非挥发性半导体存储器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种非挥发性半导体存储器及其制作方法，这种非挥发性半导体存储器采用纳米单晶硅浮栅、实现了单电子存储，而且纳米单晶硅浮栅中的纳米单晶硅离子的密度高，存储能力强。所述非挥发性半导体存储器的制作方法包括：在半导体基体形成隧道氧化层；在隧道氧化层上形成纳米单晶硅层，所述纳米单晶硅层为小丘状的纳米单晶硅颗粒；形成覆盖纳米单晶硅层的层间介电层；在层间介电层上形成多晶硅层；图案化多晶硅层，形成控制栅；图案化层间介电层，形成阻挡氧化层；图案化所述纳米单晶硅层，形成浮栅；掺杂半导体基板形成分离的源极和漏极；图案化隧道氧化层，形成栅氧化层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及非挥发性半导体存储器，具体地说，本专利技术涉及一种含有纳 米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器及其制造方法。
技术介绍
非挥发性存储器例如可擦除可编程只读存储器(electrically programmable read-only memory, EPROM)、电可才察可编禾呈只读存卡者器(electrically-erasable programmable read-only memory, EEPROM )以及快闪存储器(flash memory )目前广泛用做计算机系统的数据存储器件，在系统关闭或无电源供应时仍能 保存数据信息。一个非挥发性存储器(non-volatile memory; NVM )通常也是一个MOS 管，具有一个源极， 一个漏极， 一个控制栅(control gate )以及一个浮栅(floating gate)，浮栅被绝缘体隔绝于其他部分。传统的非挥发性存储器采用多晶硅浮栅，以快闪存储器为例，参考附图l, 包含两个多晶硅栅，其中l为控制栅，与字线相连，用来控制存储单元的导通 以及存储单元的编程读出等操作，7为浮栅，完全被隧道氧化层3和阻挡氧化 层2包围，能够存储注入的电子，5为半导体基板，4和6分别为源极和漏极。 所述的隧道氧化层3和阻挡氧化层2材料为二氧化硅。如果浮栅7上没有存储电 子电荷，控制栅l对应一个较低的阈值电压；当浮栅7上存储了电子电荷，则 控制栅阈值电压增大，这样在读取的时候，控制栅l上加上一个介于高阈值电 压和低阈值电压之间的读取电压，浮栅7中有电子的单元因为阈值电压高而不 导通，所以没有读出电流，因此该单元就存了信息0，，；当浮栅7中没有存储电 子的时候，阈值电压低，浮柵7中有电子的单元导通，有较大的读出电流，该单元就存了信息l。随着技术的发展，对存储器的数据存储以及保持能力的 要求越来越高，这种传统的存储器越来越不能满足社会发展的需要。为了增加浮栅保持电子的能力，申请号为200510082811.1的中国专利申请 文件提供了一种改进的快闪存储器，参考附图2所示，l为多晶硅控制栅，2为 阻挡氧化层，3为隧道氧化层，5为半导体基板，4和6分别为源极和漏极，7为 多晶硅浮栅。所述的多晶硅浮栅7沿沟道方向采用PfP+掺杂多晶硅来代替传 统的单一掺杂的多晶硅浮栅，其中P+和N+的掺杂浓度都大于l(T/cm3,如图2 中8为P+掺杂多晶硅，9为N+掺杂多晶硅。P^Pl参杂多晶硅可通过光刻定义 不同浮栅窗口，分别进行P+和N两次离子注入形成。这种存储器的电子保持 能力虽然得到了一定的提高，但是由于其控制栅为多晶硅，数据储存能力还 不能满足技术发展的需要。
技术实现思路
