3:采用ALD的方法在Al2O3薄膜上淀積一層Pt納米晶作為存儲(chǔ)器的電荷俘獲層。淀積Pt納米晶的反應(yīng)源為(MeCp) Pt (Me) 3和O2，淀積溫度為20(T40(TC，淀積循環(huán)數(shù)為10~100。
[0034]步驟4:采用ALD的方法，在Pt納米晶上淀積生長(zhǎng)一層Al2O3薄膜作為器件的隧穿氧化層。Al2O3的反應(yīng)源為三甲基鋁和水蒸汽，Al2O3薄膜的厚度為5~20nm ;淀積過(guò)程中襯底溫度控制在10(T300°C之間。
[0035]步驟5:采用磁控濺射的方法，在隧穿氧化層上淀積IGZO薄膜以形成存儲(chǔ)器的導(dǎo)電溝道。IGZO薄膜的淀積功率為70W，靶材的組分為In: Ga: Zn: 0= 1: 1: 1:4，厚度為50~lOOnm。
[0036]步驟6:在IGZO薄膜上旋涂一層光刻膠，并利用光刻的方法形成被光刻膠保護(hù)的區(qū)域，該區(qū)域即為器件的有源區(qū)。然后，采用濃度為0.01%?的鹽酸、硝酸、磷酸或氫氟酸作為刻蝕劑，利用濕法刻蝕的方法對(duì)IGZO薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間為1(T600s。之后去除光刻膠，形成單個(gè)器件的有源區(qū)。
[0037]步驟7:再旋涂一層光刻膠，利用光刻的方法在光刻膠上形成器件的源、漏極開(kāi)孔區(qū)域。之后，通過(guò)電子束蒸發(fā)的方法淀積一層厚度為5(T250nm的Ti/Au金屬薄膜，并采用lift-off的方法形成器件的源、漏電極。
[0038]步驟8:采用快速熱退火(RTP)的方式對(duì)器件進(jìn)行退火。RTP的溫度為10(T400°C;時(shí)間為f600s ;所用氣體為N2。最終器件結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。
[0039]步驟9:對(duì)做好的器件進(jìn)行電學(xué)性能的測(cè)試。編程時(shí)，在器件的柵電極上加一個(gè)IOV Ims的電壓脈沖，并將器件的源/漏(S/D)端接地，以使溝道IGZO中的電子通過(guò)Fowler-Nordheim隧穿的方式隧穿到Pt納米晶中，此時(shí)IGZO溝道與柵電極之間的能帶結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。擦除時(shí)，用強(qiáng)度為lOOmW/cm2，波長(zhǎng)范圍為32(T390nm的紫外光照射器件，照射時(shí)間為Is。通過(guò)紫外光的照射，IGZO溝道中會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，空穴在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下隧穿到Pt納米晶中，此時(shí)IGZO溝道與柵電極之間的能帶結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。擦除過(guò)程中，存儲(chǔ)器的柵電極和S/D均不加任何電壓。
[0040]步驟10:改變電編程過(guò)程中的電壓和UV擦除所用的時(shí)間，并測(cè)量相應(yīng)的轉(zhuǎn)移特性曲線，以得到閾值電壓的變化?；贗GZO溝道的TFT存儲(chǔ)器在初始狀態(tài)，編程IOV 0.1ms、lms、10ms、IOOms后，UV擦除ls、5s、10s、15s后的閾值電壓如圖5所示。
[0041]步驟11:測(cè)試器件的數(shù)據(jù)保持特性。將器件在10V，Ims的條件下進(jìn)行編程，之后每隔一定的時(shí)間間隔測(cè)一次器件的轉(zhuǎn)移特性，以得到器件的閾值電壓值，一直測(cè)得2X105s后器件的閾值電壓；將器件在UV，5s的條件下進(jìn)行擦除，之后每隔一定的時(shí)間間隔測(cè)一次器件的轉(zhuǎn)移特性，以得到器件的閾值電壓值，一直測(cè)得2X IO5s后器件的閾值電壓。圖6為器件的保持特性曲線，圖中外推十年后器件的電壓窗口為2.56V。
