專利名稱：具有納米晶體層的sonos存儲器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體存儲器件，特別涉及一種具有納米晶體層的SONOS存儲器件，由此在不增大SONOS存儲器件尺寸的情況下提高集成度。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體存儲器件的數(shù)據(jù)存儲能力與每單位面積的存儲單元個數(shù)(即，存儲器件的集成度)成比例。半導(dǎo)體存儲器件包括連接在電路中的多個存儲單元。
通常，半導(dǎo)體存儲器件(例如DRAM)的一個存儲單元包括一個晶體管和一個電容器。因此，為了提高半導(dǎo)體器件的集成度，應(yīng)當(dāng)減小晶體管和/或電容器的尺寸。
集成度低的半導(dǎo)體存儲器件在光刻和蝕刻工藝中具有足夠的工藝余量。因此，可以通過減小晶體管和/或電容器的尺寸提高半導(dǎo)體存儲器件的集成度。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)和相關(guān)電子技術(shù)的改善，需要集成度更高的半導(dǎo)體存儲器件。但是，減小晶體管和/或電容器的尺寸無法滿足該需要。
另一方面，半導(dǎo)體存儲器件的集成度與應(yīng)用于半導(dǎo)體存儲器件的制造工藝的設(shè)計規(guī)則緊密相關(guān)。因此，為了提高半導(dǎo)體存儲器件的集成度，必須將嚴謹?shù)脑O(shè)計規(guī)則應(yīng)用于其制造工藝，由此導(dǎo)致工藝余量低的光刻和蝕刻工藝。換言之，應(yīng)將更為精確的光刻和蝕刻工藝應(yīng)用于半導(dǎo)體存儲器件的制造。
在降低半導(dǎo)體存儲器件制造工藝中的光刻和蝕刻工藝的余量時，產(chǎn)量也降低。因此，需要一種提高半導(dǎo)體存儲器件的集成度同時防止產(chǎn)量降低的方法。
因此，通過排列數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)(如GMR或TMR)提供了一種具有不同于常規(guī)半導(dǎo)體存儲器件的結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體存儲器件，其中數(shù)據(jù)以不同于常規(guī)電容器的方法存儲在晶體管上。
SONOS存儲器件就是這樣一種半導(dǎo)體存儲器件。圖1是常規(guī)SONOS存儲器件的截面圖。
參照圖1，常規(guī)SONOS存儲器件包括p型半導(dǎo)體襯底10，其稱為半導(dǎo)體襯底。在半導(dǎo)體襯底10中形成摻雜有n型導(dǎo)電雜質(zhì)的源極區(qū)12和漏極區(qū)14，而溝道區(qū)16存在于源極區(qū)12與漏極區(qū)14之間。在半導(dǎo)體襯底10的溝道區(qū)16上形成隧道氧化物層18，其接觸源極區(qū)12和漏極區(qū)14。在隧道氧化物層18上，順序淀積氮化物層(Si3N4)20和阻擋氧化物層22。柵極電極24形成在阻擋氧化物層22上。氮化物層20包括俘獲穿過隧道氧化物層18的電子的俘獲位置。阻擋氧化物層22防止俘獲的電子流至柵極電極24。
電子在氮化物層20的俘獲位置中被俘獲時，常規(guī)SONOS存儲器件的閾值電壓不同于沒有俘獲電子時的閾值電壓。常規(guī)SONOS存儲器件可存儲和復(fù)制信息。但是，常規(guī)SONOS存儲器件的每個單元只能存儲一比特(bit)的信息。因此，必須減小單元的尺寸以提高集成度。
為此，應(yīng)當(dāng)減小圖1的SONOS存儲器件的體積，其需要光刻工藝中的嚴謹?shù)脑O(shè)計規(guī)則。但是，由于光刻工藝的分辨率限制，很難嚴格地應(yīng)用設(shè)計規(guī)則。
