專利名稱：電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置的制作方法
電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置 技術(shù)領(lǐng)域示例實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置，例如，電荷陷阱(trap)存儲(chǔ)器 裝置。
背景技術(shù)：
非易失性存儲(chǔ)器裝置是一種可以在該裝置的電源已被斷開之后保持先前 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)裝置。構(gòu)成非易失性存儲(chǔ)器裝置的存儲(chǔ)器單元結(jié)構(gòu)可根據(jù) 應(yīng)用領(lǐng)域而變化。NAND類型閃速半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置是較高容量的非易失性 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置的一個(gè)示例，其中，晶體管的柵極結(jié)構(gòu)可包括順序堆疊的 浮置柵(floating gate )和控制柵(control gate )。電荷(例如，數(shù)據(jù))可被存 儲(chǔ)在浮置柵中，控制柵可控制浮置柵。為了增加存儲(chǔ)器容量，在閃速半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置中的存儲(chǔ)器單元的大小 可被減小。因此，有利的是響應(yīng)于存儲(chǔ)器單元減小的大小同樣減小浮置柵的 高度。為了改善存儲(chǔ)器特性，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置可具有硅-氧化物-氮化物-氧 化物-半導(dǎo)體(silicon-oxide-nitride-oxide-semiconductor, SONOS )結(jié)構(gòu)或者金 屬-氧4b4勿-鄉(xiāng)色*象體-氧4"b4勿-半導(dǎo)體(metal-oxide-insulator-oxide-semiconductor, MOIOS)結(jié)構(gòu)，以允許在相對長的時(shí)間段內(nèi)安全地保持存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(例如， 在泄漏電流的情況下)。SONOS結(jié)構(gòu)或MOIOS結(jié)構(gòu)(例如，金屬-氧化物-氮化物-氧化物-半導(dǎo)體(MONOS)結(jié)構(gòu))可包括氮化硅(Si3N4)層來代替用 于存儲(chǔ)電荷的浮置柵?？捎晒柚瞥蒘ONOS存儲(chǔ)器裝置的控制柵，可由金屬 制成MONOS存儲(chǔ)器裝置的控制柵。MOIOS存儲(chǔ)器裝置可使用電荷陷阱層(例如，氮化硅(Si3N4)層)來 代替用于存儲(chǔ)電荷的浮置柵。例如，MOIOS存儲(chǔ)器裝置可具有氧化物-氮化 物-氧化物(ONO)堆(stack),其中，順序堆疊氧化物層、氮化物層和氧化 物層，來代替包括在其上下形成有絕緣層并且置于基底和控制柵之間的浮置 柵的堆。在MOIOS存儲(chǔ)器裝置中，可在氮化物層中捕獲電荷，從而變化閾 電壓。
傳統(tǒng)SONOS存儲(chǔ)器裝置可包括形成為隧道絕緣層的第一氧化硅(Si02) 層，使得氧化硅層的兩端與半導(dǎo)體基底的溝道區(qū)的源區(qū)和漏區(qū)接觸。第一氧 化硅層可用于隧穿電荷。氮化硅(Si3N4)層可作為電荷陷阱層形成于第一氧 化硅層上。數(shù)據(jù)可被存儲(chǔ)在氮化硅層中，可在氮化硅層中捕獲已經(jīng)隧穿通過 第 一氧化硅層的電荷。第二氧化硅層可作為阻擋絕緣層形成于氮化硅層上， 以阻止通過氮化硅層的上移電荷。柵極可形成于第二氧化硅層上。然而，傳統(tǒng)SONOS存儲(chǔ)器裝置可能具有氮化硅層和氧化硅層的介電常 數(shù)會(huì)比較低的缺點(diǎn)。