基于带隙调控的新型电荷陷阱型存储器、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种基于带隙调控的新型电荷陷阱型存储器件的制备方法，利用带隙调控的(ZrO2)x(Al2O3)1-x薄膜作为存储层，可用于信息存储和其它种类的集成电路中。带隙调控的(ZrO2)x(Al2O3)1-x具有如下特点：通过控制沉积过程每一种金属源的循环次数，调节存储层中Al的含量。使存储层中Al的含量先增大后减小，从而得到先增大后减小的存储层带隙。进入存储层的电子首先被浅能级的陷阱俘获，由于存储层带隙呈现先增大后减小的形状，电子有更多的机会通过侧向迁移跃迁到深能级陷阱。并且存储层带隙中间位置的势垒，使进入存储层的电子主要被限制在靠近隧穿层一侧，从而提高了存储器件的保持能力和编写速度。

Novel charge trap type memory based on band gap regulation, preparation method and application thereof

The invention discloses a method for preparing a new type charge trap memory device with gap regulation based on the band gap regulation (ZrO2) x (Al2O3) 1-x films as the storage layer, can be used for information storage and other types of integrated circuits. The band gap controlled (ZrO2) x (Al2O3) 1-x has the following characteristics: the amount of Al in the storage layer is regulated by controlling the number of cycles of each metal source during the deposition process. The content of Al in the storage layer increases first and then decreases, thus increasing the storage layer gap at first and then decreasing. The electrons entering the storage layer are captured by shallow energy traps first, and the band gap increases first and then decreases. The electrons have more opportunities to migrate to the deep level trap by lateral migration. Furthermore, the barrier in the middle of the memory layer gap causes the electrons entering the storage layer to be mainly limited to the side of the tunneling layer, thereby improving the retention ability and the writing speed of the memory device.

【技术实现步骤摘要】
基于带隙调控的新型电荷陷阱型存储器、其制备方法及应用
本专利技术涉及一种电荷陷阱型存储器件、其制备方法及应用。
技术介绍
