[发明专利]一种非挥发性半导体存储器的通用制备方法

说明书

一种非挥发性半导体存储器的通用制备方法，基于非挥发性半导体存储器，在制备氮化硅电荷俘获层的过程中进行金属掺杂，形成金属掺杂氮化硅电荷俘获层，有效地调控氮化硅俘获层中的缺陷能级，从而简单高效地减少了其中的浅能级缺陷，抑制了电荷的横向扩散，同时也提高电荷存储的密度，因而提高非挥发性半导体存储器性能，并实现了非挥发性半导体存储器的高可靠性。

技术领域

本发明涉及一种用于制备非挥发性半导体存储器的通用方法，通过抑制电荷的横向扩散并提高电荷存储的密度来提高非挥发性半导体存储器的可靠性，属于半导体存储器技术领域。

背景技术

数字信息化时代的发展离不开数据的存储，数据本身的快速增长使得数据存储在物联网大数据时代尤为重要。存储器性能的快速提升，为数据存储提供了一个良好的契机。为了克服半导体工艺技术发展和器件物理尺寸极限带来的困难，存储器的结构从传统平面器件(参见图1)转变为三维立体器件(参见图2)，其中三维电荷俘获型存储器因高存储密度、低成本等优势，成为非挥发性存储器的主流。图1给出了传统平面存储器结构图，包括控制栅(Poly-Si/金属)，阻挡氧化层(SiO₂)，电荷俘获层(Si₃N₄)，隧穿氧化层(SiO₂)等。图2给出了三维电荷俘获型存储器阵列和单个器件的结构，右侧是横截面图，除了上述平面存储器的之外，还包括多晶硅环形沟道层(Poly-Si)和氧化硅(SiO₂)。非挥发性存储器虽然应用广泛且备受关注，但仍存在电荷损失影响其可靠性，具体的电荷损失机制如图3所示，包括①Poole-Frenkel效应，②横向扩散和③垂直扩散引起的电荷损失。随着器件尺寸的缩放以及存储密度的提高，电荷损失更为严重，将来可能会成为非挥发性存储器的一个亟待解决的关键问题。因此探究非挥发性存储器可靠性的物理机制，尤其是如何提高非挥发性存储器可靠性成为了集成电子领域一个重要的课题。

原子掺杂调控器件性能的方法已经广泛应用于电子器件的各个领域，通过原子掺杂来改变材料带隙，缺陷能级等，可以简单，快速，高效地提升电子器件的性能。但是在非挥发性存储器中，利用金属原子掺杂氮化硅电荷俘获层，来提高存储器可靠性的研究还很欠缺。金属原子掺杂的应用，可能会为非挥发性存储器的发展带来新契机。在电荷俘获型存储器中，氮化硅材料作为电荷俘获层，其中的缺陷通过俘获电荷实现数据的存储。但是存储在浅能级缺陷中的电荷，极易在数据保持的过程中发生横向电荷损失，从而导致非挥发性存储器的可靠性大大降低。因此，如何减少浅能级缺陷的存在成为提高可靠性的关键点。

发明内容

本发明针对浅能级缺陷导致电荷横向扩散从而降低非挥发性半导体存储器可靠性问题，提供一种非挥发性半导体存储器的通用制备方法，该方法通过调控氮化硅电荷俘获层中的缺陷，来减少浅能级缺陷的存在，从而抑制电荷的横向损失，提高非挥发性半导体存储器的可靠性。

本发明的非挥发性半导体存储器的通用制备方法，采用以下技术方案：

基于非挥发性半导体存储器，在制备氮化硅电荷俘获层的过程中进行金属掺杂，形成金属掺杂氮化硅电荷俘获层，以有效地调控材料的缺陷能级，减少浅能级缺陷的产生，从而抑制电荷的横向扩散，并提高电荷存储的密度，提高非挥发性半导体存储器性能，实现非挥发性半导体存储器的高可靠性。

所述金属掺杂，是在制备氮化硅电荷俘获层时，通过蒸镀或溅射的方法对氮化硅电荷俘获层掺杂金属原子。

所述金属掺杂氮化硅电荷俘获层，要求掺杂的缺陷代替原有的缺陷，掺杂量以掺杂后产生的缺陷能级适宜电子俘获和擦除为准。

所述金属掺杂的掺杂源是Ti或Hf。所述金属掺杂的掺杂浓度是在280个原子中超胞引入一个缺陷，过量或过少的掺杂并不能达到减少浅能级缺陷的目的。

所述调控材料的缺陷能级，是通过掺杂金属原子，来改变原有的缺陷类型，形成适合电子俘获和擦除的新缺陷，从而实现对缺陷能级的调控。