氮化硅層中的陷阱點(diǎn)(site)的密度也可能不足，從而導(dǎo) 致較高的工作電壓。另外，在垂直和水平方向上的數(shù)據(jù)記錄速度(編程速度 (programming speed))和電荷保持時(shí)間可能小于期望的數(shù)據(jù)記錄速度和電荷 保持時(shí)間?？赏ㄟ^將氧化鋁(A1203 )層代替氧化硅層用作阻擋絕緣層來改善編程速 度和保持(retention)特性。然而，雖然由氧化鋁形成的阻擋絕緣層可增強(qiáng)氮 化硅層中的電荷的保持，但是氮化硅層自身的陷阱點(diǎn)密度仍然可能不足，從 而限制保持特性的整體"l是高。發(fā)明內(nèi)容與傳統(tǒng)的硅-氧化物-氮化物-氧化物-半導(dǎo)體(SONOS)存儲(chǔ)器裝置相比， 根據(jù)示例實(shí)施例的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置可具有改善的保持特性。電荷陷阱存 儲(chǔ)器裝置可在電荷陷阱材料的帶隙(band gap)中具有更穩(wěn)定的電荷陷阱，其 中，在電荷陷阱中捕獲電荷。例如，電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置可包括在基底上的 隧道絕緣層和隧道絕緣層上的電荷陷阱層，其中，電荷陷阱層是摻有一種或 多種過渡金屬的4交高k介電絕緣層(dielectric insulating layer )。隧道絕緣層可 與電荷陷阱層中的金屬(例如，過渡金屬)相對不發(fā)生反應(yīng)。隧道絕緣層還 可阻止電荷陷阱層中的金屬(例如，過渡金屬)擴(kuò)散到基底。較高k介電絕緣層可由從包括Si02、 Hf02、 Zr02、 Si3N4、 A1203、 HfSiON、 HfON和HfAlO的組中選才奪的化合物形成。過渡金屬可具有d軌道上的價(jià)電 子。例如，較高k介電絕緣層可以是Hf02層，在較高k介電絕緣層中摻雜的 一種或多種過渡金屬可以是從包括鉈(Ta)、釩(V)、釕(Ru)和鈮(Nb) 的組中選擇的至少一種過渡金屬。較高k介電絕緣層還可以是八1203層，在 較高k介電絕緣層中摻雜的一種或多種過渡金屬可以是從包括鎢(W)、釕(Ru)、鉬(Mo)、鎳(Ni)、鈮(Nb)、釩(V)和鈦(Ti)的組中選擇的至 少 一種過渡金屬。所述至少 一種或多種過渡金屬可被摻雜的濃度為大約 0.01-15% (原子百分比)。對較高k介電絕緣層摻雜至少兩種不同的過渡金屬 的好處在于可以在較高k介電絕緣層中同時(shí)形成電子陷阱和空穴陷阱。隧道絕緣層可以是氮化硅層?；蛘?，隧道絕緣層可以是包括氮化硅層和 氧化硅層的兩層結(jié)構(gòu)?？身樞虻貙⒀趸鑼?、氮化硅層和電荷陷阱層堆疊在 基底上。電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置還可包括在電荷陷阱層上的阻擋絕緣層和在阻 擋絕緣層上的柵電極。


圖1是根據(jù)示例實(shí)施例的電荷陷阱非易失性存儲(chǔ)器裝置的示意圖。 圖2是根據(jù)示例實(shí)施例的另 一電荷陷阱非易失性存儲(chǔ)器裝置的示意圖。 圖3是示出氮化硅層和較高k介電絕緣層的橫截面的透射電子顯微鏡 (TEM)月 、片。圖4是示出圖3的氮化硅層和較高k介電層之間的界面沒有出現(xiàn)金屬-硅鍵的XPS深度分布圖。圖5示出當(dāng)將氮化硅層用作隧道絕緣層時(shí)在柵堆疊(gate stack)電容中 獲得的較高的溫度保持特性。圖6示出當(dāng)將氧化硅層用作隧道絕緣層時(shí)在柵堆疊電容中獲得的較高的 溫度保持特性。
具體實(shí)施方式