自从非易失性半导体存储器诞生以来，浮栅型存储器一直是存储器市场上的主流产品，随着半导体器件特征尺寸逐渐缩小和集成度的不断提高，浮栅型非易失性存储器件已经很难满足存储器的微型化要求。特别是当半导体器件的特征尺寸减小到22nm以后，基于传统的浮栅型存储技术将走到物理和技术的极限。为了解决这一难题，多晶硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)型半导体存储器件被广泛地研究。在这类器件中，电子被Si3N4存储层中分立的陷阱捕获，起到存储的效果。由于，这些陷阱彼此分离，所以隧穿层中的缺陷不能泄露全部的存储电子，器件的保持性能得到改善，从而克服了传统浮栅型存储器件的弊端。但是，SONOS型半导体存储器件有一个致命的缺点，即当隧穿层厚度减小后，器件的编写速度加快，而数据保持能力下降；当隧穿层厚度增加后，数据保持能力提高，而器件的编写速度降低。因此，需找一种既能提高编写速度又不影响数据保持能力的存储器件成为众多半导体行业工作者研究的热点。采用高介电常数(high-k)的伪二元氧化物材料作为场效应晶体管中的栅介质层可以在保证对沟道有相同控制能力的条件下，栅介质层的物理厚度增大，于是，栅层与沟道间的直接隧穿电流将大大减小。正是基于这点考虑，许多研究人员试图利用high-k材料作为存储器中的电荷存储层，来提高器件的存储性能。到目前为止，大部分研究均集中在成分均匀的high-k存储层，关于成分变化的存储层研究很少。从器件的能带排列角度进行分析，一种合适的能带排列应该满足以下几个条件:1.存储层与隧穿层和阻挡层的界面处应具有大的能带补偿，以保持器件在低温下的数据保持能力。2.存储层中要有足够多的陷阱，满足大容量存储的需要。3.存储层中要有足够多的深能级陷阱，以提高器件在高温下的数据保持能力。4.器件的能带排列要尽可能的阻止进入存储层的电子向阻挡层泄漏。综合以上几点考虑，我们专利技术了一种基于带隙调控的新型电荷陷阱型存储器。利用原子层沉积(ALD)和脉冲激光沉积(PLD)沉积生长high-k伪二元氧化物存储层，通过改变每一种金属源的沉积次数，控制存储层的带隙，从而达到调控存储器件性能的目的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于带隙调控的电荷陷阱型存储器件的制备方法，操作简单，作为提高器件存储性能的带隙形状易于控制。本专利技术还提供上述制备方法得到的带隙调控的电荷陷阱型存储器件。本专利技术还提供上述制备方法得到的带隙调控的电荷陷阱型存储器件在信息存储和非易失性半导体存储器件中的应用。所述非易失性带隙调控电荷陷阱存储器件的制备方法包括以下步骤:a)将硅(Si)衬底放入适量丙酮中，超声清洗后，用去离子水超声清洗，漂洗掉衬底表面残留的杂质，然后用高纯氮气吹干后放入反应腔以备沉积薄膜；b)在衬底表面形成隧穿层；C)在隧穿层上制备伪二元高介电常数薄膜(M)x(Al2O3)1I作为存储层，其中I≥X≥0，M为ZrO2或Hf02。优选M为Zr02。通过调节沉积次数，使x值从I开始逐渐减小，当X = Xtl时停止，其中，I > X0 > O ;而后使X值再逐渐增大，当X = I时停止；d)在存储层上形成阻挡层；本专利技术基于伪二元高介电常数材料作为存储层，通过调节每一种金属源的沉积次数，使X值从I开始逐渐减小，当X = Xtl时停止，其中，I > X0 > O ;而后使X值再逐渐增大，当X = I时停止；这样，使得存储层中的Al含量呈现先增大后减小的趋势。由于存储层薄膜的带隙高度随着Al含量的增加而增加，所以得到的存储层带隙表现出先增大后减小的形状。通过控制Al原子在存储层中含量的变化，实现了对带隙的调控；作为常识，为了能够达到提高存储器件性能的目的，Xtl的范围有一定限制，优选c)步骤的Xtl = 0.2。本领域技术人员可根据具体情况，选择合适的Xtl值。在隧穿层上形成(M) x (Al2O3) ^薄膜的方法优选为:以(ZrO2) JAIAL作为存储层，ZrCl4和Al (CH3) 3作为金属源，利用原子层沉积生长(ZrO2) x (Al2O3) 薄膜，沉积温度控制在300°C。优选所述隧穿层为SiO2，阻挡层为Al2O3，进一步优选所述隧穿层、存储层和阻挡层的厚度分别为4nm、10nm和12nm。衬底采用Si,优选p-Si,电阻率3~20 Ω.cm。当然，本专利技术还应在阻挡层上面沉积钼、铝、TaN或者HfN等公知材料作为上电极，优选钼作为电极。上述制备方法所得带隙调控的电荷陷阱型存储器件，包含顺序连接的隧穿层、存储层和阻挡层，利用带隙调控的(ZrO2)x(Al2O3)1I为存储层，高分辨透射电子显微结构如图1所示。上述制备方法所得电荷陷阱型存储器件在信息存储和非易失性半导体存储器件中的应用，可以用器件的能带排列解释，如图2所示:a)当钼电极相对与Si衬底施加一个正电压，电场由钼电极指向Si衬底。随着施加电压的增加，电场强度不断增加。