專利名稱：縱向量子點(diǎn)－浮柵尖端結(jié)構(gòu)、制備方法和存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
縱向量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)、制備方法和存儲器屬于存儲器設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器在集成電路產(chǎn)業(yè)占有十分重要的地位，2004年，半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器的全球銷售額超過300億美元。F-N隧穿是半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器中編程或擦除的核心過程，效率高于溝道熱電子注入方式。但是F-N隧穿需要相對較高的電場，因此編程和擦除電壓較高，導(dǎo)致隧穿氧化層不能按比例減小。同時，隧穿氧化層中較高的電場將導(dǎo)致隧穿氧化層的退化。因此，降低F-N隧穿的工作電壓和隧穿氧化層中的平均電場是半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器向下一代發(fā)展的關(guān)鍵問題。
經(jīng)檢索，現(xiàn)有公開文獻(xiàn)中沒有關(guān)于縱向量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)的相關(guān)文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出用于半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器的量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)及其制備方法，并提出了一種采用該結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)存儲器。
本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)含有P-Si襯底；隧穿氧化層，位于P-Si襯底上方；多晶硅浮柵，位于隧穿氧化層上方；其特征在于，在所述P-Si襯底上方還有一層SiGe量子點(diǎn)，所述多晶硅浮柵的下部為尖端結(jié)構(gòu)。
所述多晶硅浮柵下部的尖端與所述SiGe量子點(diǎn)的頂端是自對準(zhǔn)的。
一種縱向自對準(zhǔn)量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，依次含有以下步驟1)在Si襯底上制備SiGe量子點(diǎn)；2)在制備好的SiGe量子點(diǎn)上外延生長硅薄膜；3)進(jìn)行干氧氧化，在量子點(diǎn)正上方形成與量子點(diǎn)縱向自對準(zhǔn)的凹坑；4)在所述干氧氧化得到的氧化層上淀積多晶硅浮柵，形成與所述SiGe量子點(diǎn)自對準(zhǔn)的浮柵尖端結(jié)構(gòu)。
上述方法中，所述第1)步在P-Si襯底上制備SiGe量子點(diǎn)，是采用超高真空化學(xué)氣相淀積或分子束外延方法在溝道上自組織生長SiGe量子點(diǎn)。
所述第1)步在Si襯底上制備SiGe量子點(diǎn)，還可采用直接在Si襯底上外延SiGe薄膜，然后采用光刻和刻蝕的方法形成SiGe量子點(diǎn)。
一種采用如權(quán)利要求1或2所述結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)存儲器，含有P-Si襯底；隧穿氧化層，位于P-Si襯底上方；多晶硅浮柵，位于隧穿氧化層上方；控制氧化層，位于多晶硅浮柵上方；控制柵，位于控制氧化層上方；其特征在于，在所述P-Si襯底上方還有一層SiGe量子點(diǎn)，所述多晶硅浮柵的下部為尖端結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)能夠在施加相同電壓的條件下，提高隧穿電流密度。應(yīng)用于半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器時，可以在不減小氧化層厚度的條件下，降低工作電壓，從而降低了隧穿氧化層中的平均電場，提高了存儲器的可靠性。


圖1縱向量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)示意圖；其中1為隧穿氧化層，2為多晶硅尖端浮柵，3為SiGe量子點(diǎn)；圖2縱向自對準(zhǔn)量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)雙向增強(qiáng)F-N隧穿示意圖；圖3縱向自對準(zhǔn)量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)的制備工藝圖；圖4采用縱向自對準(zhǔn)量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器；其中1為隧穿氧化層，2為自對準(zhǔn)多晶硅尖端浮柵，3為SiGe量子點(diǎn)，4為控制柵，5為控制氧化層。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所提出的縱向量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)如圖1所示。在P-Si襯底上方分布有SiGe量子點(diǎn)，在本實(shí)施例中，多晶硅浮柵的下部尖端與SiGe量子點(diǎn)的尖端是對準(zhǔn)的。
如圖2所示，電子從兩個方向發(fā)生隧穿時，由于量子點(diǎn)和多晶硅浮柵尖端對電場的幾何增強(qiáng)因子的作用，使量子點(diǎn)頂部和浮柵尖端附近的局部電場增強(qiáng)，使電子面對的勢壘得到有效的變窄，從而發(fā)生增強(qiáng)F-N隧穿，可以在施加相同電壓的條件下，可以得到更高的隧穿電流密度。因此，可以在較低的外加電壓的條件下得到相同的隧穿電流密度。如果應(yīng)用于半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器，可以在不減小氧化層厚度的條件下，降低工作電壓。由于降低了隧穿氧化層中的平均電場，還可以提高存儲器的可靠性。
該結(jié)構(gòu)具體的制備方法如下(圖3)
1)Si襯底上量子點(diǎn)的制備(3a)可以采用超高真空化學(xué)氣相淀積(UHV/CVD)或分子束外延(MBE)的方法在溝道上自組織生長SiGe量子點(diǎn)，也可以直接在Si襯底上外延SiGe薄膜，然后采用光刻和刻蝕的方法形成SiGe量子點(diǎn)。
