[发明专利]非易失性电荷捕获型存储器件、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种非易失性电荷捕获型存储器件、其制备方法及应用。

背景技术

几十年来，集成电路的发展基本遵循了Intel公司创始人之一的Gordon E.Moore博士1964年预言的摩尔定律：在集成电路的单个芯片上集成的元件数，即集成电路的集成度，每12至18个月增加一倍，特征尺寸缩小倍。随着器件的特征尺寸越来越小，传统的浮栅型非易失性半导体存储器件面临严重的漏电问题。浮栅型存储器件中隧穿层尺寸的不断减小，以至于一个缺陷就会导致多晶硅浮栅中存储的电荷全部损失。为了解决这一难题，多晶硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)型半导体存储器件被广泛地研究。在这类器件中，电子被Si₃N₄存储层中分立的陷阱捕获，起到存储的效果。由于，这些陷阱彼此分离，所以隧穿层中的缺陷不能泄露全部的存储电子，器件的保持性能得到改善，从而克服了传统浮栅型存储器件的弊端。近年来，采用纳米微晶作为电荷存储介质成为研究的热点。但是，许多研究工作者将大部分精力花费在制备金属纳米微晶和半导体纳米微晶存储器件中，对其他形式纳米微晶研究较少。

近年来，高介电常数材料作为CMOS工艺栅介质层已经被广泛研究，同时伪二元氧化物也是其中研究的热点。通过混合两种高介电常数材料，实现介电性能的提高。正是基于这点想法，可以通过混合两种结晶温度不同的高介电常数材料，利于两者结晶温度的差别，通过高温退火处理，使其中一种材料结晶，而另一种材料依旧保持非晶态，结晶出的纳米微晶被非晶母相所包围。利用将这一工艺特点与传统SONOS型半导体电荷存储工艺相结合，实现高介电常数材料纳米微晶基电荷捕获型存储器件。另一方面，相比SiO₂，Al₂O₃具有高的介电常数(9)和宽的禁带宽度(8.8eV)，所以采用Al₂O₃作为隧穿层和阻挡层代替传统器件中的SiO₂，能很好的减小漏电流和提高器件的存储性能。ZrO₂作为高介电常数材料已经被证明具有代替SiO₂作为栅介质材料的潜力。同时相比于SiO₂和Al₂O₃1000℃以上的结晶温度，其结晶温度相对较低。

作为薄膜生长工艺中的主要制备方法，脉冲激光沉积法(PLD)和原子层化学气相沉积(ALD)不仅对薄膜的生长起到关键的作用，而且对器件的性能也起着举足轻重的作用。脉冲激光沉积法方法是20世纪80年代后期发展起来的一种新型薄膜制备技术。其基本原理是利用经过聚焦而具有很高能流密度的紫外脉冲激光照射靶材，产生激光等离子体，最终在衬底上沉积成膜。其最大优点是膜的化学成分和靶的化学成分很接近，因而易于获得成分可严格控制的膜。它特别适合于制备高熔点、多组分的氧化物薄膜和异质结构。原子层化学气相沉积(ALD)是high-k材料制备领域正在发展中的极具挑战性的一种制备技术。其原理是利用气相源在衬底表面吸附或反应的自饱和性实现逐层(layer by layer)生长，生成薄膜的厚度在工作窗口内不依赖于衬底温度、蒸气压、源流量等生长参数，只与循环周期的数目有关。由于其独特的自限制生长过程，原子层沉积成膜具有精确的厚度控制、优异的三维贴合性和大面积成膜均匀性等优点，在制备超薄薄膜、纳米结构方面独具优势。

发明内容

本发明提供一种非易失性电荷捕获型存储器件的制备方法，操作简单、易于控制，作为存储介质的纳米微晶分布均匀。

本发明还提供上述制备方法得到的非易失性电荷捕获型存储器件。

本发明还提供上述制备方法得到的非易失性电荷捕获型存储器件在信息存储和不挥发半导体存储器件中的应用。

所述非易失性电荷捕获型存储器件的制备方法包括以下步骤：

a)在衬底表面形成隧穿层；

b)在隧穿层上形成组成均匀的(ZrO₂)_x(M)_1-x薄膜作为存储层，其中1＞x＞0.5，所述M为SiO₂或Al₂O₃，优选0.6≤x≤0.9，进一步优选0.7≤x≤0.9。

c)在存储层上形成阻挡层；

d)将以上制备的试样在低于M熔点的温度下退火，使ZrO₂纳米微晶从存储层中析出，并被非晶母相包围，所述ZrO₂纳米微晶作为存储介质。