[发明专利]形成纳米单晶硅的方法和非挥发性半导体存储器制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及形成纳米单晶硅层的方法和制造半导体器件的方法。具体地说，本发明涉及在绝缘衬底上外延生长纳米单晶硅层的方法和制造含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器的方法。

背景技术

非挥发性存储器例如可擦除可编程只读存储器(electrically programmableread-only memory，EPROM)、电可擦可编程只读存储器(electrically-erasableprogrammable read-only memory，EEPROM)以及快闪存储器(flash memory)目前广泛用做计算机系统的数据存储器件。这些非挥发性存储器通常包括大量具有电学绝缘性能的栅极，也就是通常所说的浮栅。纳米单晶硅浮栅由于快速编程能力、低耗电性、高耐受性和较高的密度一致性受到了广泛的关注。

由于纳米单晶硅优越的物理性能如电子封闭(electron confinement)、光致发光和电子发射等性能，其制备方法也得到了一定的发展。如公开号为US20050048796的美国专利申请提供了一种形成纳米单晶硅的工艺。具体的工艺步骤为：第一步，用氢原子团对基体表面进行处理，所述的氢原子团是通过对氢气进行等离子体沉积得到的；第二步，通过含有硅的气体的热化学反应沉积晶粒尺寸在10nm以下的单晶硅，所述的含有硅的气体可以是SiH₄或者Si₂H₆与氢气的混合气体；第三步，通过使用氧气、氧原子或者氮原子中的一种，将单晶硅原子用氧原子或者氮原子连接起来。上述的三个步骤可以循环进行，直到达到设定的纳米单晶硅的厚度。但是上述方法很难控制每一个纳米单晶硅晶粒的尺寸，也难以控制形成的纳米单晶硅的数量。

比较常见的另一种形成纳米单晶硅的方法是退火处理法，主要是采用高化学当量的非晶氮化硅膜沉积形成纳米单晶硅颗粒。如美国专利号为6774061的专利方案提供了一种形成纳米单晶硅的方法，具体的工艺为：在硅基体上形成二氧化硅层；在二氧化硅层上形成一个曝光的掩膜层；在掩膜层上形成至少一个开口；通过掩膜层上所述的至少一个开口将硅离子植入二氧化硅层，离子植入的能量在0.1～7keV；在700到800℃的情况下对半导体基体进行退火处理，使植入的硅离子变成有序分布的的纳米单晶硅。但是本方法也很难控制每一个纳米单晶硅晶粒的尺寸，也难以控制形成的纳米单晶硅的数量。

由于上述形成纳米单晶硅的方法不能有效控制纳米单晶硅的数量、尺寸和形状，因此，在使用上述方法制备的纳米单晶硅作为非挥发性存储器的浮栅时，存储器的编程速度和数据保持能力很难同时得到提高。

发明内容

本发明解决的问题是针对现有技术中纳米单晶硅的形成工艺的缺陷，提供一种纳米单晶硅形成方法，这种方法能够有效控制形成的纳米单晶硅晶粒的数量和尺寸。本发明还提供了含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器的方法。

本发明是通过下面的技术方案来实现的：一种纳米单晶硅的形成方法，具体的工艺步骤为：

在半导体基体上形成富硅介质薄膜层；

将硅离子植入富硅介质薄膜层；

对半导体基体进行退火处理，在富硅介质薄膜层中形成纳米单晶硅。

所述的半导体基体可以是硅或者绝缘体上硅(SOI)。

所述的富硅介质薄膜层可以是富硅氧化物SiO_x(0＜X＜2)或者富硅氮氧化物SiO_xN_y(0＜X＜1、0＜Y＜1)。

所述的富硅介质薄膜层的折射率为1.48至1.98。

硅离子植入时采用离子垂直植入的方式，环境中的硅离子的密度为1×10¹⁴至1×10¹⁶个/cm²，比较优选的是4×10¹⁵至1×10¹⁶个/cm²，离子植入的能量为50至300keV，比较优选的是100至120keV。

对半导体基体在NH₃、N₂、H₂或者Ar氛围下进行退火处理，退火温度在700到1000℃之间，可使富硅介质层中的原子分解成纳米单晶Si和硅的氧化物或者硅的氮氧化物的形式。