非挥发性半导体存储器的制造方法技术

一种纳米单晶硅的形成方法，包括如下工艺步骤：在半导体基体上形成富硅介质薄膜层；将硅离子植入富硅介质薄膜层；对半导体基体进行退火处理，在富硅介质薄膜层中形成纳米单晶硅。所述富硅介质薄膜为富硅氧化物或者富硅氮氧化物，退火温度为７００至１０００℃。上述方法生成的纳米单晶硅原子的密度在１×１０↑［１０］／ｃｍ↑［２］至１×１０↑［１２］／ｃｍ↑［２］之间，并且纳米微粒的数量和晶粒尺寸都可以根据需要进行控制。在７００到１０００℃的温度范围内进行退火，具有较低的热预算，降低了对能源的消耗和生产成本。本发明专利技术还提供了含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及形成纳米单晶硅层的方法和制造半导体器件的方法。具体地 说，本专利技术涉及在绝缘衬底上外延生长纳米单晶硅层的方法和制造含有纳米 单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器的方法。
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)、电可擦可编程只读存储器(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。这些非挥发性存储器通常包括大 量具有电学绝缘性能的栅极，也就是通常所说的浮栅。纳米单晶硅浮栅由于 快速编程能力、低耗电性、高耐受性和较高的密度一致性受到了广泛的关注。由于纳米单晶硅优越的物理性能如电子封闭(electron confinement)、光 致发光和电子发射等性能，其制备方法也得到了一定的发展。如公开号为 US20050048796的美国专利申请提供了 一种形成纳米单晶硅的工艺。具体的工 艺步骤为第一步，用氢原子团对基体表面进行处理，所述的氬原子团是通 过对氢气进行等离子体沉积得到的；第二步，通过含有硅的气体的热化学反 应沉积晶粒尺寸在10nm以下的单晶硅，所述的含有硅的气体可以是SiH4或者 Si2仏与氢气的混合气体；第三步，通过使用氧气、氧原子或者氮原子中的一 种，将单晶硅原子用氧原子或者氮原子连接起来。上述的三个步骤可以循环 进行，直到达到设定的纳米单晶硅的厚度。但是上述方法很难控制每一个纳 米单晶硅晶粒的尺寸，也难以控制形成的纳米单晶硅的数量。比4交常见的另一种形成纳米单晶硅的方法是退火处理法，主要是采用高化学当量的非晶氮化硅膜沉积形成纳米单晶硅颗粒。如美国专利号为6774061 的专利方案提供了一种形成纳米单晶硅的方法，具体的工艺为在硅基体上 形成二氧化硅层；在二氧化硅层上形成一个曝光的掩膜层；在掩膜层上形成 至少一个开口 ；通过掩膜层上所述的至少一个开口将硅离子植入二氧化硅层， 离子植入的能量在O.l 7keV;在700到800。C的情况下对半导体基体进行退火 处理，使植入的硅离子变成有序分布的的纳米单晶硅。但是本方法也很难控 制每一个納米单晶硅晶粒的尺寸，也难以控制形成的納米单晶硅的数量。由于上述形成纳米单晶硅的方法不能有效控制纳米单晶硅的数量、尺寸 和形状，因此，在使用上述方法制备的纳米单晶硅作为非挥发性存储器的浮 栅时，存储器的编程速度和数据保持能力很难同时得到提高。
技术实现思路
本专利技术解决的问题是针对现有技术中纳米单晶硅的形成工艺的缺陷，提 供一种纳米单晶硅形成方法，这种方法能够有效控制形成的纳米单晶硅晶粒 的数量和尺寸。本专利技术还提供了含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储 器的方法。本专利技术是通过下面的技术方案来实现的 一种纳米单晶硅的形成方法， 具体的工艺步骤为在半导体基体上形成富硅介质薄膜层； 将硅离子植入富硅介质薄膜层；对半导体基体进行退火处理，在富硅介质薄膜层中形成纳米单晶硅。所述的半导体基体可以是硅或者绝缘体上硅(SOI )。所述的富硅介质薄膜层可以是富硅氧化物SiOx (0<X<2)或者富硅氮氧 化物SiOxNy ( 0<X<1、 0<Y<1 )。所述的富硅介质薄膜层的折射率为1.48至1.98。硅离子植入时采用离子垂直植入的方式，环境中的硅离子的密度为lx1014至x 10个/cm2,比较优选的是4x 1015至1 x 10个/cm2,离子植入的 能量为50至300keV,比较优选的是100至120keV。对半导体基体在NH3、 N2、 Fb或者Ar氛围下进行退火处理，退火温度在 700到IOO(TC之间，可使富硅介质层中的原子分解成纳米单晶Si和硅的氧化 物或者硅的氮氧化物的形式。根据所采用的富硅介质中硅原子含量的不同，以及植入的硅离子密度的 不同，退火后形成的纳米单晶硅原子的密度在lxl010/cm2至lxl0/cm2之间, 微粒直径在1至10nm之间。对半导体基体进行退火处理的温度应该严格控制在700至IOO(TC之间，在上述的温度范围较易形成纳米单晶硅且有较低的热预算。另 一方面，本专利技术提供了含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器 的方法，本方法包括下列步骤在半导体基体上形成沟槽隔离结构； 在基体上形成一氧化层；在上述氧化层上形成多晶硅层和纳米单晶硅浮栅； 刻蚀上述多晶硅层、纳米单晶硅浮栅和氧化层形成控制门； 在半导体基体中形成漏源区； 在控制门上形成氮化物或者氮氧化物隔离层； 在隔离层上沉积层间导电层，并形成连接存储器内电路的触点。 上述的氧化层为隧道门氧化层，所述氧化物材料为氮氣化硅(SiON)、富 硅氧化物(SRO)、 Hf02、 Al2Cb或者SiN。上述在氧化层上形成多晶硅层和纳米单晶硅浮栅的工艺方法为在所述氧化层上沉积富硅介质薄膜； 在富硅介质薄膜层上沉积多晶硅层； 将硅离子通过多晶硅层植入富硅介质薄膜层；对半导体基体进行退火处理，在富硅介质薄膜层中形成纳米单晶硅。 所述的富硅介质薄膜层可以是富硅氧化物SiOx (0<X<2)或者富硅氮氧 化物SiOxNy ( 0<X<1、 0<Y<1 )。所述的富硅介质薄膜层的折射率为1.48至1.98，优选的折射率为1.58至1.80。上述硅离子植入时环境中的硅离子的密度为lxio至lxio个/cm2， 较好的是4 x 1015至1 x 10个/cm2。