[0042]步驟12:測(cè)試期間的電壓應(yīng)力特性。對(duì)器件進(jìn)行反復(fù)的編程和擦寫，并測(cè)試輸出特性，以確認(rèn)器件的閾值電壓窗口是否穩(wěn)定。圖7為反復(fù)編程和擦除100次內(nèi)存儲(chǔ)器閾值電壓隨編程/擦除次數(shù)的變化情況。
[0043]實(shí)施例二
步驟1:選取電阻率為0.008、.100 Q 的重?fù)诫s的N型單晶硅片作為襯底，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗工藝對(duì)硅片進(jìn)行清洗，之后用氫氟酸去除硅片表面的氧化層。
[0044]步驟2:在清洗好的硅片上，采用ALD的方法淀積生長(zhǎng)Al2O3薄膜作為存儲(chǔ)器的阻擋氧化層。Al2O3薄膜的厚度為2(Tl50nm ;淀積過(guò)程中，襯底溫度控制在10(T30(TC之間；生長(zhǎng)Al2O3的反應(yīng)源為三甲基鋁和水蒸氣。
[0045]步驟3:采用ALD的方`法在Al2O3薄膜上淀積一層厚度為l(T50nm的ZnAlO薄膜作為存儲(chǔ)器的電荷俘獲層。淀積ZnAlO薄膜的反應(yīng)源為三甲基鋁、二乙基鋅和水蒸氣，淀積溫度為10(T300°C，淀積的每個(gè)生長(zhǎng)周期中ZnO和Al2O3的反應(yīng)循環(huán)數(shù)比為1:100到1:1之間。
[0046]步驟4:采用ALD的方法，在ZnAlO薄膜上淀積生長(zhǎng)一層Al2O3薄膜作為器件的隧穿氧化層。Al2O3的反應(yīng)源為三甲基鋁和水蒸汽，Al2O3薄膜的厚度為5~20nm ;淀積過(guò)程中襯底溫度控制在10(T300°C之間。
[0047]步驟5:采用磁控濺射的方法，在隧穿氧化層上淀積IGZO薄膜以形成存儲(chǔ)器的導(dǎo)電溝道。IGZO薄膜的淀積功率為70W，靶材的組分為In: Ga: Zn: 0= 1: 1: 1:4，厚度為50~lOOnm。
[0048]步驟6:在IGZO薄膜上旋涂一層光刻膠，并利用光刻的方法形成被光刻膠保護(hù)的區(qū)域，該區(qū)域即為器件的有源區(qū)。然后，采用濃度為0.01%?的鹽酸、硝酸、磷酸或氫氟酸作為刻蝕劑，利用濕法刻蝕的方法對(duì)IGZO薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間為1(T600s。之后去除光刻膠，形成單個(gè)器件的有源區(qū)。
[0049]步驟7:再旋涂一層光刻膠，利用光刻的方法在光刻膠上形成器件的源、漏極開(kāi)孔區(qū)域。之后，通過(guò)電子束蒸發(fā)的方法淀積一層厚度為5(T250nm的Ti/Au金屬薄膜，并采用剝離的方法形成器件的源、漏電極。
[0050]步驟8:采用快速熱退火(RTP)的方式對(duì)器件進(jìn)行退火。RTP的溫度為10(T400°C;時(shí)間為f600s ;所用氣體為N2。最終器件結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示。
[0051]步驟9:對(duì)做好的器件進(jìn)行電學(xué)性能的測(cè)試。首先測(cè)試器件初始狀態(tài)下的輸出特性曲線，以得到初始狀態(tài)下器件的閾值電壓。用正的電壓脈沖施加于柵電壓上對(duì)器件進(jìn)行編程，并測(cè)試不同編程時(shí)間后器件的閾值電壓；用紫外光照射的方法擦除器件，并測(cè)試不同擦除時(shí)間后器件的閾值電壓。圖8為不同編程和擦除過(guò)程后器件的閾值電壓示意圖。
[0052]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
【權(quán)利要求】
