專利名稱：一種快閃存儲(chǔ)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超大規(guī)模集成電路中的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種改進(jìn)型的基于TFET(Tunneling Field Effective Transistor)的快閃存儲(chǔ)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，各類消費(fèi)類電子產(chǎn)品大量出現(xiàn)。非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)部分的重要部件，也被大量應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中，并且性能要求也越來越嚴(yán)格?？扉W存儲(chǔ)器(Flash Memory,也稱閃存)，是一種在業(yè)界得到大面積使用的非揮發(fā)性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。為了適應(yīng)每一代工藝的需求，這種存儲(chǔ)器一直在做著一些包括結(jié)構(gòu)、材料、工作機(jī)理等方面的改進(jìn)。但隨著工藝節(jié)點(diǎn)持續(xù)縮小，各種更高性能的電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，對(duì)快閃存儲(chǔ)器的性能要求也越來越高，這其中包括編程效率、功耗、器件尺寸等方面。顯然，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)面臨著眾多挑戰(zhàn)，人們也一直試圖尋找新的結(jié)構(gòu)來解決這些問題。在后來涌現(xiàn)出的各種新型存儲(chǔ)器中，有一種基于TFET的快閃存儲(chǔ)器，以其編程效率高、功耗低、較好抑制源漏穿通效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，備受人們關(guān)注。但受限于其工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，也存在溝道電流過小、過編程帶來的泄漏電流等問題。對(duì)于一般結(jié)構(gòu)的TFET,同一種器件結(jié)構(gòu),在不同的偏置條件下,存在著P-TFET和N-TFET兩種工作模式。當(dāng)柵上施加正偏壓時(shí)，器件溝道區(qū)域有電子流過，是N-TFET工作模式；當(dāng)柵上施加負(fù)偏壓時(shí)，器件溝道區(qū)域有空穴流過，是P-TFET工作模式。因?yàn)檫@個(gè)原因，基于TFET的快閃存儲(chǔ)器，在進(jìn)行編程時(shí)就需要格外注意，以免過編程使得浮柵中注入的電子過多，繼而形成的負(fù)電勢(shì)使得整個(gè)器件在沒有施加?xùn)趴仉妷旱那樾蜗绿幱赑-TFET的開啟模式，造成泄露電流。另外，由于本身的隧穿機(jī)理使得其溝道電流偏小，影響這種基于TFET的快閃存儲(chǔ)器的使用范圍。本發(fā)明就是針對(duì)當(dāng)前這種基于TFET的快閃存儲(chǔ)器的這些問題，提出一種新結(jié)構(gòu)來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)一般的基于TFET的快閃存儲(chǔ)器面臨的一些問題，提出一種新的結(jié)構(gòu)，使得其在提高編程效率、降低工作功耗、有效抑制源漏穿通效應(yīng)的同時(shí)，提高溝道電流、消除過編程帶來的泄漏電流等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種快閃存儲(chǔ)器，包括SOI硅襯底、摻雜類型不同的源漏(P+為源，N+為漏)、位于源漏之間的溝道和薄氮化硅層(位于溝道201和源端之間)以及上面的隧穿氧化層、多晶硅浮柵、阻擋氧化層和多晶硅控制柵等。本發(fā)明還將提供一種制備上述存儲(chǔ)器的方法，包括以下步驟淺槽隔離SOI硅襯底形成有源區(qū)I)依次淀積二氧化硅(隧穿氧化層)、多晶硅層；2)對(duì)多晶硅進(jìn)行重?fù)诫s，形成浮柵多晶硅；3)再淀積一層二氧化硅層(阻擋氧化層)，控制柵多晶硅層；4)對(duì)多晶硅層進(jìn)行重?fù)诫s，熱退火(RTA)激活浮柵多晶硅和控制柵多晶硅中的雜質(zhì)；