結(jié)果，雖然常規(guī)SONOS存儲器件可具有比由一個晶體管和一個電容器形成的半導(dǎo)體存儲器件更高的集成度，但由于光刻工藝的局限，常規(guī)SONOS存儲器件的集成度仍然有限。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種以與常規(guī)SONOS存儲器件相同的設(shè)計規(guī)則制造的SONOS存儲器件，其中在單位存儲單元中存儲的數(shù)據(jù)量比在常規(guī)SONOS存儲器件的單位存儲單元中存儲的更大，由此提高了集成度。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種包括存儲型晶體管的SONOS存儲器件，其中在半導(dǎo)體襯底上形成具有SONOS結(jié)構(gòu)的柵極，其中該柵極包括隧道氧化物層；存儲節(jié)點層，在隧道氧化物層上形成，并且具有在其中俘獲穿過隧道氧化物層的電荷的俘獲位置；以及柵極電極，在存儲節(jié)點層上形成，其中存儲節(jié)點層包括由彼此分開的納米晶體構(gòu)成的晶體層以俘獲電荷。
存儲節(jié)點層可包括第一至第三存儲節(jié)點層，并且第一至第三存儲節(jié)點層的至少一層包括不與相鄰的存儲節(jié)點層接觸的晶體層。
第一存儲節(jié)點層和第三存儲節(jié)點層可包括該晶體層，且第二存儲節(jié)點層可包括該晶體層。
對于前一種情況，第二存儲節(jié)點層可以是具有預(yù)定密度的俘獲位置的介電層。對于后一種情況，第一和第三存儲節(jié)點層的每一層可以是具有預(yù)定密度的俘獲位置的介電層。
可以在該晶體層與相鄰的存儲節(jié)點層之間插入絕緣層。
可以在第三存儲節(jié)點層與柵極電極之間插入阻擋氧化物層。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種包括存儲型晶體管的SONOS存儲器件，其中在半導(dǎo)體襯底上形成具有SONOS結(jié)構(gòu)的柵極，其中該柵極包括隧道氧化物層；存儲節(jié)點層，在隧道氧化物層上形成，并且具有在其中俘獲穿過隧道氧化物層的電荷的俘獲位置；以及柵極電極，在存儲節(jié)點層上形成，其中存儲節(jié)點層包括在其中俘獲電荷的納米尺寸俘獲元件。
存儲節(jié)點層可包括順序堆疊的第一至第三存儲節(jié)點層，第一至第三存儲節(jié)點層的至少一層包括俘獲元件，并且該俘獲元件不接觸相鄰的存儲節(jié)點層。此處，第一存儲節(jié)點層和第三存儲節(jié)點層可包括俘獲元件，且第二存儲節(jié)點層可包括俘獲元件。
對于前一種情況，第二存儲節(jié)點層可以是具有預(yù)定密度的俘獲位置的介電層。對于后一種情況，第一和第三存儲節(jié)點層的每一層可以是具有預(yù)定密度的俘獲位置的介電層。
俘獲元件可以是由彼此分開的納米晶體構(gòu)成的晶體層。
根據(jù)本發(fā)明，可以在一個存儲單元中記錄多比特的信息。因此，雖然根據(jù)本發(fā)明的存儲器件具有與常規(guī)SONOS存儲器件相同的單元尺寸，但根據(jù)本發(fā)明的存儲器件的集成度在其中一個存儲單元內(nèi)記錄一個比特的常規(guī)存儲器件之上大大提高。
通過參照附圖詳細介紹典型實施例將使本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點變得更為明顯，附圖中