上述硅离子植入的能量为50至300keV，较好的是100至120keV。根据权利要求20所述的所述的含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存 储器的方法，其特征在于，硅离子植入的能量为。对半导体基体进行退火处理的退火温度为700至1000°C。对半导体基体进行退火处理后在富硅介质薄膜层中形成纳米单晶硅原子 的密度为lxl010/cm2至lxlOl2/cm2。晶硅层、纳米单晶硅浮栅和氧化层形成控制门的工艺为在多晶硅层上沉积 氮氧化硅抗反射介电覆膜，并喷涂光刻胶、曝光和显影，定义出控制门的位 置，然后清除控制门之外的氮氧化硅抗反射介电覆膜层、多晶硅层、富硅介 质薄膜层和隧道门氧化层。形成控制门后，每一控制门中包含的每一纳米单晶硅浮栅内含有的纳米 单晶硅粒子的数量为至100,粒子直径为lnm至10nm。上述含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器的方法，形成的隔离 层为氮化物或者氮氧化物。上述含有纳米单晶石圭浮4册的非挥发性半导体存卩诸器的方法，所述的层间介电层为高密度等离子体磷硅玻璃(HDPPSG)或者硼磷硅玻璃(BPSG)。上述含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器的方法，所述的触点 为金属鴒或者多晶硅。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点1、 本专利技术提供的纳米单晶硅的形成方法，由于采用的富硅介质薄膜中硅 原子的数量可以通过调整形成富硅介质薄膜的工艺参数进行控制，而且随后 在富硅介质薄膜中植入硅离子，植入的硅离子的密度也可以通过调节植入硅 离子时环境中硅离子的密度确定，因此，采用本专利技术提供的纳米单晶硅的形 成方法生成的纳米单本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，包括如下工艺步骤：在半导体基体上形成富硅介质薄膜层；将硅离子植入富硅介质薄膜层；对半导体基体进行退火处理，在富硅介质薄膜层中形成纳米单晶硅。

【技术特征摘要】
1、一种纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，包括如下工艺步骤在半导体基体上形成富硅介质薄膜层；将硅离子植入富硅介质薄膜层；对半导体基体进行退火处理，在富硅介质薄膜层中形成纳米单晶硅。2、 根据权利要求l所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，所述 的半导体基体为硅或者绝缘体上硅。3、 根据权利要求1所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，所述 的富硅介质薄膜层为富硅氧化物SiOx (0<X<2)或者富硅氮氧化物SiOxNy(0<X<1、 0<Y<1 )。4、 根据权利要求1或者3所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于， 所述的富硅介质薄膜层的折射率为1.48至1.98。5、 根据权利要求4所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，所述 的富硅介质薄膜层的折射率为1.58至1.80。6、 根据权利要求1所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，硅离 子植入时环境中的硅离子的密度为1 x 1014至1 x 10个/cm2。7、 根据权利要求1所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，硅离 子植入时环境中的硅离子的密度为4x 1015至1 x 10个/cm2。8、 根据权利要求1所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，硅离 子才直入的能量为50至300keV。9、 根据权利要求1所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，硅离 子植入的能量为100至120keV。10、 根据权利要求1所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，退火 温度为700至IOO(TC。11、 根据权利要求1所述的纳米单晶硅的形成方法，其特征在于，退火 后在富硅介质薄膜层中形成纳米单晶硅原子直径为1至10nm。12、 一种含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存储器的制造方法，其 特征在于，包括如下工艺步骤在半导体基体上形成沟槽隔离结构； 在基体上形成一氧化层；在上述氧化层上形成多晶硅层和納米单晶硅浮栅；刻蚀上述多晶硅层、纳米单晶硅浮栅和氧化层形成控制门；在半导体基体中形成漏源区；在控制门上形成氮化物或者氮氧化物隔离层；在隔离层上沉积层间导电层，并形成连接存储器内电路的触点。13、 根据权利要求12所述的含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存 储器的制造方法，其特征在于，所述的氧化层材料为氮氧化硅(SiON)、富硅 氧化物(SRO)、 Hf02、 Al203或者SiN。14、 根据权利要求12所述的含有纳米单晶硅浮栅的非挥发性半导体存 储器的制造方法，其特征在于，所述的在氧化层上形成多晶硅层和纳米单晶 硅浮柵的工艺方法为在所述氧化层上沉积富硅介质薄膜层； 在富硅介质薄膜层上沉积多晶硅层； 将硅离子通过多晶硅层植入富硅介质薄膜层； 对半导体基体进行退火处理，在富硅介质薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖德元，
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]