3D架构水平非晶硅沟道的硅量子点闪存及其制备方法

本发明涉及一种3d硅量子点存储器阵列及其制备方法，属于非挥发性存储器。

背景技术：

1、随着大数据和云计算时代的到来，新一代低功耗、高密度闪存器件的需求已经成为当前信息社会重要的硬件基础，虽然通过缩小半导体存储器工艺尺寸可以提高其集成密度，但是当前的cmos工艺技术已经接近其物理极限，进一步的缩小将面临很多技术难题。而3d架构的存储技术打破传统存储器的平面二维概念，从平面向三维方向发展，可以采用大工艺尺寸获得高密度的集成，特别是纳米硅浮栅存储器由于其分立电荷存储的优势，在写入和擦除过程中电荷可以独立存储在彼此分立的纳米硅中，避免了市场上的多晶硅浮栅存储器面临的问题“一处漏电，全体漏光”。另外纳米硅浮栅存储器的隧穿层较薄，可以在较小的工作电压下完成写入和擦除的工作，实现低功耗，截止目前为止，关于基于3d架构水平非晶硅沟道的纳米硅浮栅存储器的设计和制备还未见报道。近年来南京大学在纳米硅浮栅存储器方面取得较快的研究进展，针对平面架构的纳米硅浮栅存储器进行了深入研究(1-2)，当前计算机的存储器密度和计算速度还有待进一步提高，如何把水平非晶硅沟道应用于3d架构高密度纳米硅浮栅存储器具有重要的研究意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提出一种3d架构水平沟道量子点存储器阵列，从而满足微电子科学技术发展对降低非挥发性存储器件功耗的需求。同时给出其制备方法，该方法与当前的微电子工艺相兼容，从而可以切实应用于未来的硅基纳米电子学器件。为了达到以上目的，本发明的技术方案特征在于：以多层水平非晶硅层为存储器单元的沟道，隧穿氧化层、纳米硅层和铪铝氧控制层组成的三明治结构附着在以氧化层为隔离层的多层非晶硅沟道的表面，形成硅量子点浮栅结构，采用大氢稀释的方法获得硅量子点，本发明的纳米硅尺寸和密度可通过硅烷和氢气的流量比进行调控。与现有非挥发性存储器件中的浮栅存储器相比，本发明的优点在于纳米硅的分立电荷存储能力可以有效的防止漏电，铪铝氧控制层可以较好的实现存储层的隔离，使电荷存储在纳米硅层中，防止向顶部金属电极方向传递。

2、本发明设计的3d架构水平非晶硅沟道的硅量子点闪存的制备方法包括以下步骤：

3、第一步、构筑多层非晶硅沟道

4、1.1采用高温热氧化的方法在单晶硅表面获得300纳米厚的氧化硅层，通过pecvd技术和原子层沉积技术在氧化硅层表面交替沉积100纳米的非晶硅和500纳米的氧化铝层，获得2个周期的以氧化硅层作为隔离层的多层非晶硅薄膜。

5、1.2在以氧化硅作为隔离层的多层非晶硅薄膜表面旋涂光刻胶，曝光显影后获得工字型光刻胶，以光刻胶为掩膜对其进行刻蚀，获得工字型水平多层非晶硅沟道。

6、第二步、构筑硅量子点浮栅存储层；

7、2.1在工字型水平多层非晶硅沟道表面沉积氧化铝和纳米硅，采用原子层沉积技术在最上层纳米硅表面沉积铪铝氧控制层，形成硅量子浮栅层。

8、第三步、构筑硅量子点浮栅存储器的源、漏、栅三个电极；

9、3-1、在工字型水平多层非晶硅沟道表面旋涂光刻反胶，曝光显影后在工字型沟道两端获得圆形的光刻胶洞，其他区域的光刻胶保留，以保留的光刻胶为掩膜刻蚀浮栅层，获得圆形孔洞，孔洞深度达到非晶硅层，作为未来的源漏接触点，按照相同的方法，再旋涂光刻胶1次，刻蚀1次，完成2层非晶硅层的源漏电极孔的制备，然后在器件表面旋涂光刻反胶，曝光显影后在工字型沟道中间段获得垂直沟道的长方形光刻胶孔洞和原来留下的两层源漏电极孔，采用热蒸发技术在在器件表面沉积金属铝，去除光刻胶，栅电极孔和源漏电极孔中沉积的金属铝做为栅电极和源漏电极。

10、总之，本发明以3d架构水平非晶硅沟道纳米硅浮栅存储器作为存储信息的载体，可以通过纳米硅层进行电荷的存储，利用多层非晶硅沟道的制备，实现空间位置上的三维存储，该器件的工艺与传统的半导体工艺相兼容，为高密度存储器的产业化奠定了基础。

技术特征：

1.一种3d架构水平非晶硅沟道硅量子点浮栅存储器，属于非挥发性存储器技术领域。其特征在于：还包括氧化硅作为隔离层的多层非晶si沟道，所述非晶硅沟道的左右两端作为浮栅存储器的源漏电极，以及硅量子点浮栅层，所述硅量子点浮栅层由隧穿氧化层，纳米硅层和高k介质控制层组成。

2.根据权利要求1所述的3d架构水平非晶硅沟道硅量子点浮栅存储器，其特征在于：非晶硅沟道可通过pecvd技术沉积，无需进行离子注入就可以为纳米硅浮栅存储器提供耗尽型沟道。

3.根据权利要求2所述的3d架构水平非晶硅沟道硅量子点浮栅存储器，其特征在于：非晶硅沟道的厚度为100纳米，纳米硅尺寸为5-10，隧穿氧化层的厚度为3纳米，高k控制层的厚度为20-30纳米。

4.根据权利要求1所述的3d架构水平非晶硅沟道硅量子点浮栅存储器的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：

技术总结
本发明涉及3D架构水平非晶硅沟道的硅量子点闪存及其制备方法，属于非挥发性存储器技术领域。该存储器的特征在于：以多层非晶硅作为存储器件沟道，并以氧化硅作为隔离层，所述非晶硅两端作为浮栅存储器沟道的源漏电极，所述硅量子点浮栅由隧穿层、纳米硅层和高K介质控制层组成；在控制层表面沉积金属层，形成栅电极；本发明与当前的微电子工艺技术相兼容，硅量子点浮栅存储器由于其分立电荷存储的优势，在写入和擦除过程中电荷可以独立存储在彼此分立的纳米硅中，另外纳米硅浮栅存储器的隧穿层较薄，可以在较小的工作电压下完成写入和擦除的工作，实现低功耗。

技术研发人员：马忠元,冷康敏,朱旭,陈坤基,徐骏,徐岭,李伟
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13