真空管闪存结构及其制造方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种真空管闪存结构及其制造方法。

背景技术：

真空管(vacuumtube)是一种电子组件，在电路中控制电子的流动。参与工作的电极被封装在一个真空的容器内(管壁大多为玻璃)，因而得名。在二十世纪中期前，因半导体尚未普及，基本上当时所有的电子器材均使用真空管，形成了当时对真空管的需求。但在半导体技术的发展普及和平民化下，真空管因成本高、不耐用、体积大、效能低等原因，最后被半导体取代了。但是可以在音响、微波炉及人造卫星的高频发射机看见真空管的身影。部份战斗机为防止核爆造成的电磁脉冲损坏，机上的电子设备亦采用真空管，真空管结构如图1所示，其包括基极1、集电极3、发射极2及发热电阻丝5，电子4由发射极2流向集电极3。

早期的电子器件中真空管用来放大、开关或调节电信号。然而，随着半导体技术的发展，几十年以来，固态组件已经取代了真空管，例如金氧半场效晶体管(mosfet)、双极接面晶体管(bjt)及二极管。

然而，真空管依然在音响系统和高功率无线电基站使用。这是由于真空管比固态组件的环境耐性更好，可以在高温及各种辐射环境中使用。真空原理上是优于固体载体的传输媒介。电子在真空的速度是理论上3×10¹⁰厘米/秒，但在半导体中的速度仅仅为5×10⁷厘米/秒。因此真空管在某些需求中的表现远比固态组件优越。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种真空管闪存结构及其制造方法，利用业界通用 的半导体标准制程制造，且具有更好的程序设计、擦除速度及储存时间，同样还能够获得优越的栅极控制性能及极小的栅极漏电流。

为解决上述技术问题，本发明提供一种真空管闪存结构的制造方法，包括：

提供一衬底；

在所述衬底上依次形成第一介电层、源极层、第二介电层、栅极层和硬掩膜层；

图案化处理所述第二介电层、栅极层和硬掩膜层形成栅极结构；

修剪栅极结构中的第二介电层和栅极层，使剩余第二介电层和栅极层的宽度小于硬掩膜层；

进行热处理以在所述栅极层的侧壁上形成栅介电层；

沉积漏极层；

在整个衬底上沉积层间介电层并进行平坦化以在所述栅极中形成真空。

可选的，对于所述的真空管闪存结构的制造方法，还包括在层间介电层进行平坦化后，采用高温退火对所述源极层和漏极层进行处理，使其变为圆柱形。

可选的，对于所述的真空管闪存结构的制造方法，所述高温退火使用的气体为he、n2、ar或者h2。

可选的，对于所述的真空管闪存结构的制造方法，所述高温退火的温度范围是在600℃～1000℃之间。

可选的，对于所述的真空管闪存结构的制造方法，所述栅极中的真空内的气压范围是0.1torr～50torr。

可选的，对于所述的真空管闪存结构的制造方法，所述热处理是使用电浆在氧气、氮气、n2o或nh3的环境下进行所述栅极层的热氧化或是热氮化过程。

可选的，对于所述的真空管闪存结构的制造方法，所述源极层和漏极层材质为zr、v、nb、ta、cr、mo、w、fe、co、pd、cu、al、ga、in、ti、tin、tan、c的一种或组合。

可选的，对于所述的真空管闪存结构的制造方法，所述栅极层材质为al、多晶硅、cu、ga、in、ti、ta、w、co、tin、tan的一种或组合。

可选的，对于所述的真空管闪存结构的制造方法，所述硬掩膜层的材质为氮氧化硅、氮化硅或氮化钛。

本发明还提供一种真空管闪存结构，包括：

一衬底；

位于所述衬底上的一第一介电层及一源极层；

位于所述源极层上的一栅极结构，所述栅极结构包括栅极层和硬掩膜层，位于所述栅极层的侧壁以及一中空的真空通道中的一栅介电层，其中所述栅极结构中的所述栅极层的宽度小于所述硬掩膜层的宽度；以及

位于所述栅极结构上并封闭所述真空通道的一漏极层。

附图说明

图1为现有技术中真空管的工作原理示意图；

图2为本发明一实施例中真空管闪存结构的立体结构示意图；

图3为本发明一实施例中的剖面示意图；

图4为本发明一实施例中的另一方向的剖面示意图；

图5为本发明一实施例中真空管闪存结构的制造方法的流程图；

图6至图13为本发明一实施例中真空管闪存结构在制造过程中的剖面示意图。

其中，1栅极

2发射极

3集电极

4电子

5发热电阻丝

10衬底

20第一介质层

30源极层

35第二介质层

40栅介电层

50栅极层

60真空通道

70漏极层

80硬掩膜层

90层间介电层

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的真空管闪存结构及其制造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图2至图4，在本实施例中，提出了一种空管闪存结构，包括：衬底10、介电层20、源极层30、栅介电层40、栅极50、漏极70、硬掩膜层80和层间介电层(ild)90，其中，所述介电层20形成在所述衬底10上，所述源极层30、栅介电层40、栅极50及漏极70形成在所述介电层20上，所述源极层30和漏极70分别位于所述栅极50的两侧，所述栅极50中设有真空通道60，暴露出两侧源极层30和漏极70，所述栅介电层40形成在所述真空中栅极50的侧壁上。