圖1是常規(guī)SONOS存儲器件的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例，具有納米晶體層的SONOS存儲器件的截面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施例，具有納米晶體層的SONOS存儲器件的截面圖；圖4是示出在圖2的SONOS存儲器件的第一存儲節(jié)點層中俘獲載流子的情況的截面圖；圖5是示出在圖2的SONOS存儲器件的第一和第二存儲節(jié)點層中俘獲載流子的情況的截面圖；圖6是示出在圖2的SONOS存儲器件的第一至第三存儲節(jié)點層中俘獲載流子的情況的截面圖；以及圖7是示出由于在圖2的SONOS存儲器件的存儲節(jié)點層中俘獲載流子導(dǎo)致的閾值電壓偏移的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖更加全面的描述根據(jù)本發(fā)明的SONOS存儲器件，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實施例。附圖中為清楚起見，放大了層和區(qū)的厚度。
現(xiàn)在，將參照圖2描述根據(jù)本發(fā)明第一實施例的SONOS存儲器件。
參照圖2，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的SONOS存儲器件包括p型半導(dǎo)體襯底40，其稱為半導(dǎo)體襯底。通過在半導(dǎo)體襯底40中注入n型導(dǎo)電雜質(zhì)至預(yù)定深度，在半導(dǎo)體襯底40中形成源極區(qū)42與漏極區(qū)44，并且在源極區(qū)42與漏極區(qū)44之間形成溝道區(qū)46。在半導(dǎo)體襯底40的溝道區(qū)46上形成第一柵極堆疊材料48。第一柵極堆疊材料48的底部兩側(cè)邊緣接觸源極區(qū)42和漏極區(qū)44。第一柵極堆疊材料48包括第一隧道氧化物層48a，例如氧化硅層(SiO2)，其接觸溝道區(qū)46的整個表面、以及部分源極區(qū)42和漏極區(qū)44；以及在第一隧道氧化物層48a上順序地堆疊的第一存儲節(jié)點層48b和48c、第二存儲節(jié)點層48d、第三存儲節(jié)點層48e和48f、以及第一柵極電極48g。第一存儲節(jié)點層48b和48c包括第一晶體層48b和第一絕緣層48c。第一晶體層48b由納米尺寸俘獲材料，即在第一隧道氧化物層48a上形成的多個納米晶體形成。第一絕緣層48c阻止第一晶體層48b接觸第二存儲節(jié)點層48d。第二存儲節(jié)點層48d是介電層，例如氮化物層(Si3N4)，其具有預(yù)定密度的俘獲位置。第三存儲節(jié)點層48e和48f包括第二晶體層48e和第二絕緣層48f。第二晶體層48e由納米尺寸俘獲材料構(gòu)成。第二絕緣層48f阻止第二晶體層48e接觸第二存儲節(jié)點層48d和柵極電極48g，并阻止第二晶體層48e中俘獲的電子向柵極電極48g流動。因此，第二晶體層48e可嵌入第二絕緣層48f中。
第一柵極疊層48的第一晶體層48b和第二晶體層48e可由相同的材料構(gòu)成，但是，第一和第二晶體層48b和48e也可由不同晶體構(gòu)成。第一絕緣層48c可以是氧化硅層或可由其它絕緣材料構(gòu)成。作為阻擋電子向第一柵極電極48g流動的阻擋絕緣層的第二絕緣層48f可為氧化硅層或其它絕緣層。
現(xiàn)在，將參照圖3描述根據(jù)本發(fā)明第二實施例的SONOS存儲器件。圖2中使用的相同的附圖標記將用于圖3中相同的部件。
