专利名称：适用于快闪存储器的高密度钌纳米晶的溅射沉积制备方法
技术领域：
本发明属半导体制备工艺技术领域，具体涉及在氧化硅和高介电常数介质薄膜表面制备高密度钌纳米晶的方法，以用于纳米晶闪存器件。
背景技术：
便携式电子产品市场的日益膨胀大大刺激了人们对快闪存储器(即闪存器件)的需求。快闪存储器正向着高速、低功耗和高存储密度的方向发展，这要求快闪存储器单元的物理尺寸进一步缩小。传统的多晶硅浮栅结构存储器已无法满足未来存储器的发展需求，因为当与硅衬底相连的隧穿氧化层厚度降低至几个纳米时，被俘获的电荷很容易通过隧穿氧化层而返回到硅衬底中，从而导致电荷保存功能大大降低，而无法满足实际的应用[1]。这就需要用新的结构和材料来代替传统多晶硅浮栅闪存结构。纳米晶闪存结构采用半导体或金属的纳米颗粒来作为电荷俘获中心，它们彼此之间被绝缘介质隔离，纳米晶中贮存的电荷不会自由移动，因此隧穿层中局部的缺陷不会导致贮存的电荷大量流失，电荷的保存时间得以大大延长。这意味着隧穿氧化层的厚度能进一步降低，从而使得纳米晶闪存器件成为下一代嵌入式快闪存储器的有力替代者[1-4]。
钌(Ru)金属纳米晶具有较大的功函数(～5eV)，故采用Ru作为电荷俘获中心能提供很好的电荷保持特性。在快闪存储器中，采用高介电常数介质做隧穿氧化层，可以实现更好的数据保存功能[4]。此外，Ru与高介电常数介质间的化学稳定性好，钌本身易于干法刻蚀，其氧化物仍为良好的导体。所以，Ru纳米晶是闪存器件中很有应用前景的电荷俘获材料。
目前，用来制备金属纳米晶的方法主要分为两大类胶状悬浮液和直接淀积。前者是化学方法，其中涉及到一些化学试剂的采用，因此提供了潜在的污染源，与CMOS工艺不兼容，主要是用于反应催化。直接淀积的方法包括电子束蒸发、溅射、离子注入、原子层淀积等方法，而电子束蒸发得不到大面积均匀的金属层厚度，离子注入具有很差的空间可控性。
参考文献[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.
发明内容
本发明的目的是提供一种在氧化硅和高介电常数介质上薄膜表面制备高密度Ru纳米晶的方法。
本发明提出的制备高密度钌纳米晶方法，是采用溅射方法在氧化硅薄膜和高介电常数介质(如HfO2，Al2O3等)薄膜上沉积高密度Ru纳米晶，得到的纳米晶的平均直径为5-25nm，密度为1×1011-5×1012cm-2。Ru纳米晶的大小和密度通过金属Ru初始厚度和高温热处理条件(快速热退火的温度和时间)来控制。具体步骤如下(1)在经传统工艺进行清洗的硅片表面热生长一层SiO2，或采用原子层淀积的方法生长高介电常数介质(如HfO2，Al2O3等)薄膜；(2)采用溅射(包括离子束溅射和磁控溅射)方法，在步骤(1)中形成的氧化物薄膜上溅射淀积超薄金属Ru，厚度为2-5nm。所用的溅射靶为钌靶；(3)高温快速热退火，退火温度为700-1000℃，退火时间为10-300秒。
本发明具有以下优点(1)所有工艺步骤与CMOS工艺相兼容，不会引入污染，能得到较均匀的、呈两维分布的Ru纳米晶。
(2)Ru纳米晶的尺寸大小和密度可以通过初始Ru层厚度和淀积后热退火的温度和时间来控制，操作简单。
(3)制备得到的钌纳米晶可适用于快闪存储器。
附表说明表1为实施例1中，在900℃退火不同时间后所得的Ru纳米晶的平均直径和密度。
表1.
图1为实施例1中，采用离子束溅射得到的金属Ru，后经过900℃退火15s得到的Ru纳米晶的直径大小分布图(所选样品面积为760nm×570nm)。
具体实施例方式
实施例1采用传统工艺清洗硅片后，用原子层淀积方法生长3nm的高介电常数介质Al2O3，所采用的反应源为三甲基铝和水。然后，采用离子束溅射方法在Al2O3上淀积超薄钌金属层，溅射速率为1埃/秒，溅射时间为45秒。随后在700-1000℃范围内不同温度下进行快速热退火，退火时间控制在15-300秒。当退火条件为900℃、15s时，得到的Ru纳米晶的密度为1.6×1011cm-2，平均直径为20nm。具体的Ru纳米晶直径统计分布如图1所示，表明了纳米晶直径分布范围较窄，且呈高斯分布。表1列出了900℃下不同退火时间对Ru纳米晶的直径与密度的影响。从表中可以看出退火时间的变化对钌纳米晶的大小和密度影响不大。本实例中所得到的钌纳米晶具有高密度和均匀分布的特点，可应用于纳米晶快闪存储器中。
权利要求
1.一种适用于快闪存储器的高密度钌纳米晶的溅射沉积制备方法，其特征在于具体步骤如下(1)在经传统工艺进行清洗的硅片表面热生长一层SiO2，或采用原子层淀积的方法生长高介电常数介质薄膜；(2)采用溅射方法，在步骤(1)中形成的氧化物薄膜上溅射淀积超薄金属Ru，厚度为2-5nm，所用的溅射靶为钌靶；(3)高温快速热退火，退火温度为700-1000℃，退火时间为10-300秒。
2.根据权利要求所述的适用于快闪存储器的高密度钌纳米晶的溅射沉积制备方法，其特征在于所述的高介电常数介质为HfO2或Al2O3。
全文摘要
本发明属于半导体制备工艺技术领域，具体为一种适用于快闪存储器的高密度钌纳米晶的溅射沉积制备方法。该方法包括在在硅片表面热生长一层SiO
文档编号H01L21/285GK101060078SQ200710040770
公开日2007年10月24日 申请日期2007年5月17日 优先权日2007年5月17日
发明者丁士进, 陈玮, 张敏, 张卫 申请人:复旦大学