能力不能满足技术发展的需要的缺陷，提供一种非挥发性半导体存储器及其 制作方法，这种非挥发性半导体存储器实现了单电子存储，而且纳米单晶硅 浮栅中的纳米单晶硅离子的密度可调整形成工艺进行调节。针对上述问题，本专利技术提供了一种非挥发性半导体存储器的制作方法， 包括下列步骤在半导体基体形成隧道氧化层；在隧道氧化层上形成纳朱单晶硅层，所述纳米单晶硅层为小丘状的纳米单晶珪颗粒；形成覆盖纳米单晶硅层的层间介电层； 在层间介电层上形成多晶硅层； 图案化多晶硅层，形成控制栅； 图案化层间介电层，形成阻挡氧化层；图案化所述纳米单晶硅层，形成浮栅；掺杂半导体基板形成分离的源极和漏极；图案化隧道氧化层，形成栅氧化层，所述控制栅、阻挡氧化层、浮栅以 及栅氧化层共同构成半导体存储器的栅极结构，在栅极结构上加电压时，源 极和漏极之间能形成导电沟道。另一方面，本专利技术还提供了一种非挥发性半导体存储器，包括设置在半 导体基体内并分离的源极和漏极以及半导体基体上的栅极结构，栅极结构加电压时，能在源极和漏极之间形成导电沟道，所述的栅极结构包括位于半导体基体上的栅氧化层；位于栅氧化层上的浮栅，以及隔离浮栅和控制栅的阻挡氧化层，所述的浮栅为小丘状的纳米单晶硅颗粒。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点1、 本专利技术提供的非挥发性半导体存储器，采用纳米单晶硅浮栅，所述纳 米单晶硅浮栅由小丘状的纳米单晶硅颗粒组成，由于纳米单晶硅镶嵌在源漏 沟道与控制栅之间的氧化物中，当在控制栅和源极之间加上偏转电压时，电 子直接隧穿注入纳米单晶硅内，使栅极电荷受到屏蔽而导致器件阈值改变。 在存储状态下，电子处于势阱中，当栅极加上反向偏压时，电子通过直接隧 穿又回到沟道内，由此实现电荷的擦除。当一个电荷注入纳米单晶硅时，其 产生的库仑势能远大于常温下热能，从而阻碍了其它的电荷注入，所以每个 纳米晶粒中只能存储一定数目的电荷，因而可实现单电子存储。与传统的浮 4册存4诸器相比，纳米晶MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)存储器在存储一位数据时所需的电子数少，绝缘层中电流密度小， 因而可在单位面积内存储更多的信息，提高器件循环使用的次数并缩短擦写 时间。2、 本专利技术提供的纳米单晶硅浮栅中的纳米单晶硅离子的密度可通过控制 形成纳米单晶硅的工艺参数进行调节，可#4居需要调整小丘状纳米单晶硅颗 粒的密度。附图说明图1为现有技术快闪存储器的结构示意图；图2为现有技术一种改进的快闪存储器的结构示意图；图3至图12为本专利技术非挥发性半导体存储器的制备方法工艺流程的截面 结构示意图；图13为本专利技术形成的半球形多晶硅颗粒的俯视扫描电子显微镜图；图14为本专利技术形成的半球形多晶硅颗粒的截面扫描电子显微镜图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。本专利技术提供了 一种非挥发性半导体存储器的制作方法，包括下列步骤在半导体基体形成隧道氧化层；在隧道氧化层上形成纳米单晶硅层，所述纳 米单晶硅层为小丘状的纳米单晶硅颗粒；形成覆盖纳米单晶硅层的层间介电 层；在层间介电层上形成多晶硅层；图案化多晶硅层，形成控制栅；图案化 层间介电层，形成阻挡氧化层；图案化所述纳米单晶硅层，形成浮栅；掺杂 半导体基板形成分离的源极和漏极；图案化隧道氧化层，形成栅氧化层，所 述控制栅、阻挡氧化层、浮栅以及栅氧化层共同构成半导体存储器的栅极结 构，在栅极结构上加电压时，源极和漏极之间能形成导电沟道。