參照圖3，在半導(dǎo)體襯底40中的溝道區(qū)46兩側(cè)形成源極區(qū)42與漏極區(qū)44。在半導(dǎo)體襯底40的溝道區(qū)46上形成柵極堆疊材料50。柵極堆疊材料50包括順序堆疊的隧道氧化物層50a、第四存儲節(jié)點層50b、存儲節(jié)點層50c與50d、存儲節(jié)點層50e、阻擋氧化物層50f、以及柵極電極50g。隧道氧化物層50a與第一實施例的第一隧道氧化物層48a相同。存儲節(jié)點層50b是介電層，例如氮化物層(Si3N4)，其具有預(yù)定密度的俘獲位置。穿過隧道氧化物層50a的電子在存儲節(jié)點層50b中俘獲。存儲節(jié)點層50c與50d與第一實施例中的第一存儲節(jié)點層48b與48c或第三存儲節(jié)點層48e與48f相同。換言之，存儲節(jié)點層50c與50d包括晶體層50c與絕緣層50d。晶體層50c由彼此分開的納米晶體構(gòu)成。絕緣層50d包括晶體層50c并且阻止晶體層50c接觸存儲節(jié)點層50b與50e。存儲節(jié)點層50e是介電層，例如氮化物層，其具有預(yù)定密度的俘獲位置。
根據(jù)本發(fā)明第一和第二實施例的SONOS存儲器件的閾值電壓通過在存儲節(jié)點層中俘獲電子而改變。
參照根據(jù)本發(fā)明第一實施例的SONOS存儲器件描述SONOS存儲器件閾值電壓的變化。
圖4是示出在第一存儲節(jié)點層48b與48c中俘獲電子e的第一狀態(tài)的截面圖。圖5是示出在第一存儲節(jié)點層48b與48c和第二存儲節(jié)點層48d中俘獲電子e的第二狀態(tài)的截面圖。圖6是示出在第一至第三存儲節(jié)點層48b、48c、48d、48e及48f中俘獲電子e的第三狀態(tài)的截面圖。
圖7是示出根據(jù)第一至第三狀態(tài)的SONOS存儲器件的閾值電壓偏移的曲線圖。圖7的附圖標記G1表示在第一至第三存儲節(jié)點層48b、48c、48d、48e及48f中未俘獲電子e的狀態(tài)下的閾值電壓。圖7的附圖標記G2至G4分別表示第一至第三狀態(tài)中的閾值電壓。
參照圖7，通過將存儲節(jié)點層中未俘獲電子的狀態(tài)下的閾值電壓VTH1偏移ΔV1得到第一狀態(tài)下的SONOS存儲器件的閾值電壓VTH2。此外，通過將第一狀態(tài)中的閾值電壓VTH2偏移ΔV2得到第二狀態(tài)下的SONOS存儲器件的閾值電壓VTH3。另外，通過將第二狀態(tài)中的閾值電壓VTH3偏移ΔV3得到第三狀態(tài)下的SONOS存儲器件的閾值電壓VTH4。
由于根據(jù)本發(fā)明第一實施例的SONOS存儲器件包括依據(jù)電子的俘獲狀態(tài)的四種不同狀態(tài)，因此一個SONOS存儲器件可存儲兩比特數(shù)據(jù)，例如，“00”、“01”、“10”或“11”。因此，根據(jù)本發(fā)明第一實施例的SONOS存儲器件的集成度就比常規(guī)SONOS存儲器件的集成度多兩倍。
由上所述，根據(jù)本發(fā)明的SONOS存儲器件包括第一至第三存儲節(jié)點層，其中至少一層存儲節(jié)點層包括由納米晶體形成的晶體層。因此，根據(jù)本發(fā)明的SONOS存儲器件可以具有四種不同狀態(tài)，在一個存儲單元中具有兩比特數(shù)據(jù)，并且存儲器件的集成度幾乎是在一個存儲單元中記錄一比特的常規(guī)SONOS存儲器件的集成度的兩倍。
雖然已參考本發(fā)明的典型實施例具體展示并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以在不脫離由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的基礎(chǔ)上，對其形式和細節(jié)做各種改變。
權(quán)利要求
1.一種包括存儲型晶體管的SONOS存儲器件，其中在半導(dǎo)體襯底上形成具有SONOS結(jié)構(gòu)的柵極，其中該柵極包括隧道氧化物層；存儲節(jié)點層，在該隧道氧化物層上形成，并且具有在其中俘獲穿過該隧道氧化物層的電荷的俘獲位置；以及柵極電極，在該存儲節(jié)點層上形成，其中該存儲節(jié)點層包括由彼此分開的納米晶體構(gòu)成的晶體層以俘獲該電荷。