1.一種電編程-紫外光擦除的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)，其特征在于，包含: 采用重?fù)诫s的N型單晶硅片為襯底，并作為柵電極的引出電極； 在所述襯底上，形成具有良好致密性的氧化物絕緣體薄膜，作為阻擋氧化層； 在所述阻擋氧化層上，形成納米晶，或者是形成的由具有電荷俘獲能力材料制成的薄膜，作為電荷俘獲層； 在所述電荷俘獲層上，形成具有良好致密性且禁帶寬度大的氧化物絕緣體薄膜，作為隧穿氧化層； 在所述隧穿氧化層上，形成IGZO薄膜，基于所述IGZO薄膜來(lái)定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝道； 在所述導(dǎo)電溝道上，形成源、漏區(qū)域并淀積一層金屬薄膜，以形成源極和漏極； 所述的存儲(chǔ)器件，能夠在源極、漏極接地時(shí)，通過(guò)在柵電極上施加一個(gè)正的電壓脈沖來(lái)進(jìn)行編程操作；并且，能夠在紫外光照射下進(jìn)行擦除操作，而不需要在各電極上施加任何電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述存儲(chǔ)器件中具有下列的任意一項(xiàng)或其任意的組合: 所述N型單晶硅片的電阻率為0.008、.100 Q *cm ； 所述阻擋氧化層是Al2O3薄膜、或SiO2薄膜、或HfO2薄膜； 所述電荷俘獲層是Pt納米晶、或Ru納米晶，或者是SiNx薄膜、或ZnAlO、或ZnGaO薄膜； 所述隧穿氧化層是SiO2薄膜、或Al2O3薄膜； 用以形成源極和漏極的是Au、或Al的金屬薄膜。
3.如權(quán)利要求1或2所述的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述阻擋氧化層的薄膜厚度為2(Tl50nm ； 所述電荷俘獲層是由具有電荷俘獲能力材料制成的薄膜時(shí)，厚度為l(T50nm;或所述電荷俘獲層為金屬納米晶顆粒時(shí)，密度為5 X IOltl飛X IO12 cnT2 ； 所述隧穿氧化層的厚度為5~20nm ； 所述IGZO薄膜的厚度為IOlOOnm ； 所述金屬薄膜的厚度為5(T250nm。
4.一種電編程-紫外光擦除的存儲(chǔ)器件結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包含: 對(duì)作為襯底的重?fù)诫s的N型單晶硅片進(jìn)行表面清洗，該N型單晶硅片還被作為柵電極的引出電極； 在所述襯底上，生長(zhǎng)具有良好致密性的氧化物絕緣體薄膜，作為阻擋氧化層； 在所述阻擋氧化層上，生長(zhǎng)納米晶，或者生長(zhǎng)由具有電荷俘獲能力材料制成的薄膜，作為電荷俘獲層； 在所述電荷俘獲層上，生長(zhǎng)具有良好致密性且禁帶寬度大的氧化物絕緣體薄膜，作為隧穿氧化層； 在所述隧穿氧化層上，生長(zhǎng)IGZO薄膜，基于所述IGZO薄膜來(lái)定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝道； 在所述導(dǎo)電溝道上，形成源、漏區(qū)域并淀積一層金屬薄膜，以形成源極和漏極；以及，對(duì)制成的存儲(chǔ)器件進(jìn)行電學(xué)性能的測(cè)試，將源極、漏極接地，通過(guò)在柵電極上施加一個(gè)正的電壓脈沖來(lái)進(jìn)行編程操作；并且，在紫外光照射下進(jìn)行擦除操作，而不需要在各電極上施加任何電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于， 制備所述存儲(chǔ)器件時(shí)，基于下列的任意一項(xiàng)或其任意的組合: 采用的N型單晶硅片的電阻率為0.008、.100 Q-cm； 所述阻擋氧化層是通過(guò)ALD、或CVD方法，生長(zhǎng)的Al2O3薄膜、或SiO2薄膜、或HfO2薄膜；所述電荷俘獲層是Pt納米晶、或Ru納米晶，或者是通過(guò)ALD、或PVD方法，生長(zhǎng)的SiNx薄膜、或ZnAlO薄膜、或ZnGaO薄膜； 所述隧穿氧化層是通過(guò)ALD、或CVD方法，生長(zhǎng)SiO2薄膜、或Al2O3薄膜； 用以形成導(dǎo)電溝道的所述IGZO薄膜，是通過(guò)ALD、或PVD方法生長(zhǎng)的；并且采用光刻和濕法刻蝕工藝定義有源區(qū)并形成導(dǎo)電溝道； 用以形成源極和漏極的所述金屬薄膜，是通過(guò)電子束蒸發(fā)方法淀積的Au、或Al薄膜。