5)刻蝕形成柵堆棧結(jié)構(gòu)；6)進(jìn)行N+注入，形成漏端；7)在溝道的另一端進(jìn)行各向同性的硅刻蝕，形成直至埋氧的孔狀結(jié)構(gòu)；8)在孔狀結(jié)構(gòu)中，貼近溝道一側(cè)上生長(zhǎng)薄氮化硅層；9)再在剩余的孔狀結(jié)構(gòu)中回填硅，然后進(jìn)行P+摻雜注入。本發(fā)明的具體操作方法簡(jiǎn)述如下編程時(shí)，P+區(qū)接地，N+區(qū)施加正偏壓，控制柵施加正偏壓。在這樣的偏壓下，器件工作在N-TFET的模式下，將有電子被注入到浮柵中去，完成編程過程。擦除時(shí)，N+區(qū)、P+區(qū)施加正偏壓，控制柵施加負(fù)偏壓。這樣的偏置條件下將會(huì)發(fā)生FN隧穿。使得浮柵中的電子進(jìn)入襯底，完成對(duì)存儲(chǔ)單元的擦除。讀取時(shí)，在N+區(qū)施加正偏壓，P+區(qū)接地，控制柵施加較小的正偏壓。偏壓的設(shè)置要求在不進(jìn)行誤編程的前提下從N+區(qū)讀出電流。浮柵中電子的多少會(huì)影響漏端(N+區(qū))讀出的電流。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果為本發(fā)明提出的改進(jìn)型的基于TFET的快閃存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，在具有一般基于TFET快閃存儲(chǔ)器的編程效率高、功耗低、有效抑制源漏穿通效應(yīng)、小尺寸特性理想等特點(diǎn)以外，可以有效地解決工作電流低和過編程造成的泄漏電流等問題。由于在源端(P+)和溝道之間夾有一薄氮化硅層，因此抑制了 P+區(qū)的重?fù)诫s離子擴(kuò)散進(jìn)入溝道區(qū)域，使得源端和溝道之間的濃度梯度更大，兩者交界區(qū)域的能帶拉伸更為嚴(yán)重，更容易發(fā)生隧穿。這樣在同樣的偏置條件下，隧穿電流就會(huì)更大，溝道電流就有明顯的提升。另外，對(duì)于一般的基于TFET的快閃存儲(chǔ)器，當(dāng)浮柵上注入了電子，浮柵電勢(shì)就會(huì)變負(fù)。因此，過編程時(shí)，注入太多的電子就有可能使得器件在不施加控制柵電壓的情況下，溝道中有空穴流過，處于P-TFET模式。這就造成了一定程度的泄漏電流。在本發(fā)明所提到的結(jié)構(gòu)中，由于薄氮化硅層的存在，一方面可以使從源端P+隧穿過來的電子電流更多 ’另一方面可以阻擋從N+流過來的空穴流。因此就可以有效地消除泄露電流，并且在功耗方面可以降得更低。


圖I 一般的基于TFET的快閃存儲(chǔ)器剖面結(jié)構(gòu)示意圖(應(yīng)用SOI硅襯底，包括埋氧和硅薄膜)，其中
100-埋氧層；101-娃薄膜；102_N+漏端；103_P+源端；104-隧穿氧化層；105_多晶硅浮柵；106_阻擋氧化層；107_多晶硅控制柵。圖2是本發(fā)明的改進(jìn)型的基于 TFET的快閃存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖(應(yīng)用SOI硅襯底)，其中200-埋氧層；201_硅薄膜；202_N+漏端；203_P+源端；204_隧穿氧化層；205_多晶硅浮柵；206_阻擋氧化層；207_多晶硅控制柵；208_氮化硅薄層。圖3(a)-圖3(f)是實(shí)施例制備改進(jìn)型基于快閃存儲(chǔ)器的工藝流程中各步驟對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖，其中200-埋氧層；201_硅薄膜；202_N+漏端；203_P+源端；204_隧穿氧化層；205_多晶硅浮柵；206_阻擋氧化層；207_多晶硅控制柵；208_氮化硅薄層。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，來進(jìn)一步說明本發(fā)明快閃存儲(chǔ)器的制備上述快閃存儲(chǔ)器的制備包括以下步驟I)單拋SOI硅襯底，淺槽隔離(STI)；2)熱生長(zhǎng)一層犧牲氧化層以改善溝道表面質(zhì)量，氫氟酸漂洗掉犧牲氧化層。然后熱生長(zhǎng)氧化層8納米204(隧穿氧化層)，再淀積多晶硅層90納米，對(duì)多晶硅層中進(jìn)行重?fù)诫s，形成浮柵結(jié)構(gòu)205 ；3)之后淀積氧化層10納米206 (阻擋氧化層)和多晶硅50納米多晶硅，形成如圖3(a)的結(jié)構(gòu)；4)對(duì)頂層多晶硅進(jìn)行重?fù)诫s，接著快速熱退火(RTA)來激活控制柵207和浮柵205中的雜質(zhì)；5)刻蝕多晶硅控制柵207、二氧化硅206、多晶硅浮柵205和隧穿氧化層204，形成圖3(b)所示的柵堆棧結(jié)構(gòu)；6)在柵堆棧結(jié)構(gòu)一側(cè)的硅薄膜中注入砷，形成器件的漏端202，如圖3 (C)所示；7)在有氮化硅掩膜保護(hù)的情況下，采用各向同性刻蝕方法來對(duì)堆棧結(jié)構(gòu)的另一側(cè)處的硅薄膜進(jìn)行刻蝕，形成圖3(d)所示結(jié)構(gòu)；8)在貼近溝道(即硅薄膜201) —側(cè)生長(zhǎng)一薄氮化硅層208，約2nm，如圖3 (e)所示；9)接著用外延的方法，進(jìn)行硅材料的回填，并進(jìn)行硼注入形成器件的源端203，形成如圖3(f)所示的結(jié)構(gòu)。之后的步驟都是常規(guī)的工藝流程淀積低氧層，刻蝕引線孔，濺射金屬，形成金屬線，合金，鈍化等，最后形成可測(cè)試的閃存單元。
