基于非易失存储应用的新型金属纳米晶薄膜制备工艺

摘要

与传统浮栅结构的非易失存储器相比，基于分布式电荷俘获存储机理的金属纳米晶存储器，具有更低的操作电压和更强的数据保持能力，并且能解决当集成工艺节点进入65nm以下时，器件尺寸可持续缩小的难题，而被视为最有前途的下一代非易失存储器之一。薄膜沉积后退火纳米晶化法是目前应用最广的金属纳米晶制备方法。但其后续600~900℃高温退火会带来高热预算等一系列问题，影响工艺的集成性，恶化器件的电学特性和可靠性。 本文提出了与CMOS工艺完全兼容、工艺简单、热预算低的金属纳米晶制备的新方法—控制氧化层沉积过程中的同步金属薄膜原位纳米晶化法，可有效地改善上述薄膜沉积后退火纳米晶化法的不足。并依次对同步金属薄膜原位纳米晶化法进行了机理研究，通过实验采用该工艺制备了钨金属纳米层，对实验结果进行了观察、分析和讨论。 实验结果表明：（1）在控制氧化层溅射沉积过程中对硅基底同步加热（仅需300℃），可有效地促使底层3nm的钨金属层纳米晶化，即可形成尺寸约为25nm左右的纳米晶；（2）控制氧化层溅射沉积过程中，溅射原子入射硅片表面所带来的初始能量与加热硅片所带来的热量相复合，只要足以提供纳米晶化激活能所需的能量，就能促使表层金属薄膜的纳米晶化。 本文同时考虑了未来金属纳米晶存储器隧穿氧化层高介电常数（k）化的趋势，采用氧化铝作为介质层，制备了铝金属纳米晶存储器件结构。实验结果的不理想揭示了实验过程中的一系列问题，总结了经验与教训，以期在经后的研究中得到改进。 最后对本文进行了总结，计划了下阶段的研究内容，并对未来金属纳米晶存储器的研究进行了展望。