6.如權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于， 所述阻擋氧化層的薄膜厚度為2(Tl50nm ； 所述電荷俘獲層是由具有電荷俘獲能力材料制成的薄膜時(shí)，厚度為l(T50nm;或所述電荷俘獲層為金屬納米 晶顆粒時(shí)，密度為5 X IOltl飛X IO12 cnT2 ； 所述隧穿氧化層的厚度為5~20nm ； 所述IGZO薄膜的厚度為IOlOOnm ； 所述金屬薄膜的厚度為5(T250nm。
7.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，包含以下步驟: 步驟1:選取電阻率為0.008、.100 Q 的重?fù)诫s的N型單晶硅片作為襯底，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RCA清洗工藝對(duì)硅片進(jìn)行清洗，之后用氫氟酸去除硅片表面的氧化層； 步驟2:在清洗好的襯底上，采用ALD方法淀積生長(zhǎng)厚度為2(Tl50nm的Al2O3薄膜作為所述阻擋氧化層；淀積過(guò)程中，襯底溫度控制在10(T300 °C之間；生長(zhǎng)Al2O3的反應(yīng)源為三甲基鋁和水蒸氣； 步驟3:在所述阻擋氧化層上，采用ALD方法淀積一層Pt納米晶作為所述電荷俘獲層；淀積Pt納米晶的反應(yīng)源為(MeCp) Pt (Me) 3和02，淀積溫度為20(T400°C，淀積循環(huán)數(shù)為10~100 ； 或者，采用ALD方法淀積一層厚度為l(T50nm的ZnAlO薄膜作為所述電荷俘獲層；淀積ZnAlO薄膜的反應(yīng)源為三甲基鋁、二乙基鋅和水蒸氣，淀積溫度為10(T30(TC，淀積的每個(gè)生長(zhǎng)周期中ZnO和Al2O3的反應(yīng)循環(huán)數(shù)比為1:100到1:1之間； 步驟4:在所述電荷俘獲層上，采用ALD方法淀積生長(zhǎng)另一層厚度為5~20nm的Al2O3薄膜作為所述隧穿氧化層；生長(zhǎng)Al2O3的反應(yīng)源為三甲基鋁和水蒸汽；淀積過(guò)程中襯底溫度控制在10(T300°C之間；步驟5:在所述隧穿氧化層上，采用磁控濺射的方法淀積厚度為IOlOOnm的IGZO薄膜以形成導(dǎo)電溝道；所述IGZO薄膜的淀積功率為70W，靶材的組分為In:Ga:Zn:0=l:l:l:4 ；步驟6:利用光刻的方法，在所述IGZO薄膜上形成被光刻膠保護(hù)的區(qū)域，該區(qū)域即為器件的有源區(qū)；然后，采用濃度為0.01%?的鹽酸、硝酸、磷酸或氫氟酸作為刻蝕劑，利用濕法刻蝕的方法對(duì)IGZO薄膜進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間為1(T600s ;之后去除光刻膠，形成單個(gè)器件的有源區(qū)； 步驟7:利用光刻的方法形成器件的源、漏極開(kāi)孔區(qū)域；之后，通過(guò)電子束蒸發(fā)的方法淀積一層厚度為50~250nm的Ti/Au雙層金屬薄膜，并采用剝離的方法形成器件的源、漏電極； 步驟8:采用快速熱退火的方式對(duì)器件進(jìn)行退火；快速熱退火的溫度為100~400°C ;時(shí)間為1~600s ;所用氣體為N2。
8.如權(quán)利要求4或7所述的制備方法，其特征在于， 對(duì)制成的存儲(chǔ)器件進(jìn)行以下的電學(xué)性能測(cè)試時(shí)，測(cè)試存儲(chǔ)器件初始狀態(tài)下的輸出特性曲線，以得到初始狀態(tài)下器件的閾值電壓；用正的電壓脈沖施加于柵電極上對(duì)器件進(jìn)行編程，并測(cè)試不同編程時(shí)間后器件的閾值電壓；用紫外光照射的方法擦除器件，并測(cè)試不同擦除時(shí)間后器件的閾值電壓。
【文檔編號(hào)】H01L21/336GK103606564SQ201310318168
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】丁士進(jìn), 崔興美, 陳筍 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)