應(yīng)理解當(dāng)組件或?qū)颖环Q為"在另一組件或?qū)由?、"連接到另一組件或 層"、"與另一組件或?qū)玉詈?或者"覆蓋另一組件或?qū)?時(shí)，所述組件或?qū)?可以是直接地在另一組件或?qū)由?、連接到另一組件或?qū)?、與另一組件或?qū)玉?合或者覆蓋另一組件或?qū)踊蛘呖梢源嬖谥虚g組件或?qū)印Ｏ喾吹?，?dāng)組件或?qū)?被稱為"直接在另一組件或?qū)由?、"直接連接到另一組件或?qū)?或"與另一 組件或?qū)又苯玉詈?，，時(shí)，不存在中間組件或?qū)?。相同的?shù)字始終指示相同的組件。如在此使用的，術(shù)語"和/或"包括相關(guān)的列舉項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)的任 意一個(gè)和全部組合。應(yīng)理解雖然可在此使用術(shù)語第一、第二、第三等以描述各種組件、元件、 區(qū)域、層和/或部分，但是這些組件、元件、區(qū)域、層和/或部分不限制于這些 術(shù)語。這些術(shù)語僅用于將一個(gè)組件、元件、區(qū)域、層和/或部分與其它組件、 元件、區(qū)域、層或部分進(jìn)行區(qū)分。因此，在不脫離示例實(shí)施例的教導(dǎo)的情況 下，以下討論的第一組件、元件、區(qū)域、層和/或部分可稱為第二組件、元件、 區(qū)域、層和/或部分?？稍诖耸褂每臻g相關(guān)術(shù)語(例如，"在...之下"、"在...下面"、"低于"、 "在...上面"、"高于"等)以便于描述如圖所示的一個(gè)組件或特征與另外的 組件或特征之間的關(guān)系。應(yīng)理解，空間相關(guān)術(shù)語是用于包括在圖中描述的方 位之外的使用中或工作中的裝置的不同方位。例如，如果圖中的裝置被翻轉(zhuǎn)， 則描述為"在其他組件或特征下面"或"在其他組件或特征之下"的組件將 位于"在其他組件或特征上面"。因此，示例的術(shù)語"在...下面"可包括上下 兩種方位。裝置還可朝向其他方向(旋轉(zhuǎn)90度或者朝向其他方向)，在此使 用空間相關(guān)描述符進(jìn)行相應(yīng)解釋。在此使用的術(shù)語的目的僅在于描述各種實(shí)施例而不是限制示例實(shí)施例。 除非上下文清楚指示，否則在此使用的單數(shù)形式"一個(gè)，，和"這個(gè)"將還包 括復(fù)數(shù)形式。還應(yīng)理解，當(dāng)在此說明書中使用術(shù)語"包括"和/或"包含"時(shí)， 指定存在提到的特征、整體、步驟、操作、組件和/或元件，但是不排除存在 或增加一個(gè)或多個(gè)其他特征、整體、步驟、操作、組件、元件和/或它們的組 合。在此參照作為示例實(shí)施例的理想化實(shí)施例(和中間結(jié)構(gòu))的示意圖的橫 截面圖來描述示例實(shí)施例。因此，由例如制造^f支術(shù)和/或偏差而導(dǎo)致的相對于 示圖的形狀變化是可以預(yù)料到的。因此，示例實(shí)施例不應(yīng)被理解為限制于在 此示出的區(qū)域的形狀而是包括例如由制造而導(dǎo)致的形狀變化。例如，以矩形示出的注入?yún)^(qū)(implanted region)在其邊界處通常將具有圓形或曲線特征和/ 或傾斜的注入濃度，而不是/人注入?yún)^(qū)到非注入?yún)^(qū)兩種變化。相似地，通過注 入形成的隱埋區(qū)(buried region)可在隱埋區(qū)和注入發(fā)生的表面之間的區(qū)域中 形成一些注入。因此，在圖中描述的區(qū)域?qū)嶋H上是示意性的，它們的形狀不 是示出裝置的區(qū)域的實(shí)際形狀并且不限制示例實(shí)施例的范圍。除非另外定義，否則在此使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語) 具有與示例實(shí)施例所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。還應(yīng)理解，術(shù)語(包括在通常使用的詞典中定義的術(shù)語)應(yīng)被解釋為具有的含義與 它們在相關(guān)技術(shù)的語境中的含義一致，除非在此明確定義，不應(yīng)以理想化或 過于形式化的含義進(jìn)行解釋。根據(jù)示例實(shí)施例的非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置的電荷陷阱層可以是具有 大約10或更高的介電常數(shù)的較高k介電絕緣層?？稍谳^高k介電絕緣層中摻 雜一種或多種過渡金屬(例如，具有d軌道上的價(jià)電子的金屬)，以形成可在 較高k介電絕緣層的帶隙中相對明顯限定的更穩(wěn)定的電荷陷阱。