基于HfxSi1‑xO2多元氧化物存储材料的电荷存储器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种HfxSi1‑xO2电荷存储材料，借助磁控溅射制备电荷存储器件的方法，可用于非易失性信息存储器件中。其包括将硅衬底置于三靶磁控溅射的衬底台上，然后利用磁控溅射在硅衬底表面顺序生长Hf0.1‑0.2Si1‑xO2隧穿层、Hf0.8‑0.9Si1‑xO2存储层、Hf0.1‑0.2Si1‑xO2阻挡层和金电极，形成电荷存储器件。

【技术实现步骤摘要】
基于HfxSi1-xO2多元氧化物存储材料的电荷存储器件及其制备方法
本专利技术属微电子器件及其材料领域，涉及一种HfxSi1-xO2多元氧化物电荷存储材料及其在非易失性电荷存储器件中的应用。
技术介绍
随着半导体器件特征尺寸逐渐缩小和集成度的不断提高，传统的浮栅型非易失性存储器件已经很难满足市场的需求。近年来，金属(Metal)-二氧化硅(SiO2)-氮化硅(Si3N4)-二氧化硅(SiO2)-硅衬底(Si)型(MONOS)电荷存储器成为替代浮栅型存储器的候选结构。MONOS电荷存储器结构的主要特点是利用Si3N4替代传统浮栅结构中的多晶硅浮栅存储电荷；紧靠硅衬底的SiO2作为隧穿层，紧靠金属栅极的SiO2作为阻挡层，形成三明治结构；Si3N4存储的电荷被限制在两层SiO2形成的势阱中，从而达到存储电荷的效果。但是，该类型结构存在以下缺点：1)隧穿层SiO2厚度不断减小，漏电流增大，器件功耗严重；2)存储层Si3N4的陷阱态密度不高，电荷存储密度较低；3)存储层Si3N4的缺陷态具有复杂的能级分布，部分被浅能级缺陷态俘获的电荷极易逃逸，导致器件可靠性下降。为了解决以上问题，选用多元氧化物材料替代Si3N4提高结构的缺陷态密度成为研究的热点，而隧穿层和阻挡层的研究较少。从器件漏电流和能带角度考虑，合适的器件应符合以下几个条件：1)存储层具有较大的缺陷态密度，以提高存储密度；2)隧穿层和阻挡层能够有效地阻挡电荷泄漏，并且与存储层之间能形成较深的势垒；3)器件的制备工艺简单，容易操作。综合以上几点考虑，我们专利技术了一种磁控溅射方法制备多元氧化物基电荷存储器的方法。借助磁控溅射方法，在硅衬底上顺序生长多元氧化物隧穿层、存储层、阻挡层和金属电极。通过磁控溅射沉积系统实现器件结构的制备，并且达到提高器件缺陷态密度和形成有效势阱的目的。
技术实现思路
本专利技术提供了一种多元氧化物电荷存储材料、制备方法及在电荷存储器件中的应用。本专利技术还提供了利用上述多元氧化物电荷存储材料，借助磁控溅射制备多元氧化物基电荷存储器件的方法，操作简单，能带中势阱容易形成。本专利技术还提供上述制备方法得到的多元氧化物薄膜基电荷存储器件在非易失性存储器件中的应用。本专利技术的技术方案是：多元氧化物存储材料为HfxSi1-xO2，x取值范围分为两类，第一类x为0.1-0.2，第二类x为0.8-0.9。制备HfxSi1-xO2陶瓷靶材时，选取HfO2和SiO2粉体，经过球磨机湿磨36小时后，烘干，利用压片机在20-25MPa的压力下成型，最后在1400℃下烧制10小时。制备两类x值不同的陶瓷靶材，第一类x值在0.1-0.2范围内(Hf0.1-0.2Si1-xO2)，第二类x值在0.8-0.9范围内(Hf0.8-0.9Si1-xO2)。所述多元氧化物薄膜基电荷存储器件的制备方法包括以下步骤：a)将硅衬底置于稀释氟化氢溶液中去除表面氧化物，然后放入三靶磁控溅射沉积腔体内的衬底台上，等待在表面生长薄膜；将Hf0.1-0.2Si1-xO2(靶材1)和Hf0.8-0.9Si1-xO2(靶材2)的陶瓷靶材分别置于磁控溅射沉积腔的1号和2号靶台上，将金靶材(靶材3)置于3号靶台上，如图1a)所示；b)利用金属挡板，将2号和3号靶台上的陶瓷靶材和金靶材挡住，打开1号金属挡板，利用磁控溅射的方法在硅衬底表面生长一层Hf0.1-0.2Si1-xO2多元氧化物薄膜作为隧穿层，如图1b)所示；c)紧接着利用金属挡板将1号和3号靶台上的陶瓷靶材和金靶材挡住，打开2号金属挡板，利用磁控溅射的方法在之前生长的Hf0.1-0.2Si1-xO2隧穿层表面生长一层Hf0.8-0.9Si1-xO2多元氧化物薄膜作为电荷存储层，如图1c)所示；d)随后利用金属挡板将2号和3号靶台上的陶瓷靶材和金靶材挡住，打开1号金属挡板，利用磁控溅射的方法在之前生长的Hf0.8-0.9Si1-xO2存储层表面生长一层Hf0.1-0.2Si1-xO2多元氧化物薄膜作为阻挡层，如图1d)所示；e)最后利用金属挡板将1号和2号靶台上的陶瓷靶材挡住，打开3号金属挡板，利用磁控溅射的方法在之前生长的阻挡层表面生长一层金(Au)电极，如图1e)所示；f)利用磁控溅射方法制备电荷存储器件的结构如图2所示。