参考附图3所示，提供一半导体基板201,所述半导体基体201较好的是 半导体硅，可以为n型或者P型半导体，以P型半导体基体为例，在半导体 基体201内形成有隔离结构202,用于隔离不同的存储单元，所述的隔离结构 较好的是浅沟槽隔离(STI)结构，形成隔离结构202的工艺为本领域技术人 员熟知的现有技术，例如在本专利技术的一个实施例中，在半导体基板上依次形成垫氧化层(Si02)和腐蚀阻挡层(SiN),并依次定义腐蚀阻挡层、垫氧化 层和半导体基板，形成沟槽；在沟槽表面形成衬氧化层；在沟槽内以及腐蚀阻挡层上形成隔离氧化层以填满沟槽；去除沟槽之外的隔离氧化层，直至曝 露出腐蚀阻挡层表面；依次去除半导体基板上的腐蚀阻挡层和垫氧化层，形 成隔离结构202。参考图4所示，在半导体基体201上形成一隧道氧化层203,所述的隧道 氧化层203的材料可以是氧化硅、氮氧化硅(SiON)、富硅氧化物(SRO)、 SiN等。所述隧道氣化层203的作用在于纳米单晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非挥发性半导体存储器的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：在半导体基体形成隧道氧化层；在隧道氧化层上形成纳米单晶硅层，所述纳米单晶硅层为小丘状的纳米单晶硅颗粒；形成覆盖纳米单晶硅层的层间介电层；在层间介电 层上形成多晶硅层；图案化多晶硅层，形成控制栅；图案化层间介电层，形成阻挡氧化层；图案化所述纳米单晶硅层，形成浮栅；掺杂半导体基板形成分离的源极和漏极；图案化隧道氧化层，形成栅氧化层，所述控制栅、阻挡氧 化层、浮栅以及栅氧化层共同构成半导体存储器的栅极结构，在栅极结构上加电压时，源极和漏极之间能形成导电沟道。

【技术特征摘要】
1、一种非挥发性半导体存储器的制作方法，其特征在于，包括下列步骤在半导体基体形成隧道氧化层；在隧道氧化层上形成纳米单晶硅层，所述纳米单晶硅层为小丘状的纳米单晶硅颗粒；形成覆盖纳米单晶硅层的层间介电层；在层间介电层上形成多晶硅层；图案化多晶硅层，形成控制栅；图案化层间介电层，形成阻挡氧化层；图案化所述纳米单晶硅层，形成浮栅；掺杂半导体基板形成分离的源极和漏极；图案化隧道氧化层，形成栅氧化层，所述控制栅、阻挡氧化层、浮栅以及栅氧化层共同构成半导体存储器的栅极结构，在栅极结构上加电压时，源极和漏极之间能形成导电沟道。2、 根据权利要求1所述的非挥发性半导体存储器的制作方法，其特征 在于，在隧道氧化层上形成纳米单晶硅层的工艺包括如下步骤在隧道氧化层上形成若干均匀排列的半球形多晶硅颗粒； 采用刻蚀工艺或者賊射工艺使半球形多晶硅颗粒转化为'j、丘状纳米单晶 硅层。3、 根据权利要求2所述的非挥发性半导体存储器的制作方法，其特征 在于，所述刻蚀半球形多晶硅颗粒的工艺为干法刻蚀或者湿法刻蚀。4、 根据权利要求2所述的非挥发性半导体存储器的制作方法，其特征 在于，所述小丘状的纳米单晶硅颗粒的底部宽度为l至20nm。5、 根据权利要求2所述的非挥发性半导体存储器的制作方法，其特征 在于，所述小丘状的纳米单晶硅颗粒密度为lxlO,cn^至lxl012/cm2。6、 根据权利要求1所述的非挥发性半导体存储器的制作方法，其特征 在于，所述的隧道氧化层为氧化硅或者氮氧化硅。7、 根据权利要求1所述的非挥发性半导体存储器的制作方法，其特征 在于，所述的层间介...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖德元，金钟雨，陈国庆，李若加，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]