Si衬底表面达到反型，形成表面电子通道，电子在电场作用下隧穿过SiO2隧穿层，进入到(ZrO2)x(Al2O3)1I存储层，该过程就是该非易失性电荷捕获型存储器件的写入过程。b)进入存储层的电子首先被浅能级的陷阱俘获，由于存储层的带隙呈现先增大后减小的形状，这就使电子有更多的机会通过侧向迁移跃迁到深能级陷阱。并且，存储层的带隙在中间处有一个势垒峰值，从而使进入存储层的电子很难越过势垒，向阻挡层方向移动。c)当切断电源，电子被存储在(ZrO2)x(Al2O3) h存储层中，从而起到电荷存储的效果。作为该领域的常识，被存储层俘获的电子主要有陷阱-带隧穿和热激发隧穿两种漏电方式。低于50°C，陷阱-带隧穿机制占主导地位，而当温度高于50°C后，热激发成为主要漏电方式。存储层与隧穿层界面处的导带补偿越大，陷阱-带隧穿几率越小；存储层中被深能级陷阱俘获的电子越多，热激发漏电的几率越小。上述方法制备的带隙调控的电荷陷阱存储器件不仅具有大的导带补偿，而且存在更多的深能级电子，从而器件的数据保持能力得到提闻。上述方法制备的带隙调控的电荷陷阱存储器能够很好的提高器件的写入速度，如图3所示。a)钼电极相对与Si衬底施加一个短时间正脉冲电压，如图3 (a)，Si衬底的电子在电场的作用下，注入到存储层当中，该操作为电荷陷阱存储器的写入过程。作为该领域的技术常识，器件的写入速度取决于注入电子密度(J注入电子)与穿过阻挡层的泄漏电子密度(Jittg电子)之间的动态平衡。由于带隙调控的存储层的导带呈现先增大后减小的趋势，使注入到存储层的电子很大程度的被限制在靠近隧穿层一侧，降低了泄漏的几率，因此提高了器件的写入速度。b)钼电极相对与Si衬底施加一个短时间负脉冲电压，如图3(b)，Si衬底的空穴在电场的作用下，注入到存储层当中，该操作为电荷陷阱存储器的擦除过程。同理，擦除速度的提高同样取决于注入空穴密度CJ注人空穴)和泄漏空穴密度密度之间的平衡。由于带隙调控的(ZrO2)x(Al2O3)1I存储层的价带呈现先增大后减小的趋势，使注入的空穴主要被限制在靠近隧穿层一侧，降低了泄漏的几率，从而提高了器件的擦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于带隙调控的新型电荷陷阱型存储器的制备方法，其特征在于具体步骤如下：a)利用热氧化方法在硅(Si)衬底表面生长一层SiO2，作为隧穿层；b)以ZrCl4和Al(CH3)3作为沉积过程的金属源，O3作为氧源，利用原子层沉积方法在SiO2表面反应生成带隙调控的(ZrO2)x(Al2O3)1?x，形成存储层；通过调控沉积过程中每一种金属源的循环次数，控制x值。使x值从1开始逐渐减小，当x＝x0时停止，其中，1＞x0＞0；而后使x值再逐渐增大，当x＝1时停止；这样，使得存储层中的Al含量呈现先增大后减小的趋势。由于存储层薄膜的带隙高度随着Al含量的增加而增加，所以得到的存储层带隙表现出先增大后减小的形状。通过控制Al原子在存储层中含量的变化，实现了对(ZrO2)x(Al2O3)1?x存储层带隙的调控；c)以Al(CH3)3作为金属源，O3作为氧源，利用原子层沉积方法在(ZrO2)x(Al2O3)1?x存储层表面沉积一层Al2O3作为阻挡层。

【技术特征摘要】
1.一种基于带隙调控的新型电荷陷阱型存储器的制备方法，其特征在于具体步骤如下: a)利用热氧化方法在硅(Si)衬底表面生长一层SiO2，作为隧穿层； b)以ZrCl4和Al(CH3)3作为沉积过程的金属源，O3作为氧源,利用原子层沉积方法在SiO2表面反应生成带隙调控的(ZrO2) X(Al2O3)1Y形成存储层；通过调控沉积过程中每一种金属源的循环次数，控制X值。使X值从I开始逐渐减小，当X = Xtl时停止，其中，I > X0 >O ;而后使X值再逐渐增大，当X = I时停止；这样，使得存储层中的Al含量呈现先增大后减小的趋势。由于存储层薄膜的带隙高度随着Al含量的增加而增加，所以得到的存储层带隙表现出先增大后减小的形状。通过控制Al原子在存储层中含量的变化，实现了对(ZrO2)x (Al2O3) h存储层带隙的调控；c)以Al(CH3) 3作为金属源，O3作为氧源，利用原子层沉积方法在(ZrO2) x (Al2O3) 存储层表面沉积一层Al2O3作为阻挡层。2.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤振杰，李荣，
申请(专利权)人：安阳师范学院，
类型：发明
国别省市：