權(quán)利要求
1.一種快閃存儲(chǔ)器，包括埋氧層(200)，所述埋氧層(200)之上設(shè)有P+源端(203)、溝道(201)、N+漏端(202)，溝道(201)位于P+源端(203)與N+漏端(202)之間，所述溝道(201)之上依次為隧穿氧化層(204)、多晶硅浮柵(205)、阻擋氧化層(206)、多晶硅控制柵(207)，其特征在于所述P+源端(203)與所述溝道(201)之間設(shè)有一氮化硅層(208)。
2.如權(quán)利要求I所述的快閃存儲(chǔ)器，其特征在于所述溝道(201)為硅薄膜；所述隧穿氧化層(204)為二氧化硅。
3.一種快閃存儲(chǔ)器的制備方法，其步驟為 1)淺槽隔離SOI硅襯底，形成有源區(qū)； 2)在SOI硅襯底上依次制備隧穿氧化層、第一多晶硅層，并對(duì)第一多晶硅層進(jìn)行重?fù)诫s，形成多晶硅浮柵結(jié)構(gòu)； 3)在多晶硅浮柵結(jié)構(gòu)上依次制備阻擋氧化層、第二多晶硅層，并對(duì)第二多晶硅層進(jìn)行重?fù)诫s，形成多晶硅控制柵結(jié)構(gòu)； 4)快速熱退火激活所述第一多晶硅層、第二多晶硅層中的雜質(zhì)，形成多晶硅浮柵和多晶硅控制柵； 5)刻蝕所述多晶硅控制柵、阻擋氧化層、多晶硅浮柵和隧穿氧化層，得到一柵堆棧結(jié)構(gòu)； 6)在所述柵堆棧結(jié)構(gòu)一側(cè)的硅薄膜上制備N+漏端；對(duì)另一側(cè)的硅薄膜進(jìn)行刻蝕，形成直至埋氧的孔狀結(jié)構(gòu)； 7)在孔狀結(jié)構(gòu)中，貼近硅薄膜一側(cè)生長(zhǎng)一氮化硅層，然后對(duì)剩余孔狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行硅材料的回填并制備P+源端。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于在有氮化硅掩膜保護(hù)的情況下，采用各向同性刻蝕方法來對(duì)所述堆棧結(jié)構(gòu)另一側(cè)的硅薄膜進(jìn)行刻蝕。
5.如權(quán)利要求3所述的方法,其特征在于在SOI娃襯底上熱生長(zhǎng)一層犧牲氧化層,然后洗掉所述犧牲氧化層之后，淀積所述隧穿氧化層。
6.如權(quán)利要求3或4或5所述的方法，其特征在于采用外延的方法進(jìn)行硅材料的回填。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于通過對(duì)回填的硅薄膜中注入硼，形成所述源端。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于通過對(duì)硅薄膜中注入砷，形成所述漏端。
9.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于采用熱生長(zhǎng)方法生長(zhǎng)所述隧穿氧化層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種快閃存儲(chǔ)器及其制備方法，屬于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)領(lǐng)域。本存儲(chǔ)器包括埋氧層，其上設(shè)有源端、溝道、漏端，溝道位于源端與漏端之間，溝道之上依次為隧穿氧化層、多晶硅浮柵、阻擋氧化層、多晶硅控制柵，源端與溝道之間設(shè)有一氮化硅薄層。本方法為1)淺槽隔離SOI硅襯底，形成有源區(qū)；2)在硅襯底上依次生長(zhǎng)隧穿氧化層、第一多晶硅層并制備多晶硅浮柵，生長(zhǎng)阻擋氧化層、第二多晶硅層并制備多晶硅控制柵；3)刻蝕生成柵堆棧結(jié)構(gòu)；4)在柵堆棧結(jié)構(gòu)一側(cè)的制備漏端；對(duì)另一側(cè)的硅薄膜進(jìn)行刻蝕，生長(zhǎng)一氮化硅薄層，然后進(jìn)行硅材料的回填并制備源端。本發(fā)明具有編程效率高、功耗低、有效抑制源漏穿通效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/8247GK102738169SQ20111009248
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2011年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月13日
發(fā)明者唐粕人, 秦石強(qiáng), 蔡一茂, 譚勝虎, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)