本专利技术选用HfxSi1-xO2多元氧化物，通过改变x值，并借助磁控溅射的方法在硅衬底上顺序生长隧穿层、存储层、阻挡层和金电极。作为常识，HfxSi1-xO2多元氧化物中x值决定了氧化物的禁带宽度，x值小，薄膜的禁带宽度大，x值大薄膜的禁带宽度小。因此，为了形成势阱，隧穿层、存储层和阻挡层中x值有一定范围，优选Hf0.1-0.2Si1-xO2陶瓷靶材中x＝0.1，Hf0.8-0.9Si1-xO2陶瓷靶材中x＝0.9，本领域研究人员可根据具体情况，选取适当的x值；器件中的电极可选择铂、金、铝和多晶硅等公知材料，优选Au作为电极；考虑到器件小型化的要求，优选所述隧穿层、存储层、阻挡层和金电极的厚度分别为2nm、5nm、8nm和50nm；器件中的衬底可选用Ge或Si，优选p-Si。上述利用磁控溅射制备的多元氧化物薄膜基电荷存储器件在非易失性半导体存储器中的应用，可以用能带图解释，如图3所示：a)当Au电极相对p-Si衬底施加一个正电压，电场由金电极指向p-Si衬底。衬底中的电子在电场力的作用下隧穿过隧穿层进入存储层，被存储层中位于隧穿层/存储层界面、存储层体内以及存储层/阻挡层界面处的缺陷俘获，这个过程是电荷存储器的写入操作，如图3a)所示。隧穿层、存储层和阻挡层形成的势阱，阻止了电子向阻挡层方向的泄露，从而达到存储电荷的效果。b)当Au电极相对p-Si衬底施加一个负电压，电场由p-Si衬底指向金电极。存储层俘获的电子在电场力的作用下隧穿过隧穿层回到p-Si衬底的导带，这个过程是电荷存储器的擦除操作，如图3b)所示。使用磁控溅射制备的HfxSi1-xO2多元氧化物薄膜基电荷存储器件具有以下有益效果：图4显示了，p-Si/Hf0.1Si0.9O2/Hf0.9Si0.1O2/Hf0.1Si0.9O2/Au、p-Si/Hf0.1Si0.9O2/HfO2/Hf0.1Si0.9O2/Au和p-Si/SiO2/Hf0.9Si0.1O2/SiO2/Au三种电荷存储器件的数据保持能力。从图中可以看出，p-Si/Hf0.1Si0.9O2/Hf0.9Si0.1O2/Hf0.1Si0.9O2/Au器件，具有最小的电荷损失量，存储性能最佳。这主要是因为，相比于纯HfO2电荷存储层，Hf0.9Si0.1O2多元氧化物存储层，具有较高的结晶温度，存储层中具有较低的晶界密度，减小了电子泄漏的几率，提高了电荷保持能力；另外，相比于纯HfO2电荷存储层，Hf0.9Si0.1O2存储层具有更多的深能级缺陷态密度，被深能级陷阱俘获的电子不容易发生泄漏，提高了电荷保持能力。相比于纯的SiO2作为隧穿层和阻挡层，利用Hf0.1Si0.9O2多元氧化物作为隧穿层和阻挡层，增加了隧穿层与存储层、存储层和阻挡层界面处的深能级陷阱，提高了器件的电荷保持能力；另外，纯的SiO2，Hf0.1Si0.9O2具有较高的介电常数，减小了电荷向隧穿层和阻挡层方向的泄漏，进而提高了器件的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电荷存储器件中的存储材料，其特征在于所述存储材料为HfxSi1‑xO2多元氧化物，x取值分为两类，第一类x在0.1‑0.2范围内取值(Hf0.1‑0.2Si1‑xO2)，第二类x在0.8‑0.9范围内取值(Hf0.8‑0.9Si1‑xO2)。

【技术特征摘要】
1.一种电荷存储器件中的存储材料，其特征在于所述存储材料为HfxSi1-xO2多元氧化物，x取值分为两类，第一类x在0.1-0.2范围内取值(Hf0.1-0.2Si1-xO2)，第二类x在0.8-0.9范围内取值(Hf0.8-0.9Si1-xO2)。2.如权利要求1所述的电荷存储器件中的存储材料，其特征在于制备时选用HfO2和SiO2粉体，经过球磨机湿磨36小时后，烘干，利用压片机在20-25MPa的压力下成型，最后在1400℃下烧制10小时。3.如权利要求1或2所述的电荷存储材料在非易失性电荷存储器中的应用，其特征在于借助磁控溅射在硅衬底上顺序生长Hf0.1-0.2Si1-xO2隧穿层、Hf0.8-0.9Si1-xO2存储层、Hf0.1-0.2Si1-xO2阻挡层和Au电极。4.如权利要求3所述的电荷存储材料在非易失性电荷存储器中的应用，其特征在于Hf0.1-0.2Si1-xO2隧穿层厚度为1.5-3.5nm、Hf0.8-0.9Si1-xO2存储层厚度为4-10nm、Hf0.1-0.2Si1-xO2阻挡层厚度为6-12nm和金电极厚度为50-200nm。5.如权利要求3或4所述的电荷存储器件，其特征在于隧穿层、存储...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤振杰，李荣，张希威，
申请(专利权)人：安阳师范学院，
类型：发明
国别省市：河南,41