2)外延生長Si薄膜(3b)在制備好的SiGe量子點(diǎn)上外延硅薄膜。對于常規(guī)半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器應(yīng)用，該層Si薄膜的厚度約為5nm。外延硅薄膜的作用如下如果直接在圖3a的基礎(chǔ)上進(jìn)行氧化，那么得到如圖3所示的自對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)時，中間隧穿氧化層的厚度是一定的，而且這一厚度大約在3nm左右。這一厚度對于大多數(shù)應(yīng)用來說是過小的。因此，通過第二步外延適當(dāng)厚度的Si薄膜，可以得到合適的中間隧穿氧化層厚度。
3)干氧氧化(3c)由于SiGe量子點(diǎn)的氧化速率小于Si的氧化速率，因此當(dāng)隧穿氧化層達(dá)到一定厚度時會在量子點(diǎn)正上方形成凹坑，在此氧化層上淀積多晶硅浮柵，就形成自對準(zhǔn)的浮柵尖端結(jié)構(gòu)。
4)CVD多晶硅薄膜(3d)淀積多晶硅薄膜，得到用于存儲器的多晶硅浮柵，浮柵的尖端和溝道上方的量子點(diǎn)是自對準(zhǔn)的。
將該結(jié)構(gòu)用于半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器(見圖4)，具體的制備方法如下1)Si襯底上量子點(diǎn)的制備采用超高真空化學(xué)氣相淀積(UHV/CVD)在溝道上自組織生長SiGe量子點(diǎn)，生長工藝參數(shù)如下硅烷流量2sccm，鍺烷流量5sccm；生長溫度550℃，生長時間40s，生長過程中反應(yīng)室壓力10-3Pa。
2)外延生長Si薄膜采用超高真空化學(xué)氣相淀積(UHV/CVD)外延生長Si薄膜5nm。生長工藝參數(shù)如下硅烷流量6sccm；生長溫度550℃，生長時間60s，生長過程中反應(yīng)室壓力10-3Pa。
3)干氧氧化進(jìn)行干氧氧化。氧化層厚度為15nm。
4)CVD多晶硅薄膜淀積多晶硅薄膜，得到尖端和量子點(diǎn)縱向自對準(zhǔn)的多晶硅浮柵。
5)在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行其它標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體存儲器的制作工藝，制作出如圖4所示的雙向增強(qiáng)F-N隧穿的半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器。
該結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體存儲器在保持和傳統(tǒng)非揮發(fā)存儲器相同的編程和擦除速度的情況下，可以將工作電壓從18V降低至12V。同時，降低了隧穿氧化層中的平均電場強(qiáng)度，改善了強(qiáng)電場下應(yīng)力導(dǎo)致的隧穿氧化層退化的現(xiàn)象，提高了非揮發(fā)存儲器的可靠性。
權(quán)利要求
1.縱向量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)，含有P-Si襯底；隧穿氧化層，位于P-Si襯底上方；多晶硅浮柵，位于隧穿氧化層上方；其特征在于，在所述P-Si襯底上方還有一層SiGe量子點(diǎn)，所述多晶硅浮柵的下部為尖端結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的縱向自對準(zhǔn)量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述多晶硅浮柵下部的尖端與所述SiGe量子點(diǎn)的頂端是自對準(zhǔn)的。
3.一種縱向自對準(zhǔn)量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，依次含有以下步驟1)在Si襯底上制備SiGe量子點(diǎn)；2)在制備好的SiGe量子點(diǎn)上外延生長硅薄膜；3)進(jìn)行干氧氧化，在量子點(diǎn)正上方形成與量子點(diǎn)縱向自對準(zhǔn)的凹坑；4)在所述干氧氧化得到的氧化層上淀積多晶硅浮柵，形成與所述SiGe量子點(diǎn)自對準(zhǔn)的浮柵尖端結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求3所述的一種縱向自對準(zhǔn)量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述第1)步在P-Si襯底上制備SiGe量子點(diǎn)，是采用超高真空化學(xué)氣相淀積或分子束外延方法在溝道上自組織生長SiGe量子點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求3所述的一種縱向自對準(zhǔn)量子點(diǎn)-浮柵尖端結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述第1)步在Si襯底上制備SiGe量子點(diǎn)，是采用直接在Si襯底上外延SiGe薄膜，然后采用光刻和刻蝕的方法形成SiGe量子點(diǎn)。
6.一種采用如權(quán)利要求1或2所述結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)存儲器，含有P-Si襯底；隧穿氧化層，位于P-Si襯底上方；多晶硅浮柵，位于隧穿氧化層上方；控制氧化層，位于多晶硅浮柵上方；控制柵，位于控制氧化層上方；其特征在于，在所述P-Si襯底上方還有一層SiGe量子點(diǎn)，所述多晶硅浮柵的下部為尖端結(jié)構(gòu)。
全文摘要
縱向量子點(diǎn)－浮柵尖端結(jié)構(gòu)、制備方法和存儲器屬于存儲器設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)特征是，在襯底上方還有一層SiGe量子點(diǎn)，多晶硅浮柵的下部為尖端結(jié)構(gòu)。多晶硅浮柵下部的尖端與SiGe量子點(diǎn)的頂端是自對準(zhǔn)的。該結(jié)構(gòu)的制備方法包含在Si襯底上制備SiGe量子點(diǎn)；在SiGe量子點(diǎn)上外延生長硅薄膜；干氧氧化，在量子點(diǎn)正上方形成與量子點(diǎn)縱向自對準(zhǔn)的凹坑；在氧化層上淀積多晶硅浮柵，形成與SiGe量子點(diǎn)自對準(zhǔn)的浮柵尖端結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提出了采用了該結(jié)構(gòu)的存儲器。在施加相同電壓時，該機(jī)構(gòu)能提高隧穿電流密度。應(yīng)用于半導(dǎo)體非揮發(fā)存儲器，可在不減小氧化層厚度時降低工作電壓，從而降低隧穿氧化層的平均電場，提高了存儲器的可靠性。
文檔編號H01L29/66GK1710722SQ20051001218
公開日2005年12月21日 申請日期2005年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月15日
發(fā)明者鄧寧, 潘立陽, 劉志弘, 陳培毅, 魏榕山 申請人:清華大學(xué)