專利名稱：適用于快閃存儲(chǔ)器的高密度釕納米晶的原子層淀積制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬半導(dǎo)體制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及在氧化硅和高介電常數(shù)介質(zhì)薄膜表面制備高密度釕納米晶的方法，以用于納米晶閃存器件。
背景技術(shù)：
便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)的日益膨脹大大刺激了人們對(duì)快閃存儲(chǔ)器(即閃存器件)的需求。快閃存儲(chǔ)器正向著高速、低功耗和高存儲(chǔ)密度的方向發(fā)展，這要求快閃存儲(chǔ)器單元的物理尺寸進(jìn)一步縮小。傳統(tǒng)的多晶硅浮柵結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器已無法滿足未來存儲(chǔ)器的發(fā)展需求，因?yàn)楫?dāng)與硅襯底相連的隧穿氧化層厚度降低至幾個(gè)納米時(shí)，被俘獲的電荷很容易通過隧穿氧化層而返回到硅襯底中，從而導(dǎo)致電荷保存功能大大降低，而無法滿足實(shí)際的應(yīng)用[1]。這就需要用新的結(jié)構(gòu)和材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)多晶硅浮柵閃存結(jié)構(gòu)。納米晶閃存結(jié)構(gòu)采用半導(dǎo)體或金屬的納米顆粒來作為電荷俘獲中心，它們彼此之間被絕緣介質(zhì)隔離，納米晶中貯存的電荷不會(huì)自由移動(dòng)，因此隧穿層中局部的缺陷不會(huì)導(dǎo)致貯存的電荷大量流失，電荷的保存時(shí)間得以大大延長。這意味著隧穿氧化層的厚度能進(jìn)一步降低，從而使得納米晶閃存器件成為下一代嵌入式快閃存儲(chǔ)器的有力替代者[1-4]。
釕(Ru)金屬納米晶具有較大的功函數(shù)(～5eV)，故采用Ru作為電荷俘獲中心能提供很好的電荷保持特性。在快閃存儲(chǔ)器中，采用高介電常數(shù)介質(zhì)做隧穿氧化層，可以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)保存功能[4]。此外，Ru與高介電常數(shù)介質(zhì)間的化學(xué)穩(wěn)定性好，釕本身易于干法刻蝕，其氧化物仍為良好的導(dǎo)體。所以，Ru納米晶是閃存器件中很有應(yīng)用前景的電荷俘獲材料。
目前，用來制備金屬納米晶的方法主要分為兩大類膠狀懸浮液和直接淀積。前者是化學(xué)方法，其中涉及到一些化學(xué)試劑的采用，因此提供了潛在的污染源，與CMOS工藝不兼容，主要是用于反應(yīng)催化。直接淀積的方法包括電子束蒸發(fā)、濺射、離子注入、原子層淀積等方法，而電子束蒸發(fā)得不到大面積均勻的金屬層厚度，離子注入具有很差的空間可控性，參考文獻(xiàn)[1]H.I.Hanafi，S.Tiwari，and I.Khan，“Fast and long retention-time nano-crystal memory，”IEEE Trans.Electron Devices，vol.43，no.9，pp.1553-1558，Sep.1996. T.Usuki，T.Futatsugi，and N.Yokoyama，“A proposal of new floating-gate memory storinga small number of electrons with relatively long retention time at low voltage operations，”Microelectron.Eng.，vol.47，no.1-4，pp.281-283，Jun.1999. Z.Liu，C.Lee，V.Narayanan，G.Pei，and E.C.Kan，“Metal nanocrystal memories-Part IDevice design and fabrication，”IEEE Trans.Electron Devices，vol.49，no.9，pp.1606-1613，Sep.2002. J.J.Lee and D.-L.Kwong，“Metal nanocrystal memory with high-κtunneling barrier forimproved data retention，”IEEE Trans.Electron Devices，vol.52，no.4，pp.507-511，Apr.2005. Y A.Johansson，T.Torndahl，L.M.Ottosson，M.Boman，J.O.Carlsson，Materials Science &Engineering C.23(2003)823.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在氧化硅和高介電常數(shù)介質(zhì)上薄膜表面制備高密度Ru納米晶的方法。