请参考图5，在本实施例的另一方面，还提出了一种真空管闪存结构的制造方法，用于制备如上文所述的真空管闪存结构，包括步骤：

s100：提供衬底；

s200：在所述衬底上形成第一介电层；

s300：在所述第一介电上形成源极层；

s400：在所述源极层上形成第二介电层；

s500：在所述第二介电层上依次形成栅极层和硬掩膜层；

s600：图案化处理所述第二介电层、栅极层和硬掩膜层形成栅极图案；

s700：修剪栅极图案中的第二介电层、栅极层，使剩余的栅极层宽度小于硬掩膜层；

s800：利用热处理在栅极的侧壁上形成栅介电层；

s900：沉积漏极层；

s1000：在整个衬底上沉积层间介电层并进行平坦化制程；

s1100：进行高温退火以将所述源极层和漏极层形成圆柱状的源漏电极。

具体的，请参考图6，在衬底10上形成第一介电层20，其中，所述衬底10可以为硅衬底或绝缘体上硅(soi)等一般衬底，第一介电层20的材料通常为二氧化硅。

请参考图7，依次在所述第一介电层20上沉积形成源极层30、第二介电层35、栅极层50和硬掩膜层80。其中，所述源极层30的材质为zr、v、nb、ta、cr、mo、w、fe、co、pd、cu、al、ga、in、ti、tin、tan或者c等材质的一种或组合。所述源极层30可以采用cvd或者pvd等制程形成。第二介电层35的材料通常也为二氧化硅。栅极层50为金属栅极，可以采用cvd、mocvd或pvd形成。在一实施例中，金属栅极的材质为al、多晶硅、cu、ga、in、ti、ta、w、co、tin、tan等材质的一种或组合。所述硬掩膜层80的材质为氮氧化硅(oxynitride)、氮化硅、氮化钛(tin)等材质，可以采用cvd、mocvd或ald等制程形成。

请参考图8，图案化处理所述第二介电层35、栅极层50和硬掩膜层80，形成栅极结构31，具体的形成方式可以通过传统的光刻和蚀刻制程进行。

请参考图9，使用选择性蚀刻修剪栅极结构31中的栅极层50和第二介电层35，使剩余的栅极层50a和第二介电层35a宽度小于硬掩膜层80。所述选择性蚀刻可以采用含氯(如bcl3,cl2)电浆修剪栅极层50，采用boe或dhf湿式蚀刻法修剪栅极结构31中的第二介电层35。

请参考图10，利用热处理在裸露出的栅极50的侧壁上形成栅介电层40。所述热处理可以是利用电浆在氧气、氮气、n2o或nh3的环境下进行金属栅极的热氧化或是热氮化过程。

请参考图11，在衬底10表面沉积漏极层70。所述漏极层70的材质为zr、v、nb、ta、cr、mo、w、fe、co、pd、cu、al、ga、in、ti、tin、tan、或者c等材质的一种或组合。所述漏极层70可以采用cvd、pvd或是溅镀等制程形成。因此，真空的栅极通道60由源极30、漏极70和栅极结构50进行密封而形成，真空内的气压范围是0.1torr～50torr。

请参考图12，在衬底10表面沉积层间介电层90。其中，所述层间介电层90的材料通常也为二氧化硅，可以采用cvd、pecvd,hdpcvd等制程形成。

请参考图13，对沉积层间介电层90进行平坦化后再采用高温退火制程对所述源极30和漏极70进行处理，使其变为圆柱形，避免存在棱角，造成后续组件制程会在棱角处发生可靠性较差等问题，其中，所述平坦化可以使用化学机械研磨或是回蚀刻等制程，所述高温退火制程使用的气体为he、n2、ar或者h2。所述高温退火制程的温度范围是600摄氏度～1000摄氏度，例如是800摄氏度。

综上，在本发明实施例提供的真空管闪存结构及其制造方法中，在沟道中形成真空，其中，栅介电层是使用电浆在氧气、氮气、n2o或nh3的环境下进行所述栅极层的热氧化或是热氮化过程所生成。本发明所揭露的结构，能够使形成的组件具有更好的程序设计、抹除速度及储存时间，同时还能够获得优越的栅极控制性能及极小的栅极漏电流。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。