[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及一种电荷陷阱型存储器件、其制备方法及应用。

背景技术

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，我们发明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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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)_1-x作为存储层，其中1≥x≥0，M为ZrO₂或HfO₂。优选M为ZrO₂。通过调节沉积次数，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；

d)在存储层上形成阻挡层；

本发明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，x₀的范围有一定限制，优选c)步骤的x₀＝0.2。本领域技术人员可根据具体情况，选择合适的x₀值。