本發(fā)明提出的制備高密度釕納米晶方法，是采用原子層淀積方法在氧化硅薄膜和高介電常數(shù)介質(zhì)(如HfO2，Al2O3等)薄膜上沉積高密度Ru納米晶，所得釕納米晶的平均直徑為5-20nm，密度為5×1010-5×1012cm-2。具體步驟如下(1)在經(jīng)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行清洗的硅片表面熱生長一層SiO2或采用原子層淀積的方法生長高介電常數(shù)介質(zhì)(如HfO2，Al2O3等)薄膜；(2)用原子層淀積的方法在步驟(1)制得氧化物薄膜上生長釕納米晶，反應(yīng)前體分別為RuCp2和氧氣(O2)；淀積溫度為280-350℃，反應(yīng)腔氣壓為1-5托，原子層淀積反應(yīng)循環(huán)數(shù)為10-400周期；單個(gè)反應(yīng)循環(huán)包括1-3秒鐘RuCp2載氣通入，2-10秒鐘氮?dú)獯迪矗?-3秒鐘氧氣通入，2-10秒鐘氮?dú)獯迪矗?3)高溫快速熱退火，退火溫度為800-900℃，退火時(shí)間為15-60秒。
本發(fā)明方法有以下優(yōu)點(diǎn)(1)釕納米晶的大小可以通過調(diào)控原子層淀積的反應(yīng)循環(huán)數(shù)來控制；(2)釕納米晶的形成溫度很低，大大降低了熱預(yù)算；(3)與現(xiàn)代納米CMOS工藝兼容。
(4)制備的納米晶適用于快閃存儲(chǔ)器。
附表說明表1為實(shí)施例1中，不同退火條件下得到的Ru納米晶的平均直徑和密度。
表1.




圖1實(shí)施例1中，原子層淀積200個(gè)周期后所得到的Ru納米晶的原子力掃描電子顯微鏡照片。
圖2實(shí)施例1中，原子層淀積200個(gè)周期后所得到的Ru納米晶的直徑大小統(tǒng)計(jì)分布。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1采用傳統(tǒng)工藝清洗硅片后，用原子層淀積方法生長3nm的高介電常數(shù)Al2O3薄膜，所采用的反應(yīng)源為三甲基鋁和水。然后，以二茂基釕(RuCp2)和氧氣為反應(yīng)源，采用原子層淀積方法在Al2O3薄膜上淀積Ru納米晶。在本實(shí)例中所采用的襯底溫度為330℃，反應(yīng)腔氣壓約2.5托，原子層淀積反應(yīng)循環(huán)數(shù)為200，單個(gè)反應(yīng)循環(huán)包括2秒鐘RuCp2載氣通入，2秒鐘氮?dú)獯迪矗?秒鐘氧氣通入，2秒鐘氮?dú)獯迪础Ｋ玫降腞u納米晶的平均直徑為14nm，密度為9×1010cm-2，如圖2所示。表2列出了不同退火條件對(duì)于Ru納米晶大小和密度的影響，可以看出退火后納米晶的尺寸增大，并且密度降低。這說明使用原子層淀積方法得到的Ru納米晶不需要快速熱退火處理即可得到小尺寸和較高密度的納米晶顆粒。
權(quán)利要求
1.一種適用于快閃存儲(chǔ)器的高密度釕納米晶的原子層淀積制備方法，其特征在于具體步驟如下(1)在經(jīng)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行清洗的硅片表面熱生長一層SiO2或采用原子層淀積的方法生長高介電常數(shù)介質(zhì)薄膜；(2)用原子層淀積的方法在步驟(1)制得氧化物薄膜上生長釕納米晶，反應(yīng)前體分別為RuCp2和氧氣；淀積溫度為280-350℃，反應(yīng)腔氣壓為1-5托，原子層淀積反應(yīng)循環(huán)數(shù)為10-400周期；單個(gè)反應(yīng)循環(huán)包括1-3秒鐘RuCp2載氣通入，2-10秒鐘氮?dú)獯迪矗?-3秒鐘氧氣通入，2-10秒鐘氮?dú)獯迪矗?3)高溫快速熱退火，退火溫度為800-900℃，退火時(shí)間為15-60秒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于快閃存儲(chǔ)器的高密度釕納米晶的原子層淀積制備方法，其特征在于所述的高介電常數(shù)介質(zhì)為HfO2或Al2O3。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制備工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種適用于快閃存儲(chǔ)器的高密度釕納米晶的原子層淀積制備方法。該方法包括在在硅片表面熱生長一層SiO
文檔編號(hào)H01L21/285GK101060077SQ20071004076
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月17日
發(fā)明者丁士進(jìn), 陳瑋, 張敏, 張衛(wèi) 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)