[发明专利]一种超高密度单层纳米晶存储器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及超高密度非易失性存储技术领域，具体是一种超高密度单层纳米晶存储器的制备方法，该方法利用湿化学法合成的纳米颗粒的自组装与原子层沉积技术相结合的途径，制备有序的单层纳米颗粒与高介电材料复合薄膜，从而实现纳米晶存储功能。

背景技术

随着科技的进步，非易失性存储器(Non Volatile Memeries, NVM)因其在断电后仍能保存数据而在各种电子产品中担任着不可或缺的角色，个人电脑、移动电话、车载电子系统、MP3等便携式电子设备中到处可见。其中，浮栅存储器(Flash)以其在存储容量、制造成本和功耗上的优势成为存储器市场中的主流产品和代表性技术。但是，传统浮栅存储器在半导体工艺不断小型化的情况下，器件垂直堆垛面临严峻的挑战。尤其是隧穿氧化层厚度和电荷保持能力之间存在着很大的矛盾。器件进行多次擦写后，必然会在隧穿氧化层中产生缺陷，如果氧化层太薄，这些缺陷就容易形成一条泄露路径而使得存储在多晶硅浮栅中的信息全部流失。此外，尺寸的缩小也会让相邻存储单元之间的距离越来越近，而让多晶硅浮栅之间的相互影响更明显。

作为一种改进技术方案，分立式电荷俘获存储(Discrete Charge Trapping Storage)的概念被提出来，解决了传统浮栅存储器面临的技术瓶颈。分立式电荷俘获存储器中的电荷存储是离散的，即使隧穿氧化层中形成一条漏电通道也只会造成局部存储信息的流失，使得通过减薄隧穿氧化层厚度而缩小器件尺寸成为可能。

纳米晶存储器是分立式电荷俘获存储的代表结构，通过引入分立的纳米晶颗粒存储电荷以实现存储节点的相互隔离。自从IBM公司的S. Tiwari在1996年首次提出此结构以后，纳米晶存储器由于其优异的数据保持特性而成为传统浮栅存储器有希望的替代者。到目前为止，具有不同能带结构的纳米晶材料已经被广泛的研究用以调制电荷存储陷阱的形状和深度，如半导体纳米晶、金属纳米晶、化合物纳米晶以及异质纳米晶等。

一方面，金属纳米晶在费米能级附近态密度高，具有广阔的功函数选择范围，不存在多维载流子限制效应，与沟道有较强的耦合，拥有和金属体材料极其相近的能带结构，在隧穿层和纳米晶间更容易实现不对称势垒来均衡编程和保持性能。因而，用金属纳米晶替代连续浮栅的闪存成为近年来的研究热点。金属纳米晶形成的主要工艺有金属薄层后热退火、共沉积后析出和共沉积后反应析出。这些方法要么难以形成完全分立的纳米晶，要么难以控制颗粒的大小及分布。

另一方面，一直以来，基层电路的栅氧化物都选择热生长的二氧化硅（或者硅氧氮）。然而，为了维持栅电容的等比例缩小，二氧化硅栅氧化层厚度面临着物理极限。对于闪存的应用来说，要想保证10年的数据保持能力，为避免直接隧穿的发生和克服多次编程/擦除操作中应力导致的漏电(SILC)，隧穿氧化层必须要有一定的物理厚度。于是，国际半导体技术蓝图(ITRS)在2005年引入了高介电常数(high-k)材料，用来代替二氧化硅。

原子层沉积技术(Atomic layer deposition, ALD), 是一种正在蓬勃发展中的新型材料沉积技术，它可以用来精确控制高介电常数材料层的生长。自从2001年国际半导体工业协会将ALD与金属有机化学气相沉积（MOCVD）、等离子体增强CVD并列作为与微电子工艺兼容的候选技术以来，ALD技术近些年来发展势头强劲。原子层沉积技术之所以受到微电子工业和纳米材料制备领域的青睐，这与它独特的生长原理和特点密不可分。原子层沉积是通过将气相前驱体脉冲交替地通入反应器并在沉积基体表面上发生化学吸附反应形成薄膜的一种方法，由于其表面反应具有自限制（Self-limiting）的特点，因此ALD具有优异的三维贴合性（Conformality）和大面积的均匀性；精确、简单的膜厚控制(仅与反应循环次数有关)；低的沉积温度(室温～400 oC)；适合界面修饰和制备纳米尺度的多组员的层状结构（Nanolaminates）；低沉积速率（1～2 nm/min）；存在稳定的工艺窗口，在此窗口区间，沉积对温度、流量变化不敏感。ALD技术现在在微电子、光电子、催化、平板显示器等领域，特别是涉及到纳米尺度的结构制备上有巨大的优势和应用前景，ALD的研究与应用正在蓬勃展开。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对以往纳米晶存储器制备中的瓶颈问题，提出了一种创新的纳米晶存储器的制备方法，该方法利用湿化学法合成的纳米颗粒的自组装与原子层沉积技术相结合，制备出超高密度、优异存储性能的纳米晶存储器，且该方法工艺简单，成本低廉，应用前景良好。