2.如權(quán)利要求1的SONOS存儲器件，其中該存儲節(jié)點層包括第一至第三存儲節(jié)點層，并且該第一至第三存儲節(jié)點層中的至少一層包括不與相鄰的存儲節(jié)點層接觸的晶體層。
3.如權(quán)利要求2的SONOS存儲器件，其中該第一存儲節(jié)點層和該第三存儲節(jié)點層包括該晶體層。
4.如權(quán)利要求2的SONOS存儲器件，其中該第二存儲節(jié)點層包括該晶體層。
5.如權(quán)利要求2的SONOS存儲器件，其中在該晶體層與相鄰的存儲節(jié)點層之間插入絕緣層。
6.如權(quán)利要求3的SONOS存儲器件，其中該第二存儲節(jié)點層是具有預(yù)定密度的俘獲位置的介電層。
7.如權(quán)利要求4的SONOS存儲器件，其中該第一和第三存儲節(jié)點層中的每一層是具有預(yù)定密度的俘獲位置的介電層。
8.如權(quán)利要求6的SONOS存儲器件，其中該介電層是氮化物層。
9.如權(quán)利要求7的SONOS存儲器件，其中該介電層是氮化物層。
10.如權(quán)利要求4的SONOS存儲器件，其中在該第三存儲節(jié)點層與該柵極電極之間插入阻擋氧化物層。
11.一種包括存儲型晶體管的SONOS存儲器件，其中在半導(dǎo)體襯底上形成具有SONOS結(jié)構(gòu)的柵極，其中該柵極包括隧道氧化物層；存儲節(jié)點層，在該隧道氧化物層上形成，并且具有在其中俘獲穿過該隧道氧化物層的電荷的俘獲位置；以及柵極電極，在該存儲節(jié)點層上形成，其中該存儲節(jié)點層包括在其中俘獲電荷的納米尺寸俘獲元件。
12.如權(quán)利要求11的SONOS存儲器件，其中該存儲節(jié)點層包括順序堆疊的第一至第三存儲節(jié)點層，該第一至第三存儲節(jié)點層中的至少一層包括該俘獲元件，并且該俘獲元件不接觸相鄰的存儲節(jié)點層。
13.如權(quán)利要求12的SONOS存儲器件，其中該第一存儲節(jié)點層和該第三存儲節(jié)點層包括該俘獲元件。
14.如權(quán)利要求12的SONOS存儲器件，其中該第二存儲節(jié)點層包括該俘獲元件。
15.如權(quán)利要求11的SONOS存儲器件，其中該俘獲元件是由彼此分開的納米晶體構(gòu)成的晶體層。
16.如權(quán)利要求13的SONOS存儲器件，其中該俘獲元件是由彼此分開的納米晶體構(gòu)成的晶體層。
17.如權(quán)利要求14的SONOS存儲器件，其中該俘獲元件是由彼此分開的納米晶體構(gòu)成的晶體層。
18.如權(quán)利要求13的SONOS存儲器件，其中該第二存儲節(jié)點層是具有預(yù)定密度的俘獲位置的介電層。
19.如權(quán)利要求14的SONOS存儲器件，其中該第一和第三存儲節(jié)點層中的每一層是具有預(yù)定密度的俘獲位置的介電層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有納米晶體層的SONOS存儲器件。該SONOS存儲器件包括存儲型晶體管，該存儲型晶體管包括在半導(dǎo)體襯底上具有SONOS結(jié)構(gòu)的柵極。該柵極由隧道氧化物層、具有在其中俘獲穿過隧道氧化物層的電荷的俘獲位置的存儲節(jié)點層以及柵極電極形成。存儲節(jié)點層包括由彼此分開的納米晶體構(gòu)成的晶體層以俘獲電荷。
文檔編號H01L21/8247GK1574360SQ20041006405
公開日2005年2月2日 申請日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者金柱亨, 金楨雨, 蔡洙杜, 鄭淵碩 申請人:三星電子株式會社