所述電荷陷阱可以是相對于熱激發(fā)(thermal excitation)更穩(wěn)定的較深的陷阱。較深的陷阱可在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間具有更大的能隙，從而在較深的陷阱中 的電子或空穴不會(huì)通過熱激發(fā)輕易地被激發(fā)到能帶或?qū)?。相反地，淺陷阱 可在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間具有相對低的能隙，從而在淺陷阱中的電子或空穴可通 過熱激發(fā)輕易地被激發(fā)并有助于導(dǎo)電?？筛鶕?jù)用于摻雜的過渡金屬的類型來控制較深的陷阱的能級(jí)。另外，能 級(jí)的分布可以是相對離散的。因此，在按照適當(dāng)選擇的過渡金屬的陷阱中捕 獲的電荷不容易被熱激發(fā)。由于在較深的陷阱中捕獲的電荷不容易被激發(fā)， 因此可提高存儲(chǔ)器裝置的保持特性。較深的陷阱可形成于較高k介電絕緣層中。較高k介電絕緣層可具有較 高的介電常數(shù)，因此在相同的等效厚度(EOT)的條件下，較高k介電絕緣 層可具有比用作傳統(tǒng)電荷陷阱層的氮化硅層更多的電荷陷阱。另外，相對于 非結(jié)晶的氮化硅層，較高k介電絕緣層可被更好地結(jié)晶。因此，在較高k介 電絕緣層中的陷阱可具有提高的穩(wěn)定性?？赏ㄟ^增加電荷陷阱層的陷阱點(diǎn)密度和陷阱的熱穩(wěn)定性來提高非易失性 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置的保持特性。當(dāng)將摻雜過渡金屬的較高k介電絕緣層用作 電荷陷阱層時(shí)，在電荷陷阱層下被用作傳統(tǒng)隧道絕緣層的氧化硅層可與電荷 陷阱層中的金屬(例如，過渡金屬)反應(yīng)并形成金屬-硅化合物。另外，在電 荷陷阱層中的金屬(例如，過渡金屬)可擴(kuò)散到基底的硅溝道區(qū)。為了防止 這些現(xiàn)象，隧道絕緣層可包括氮化硅層，從而防止電荷陷阱層中的金屬與隧 道絕緣層進(jìn)行反應(yīng)或者所述金屬擴(kuò)散到基底。圖l是根據(jù)示例實(shí)施例的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置10的示意圖。為了清晰已 經(jīng)將圖1中的層/或區(qū)域的厚度放大。參照圖1,電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置10可包 括形成于基底11上的柵結(jié)構(gòu)20。摻雜導(dǎo)電雜質(zhì)的第一雜質(zhì)區(qū)13和第二雜質(zhì) 區(qū)15可形成于基底11中。第一雜質(zhì)區(qū)13和第二雜質(zhì)區(qū)15中的一個(gè)可以是
漏區(qū)(D)，而另一個(gè)可以是源區(qū)(S),標(biāo)號(hào)19代表分隔件(spacer)。柵結(jié)構(gòu)20可包括電荷陷阱層23。隧道絕緣層21可形成于基底11和電 荷陷阱層23之間。隧道絕緣層21可形成于基底11之上以與第一雜質(zhì)區(qū)13 和第二雜質(zhì)區(qū)15接觸。阻擋絕緣層25可形成于電荷陷阱層23之上，柵電極 27可形成于阻擋絕緣層25之上。隧道絕緣層21、電荷陷阱層23、阻擋絕緣 層25和柵電極27可被順序地堆疊在基底11上。電荷陷阱層23可由摻雜 一種或多種具有d軌道上的價(jià)電子的過渡金屬的 較高k介電絕緣層形成。較高k介電絕緣層可由從包括Si02、 HfQ2、 Zr02、 Si3N4、 A1203、 HfSiON、 HfON和HfAlO的組中選擇的化合物形成，并具有 大約10或者更高的介電常數(shù)。較高k介電絕緣層可被用作基質(zhì)(basematrix), 這是由于較高k介電絕緣層可增加編程效率，并且在相同的等效厚度(EOT) 的情況下，可包括比用作電荷陷阱層的傳統(tǒng)氮化硅層更多的電荷陷阱。當(dāng)較高k介電絕緣層摻雜了兩種或更多的不同的過渡金屬時(shí)，可在較高 k介電絕緣層中同時(shí)形成電子陷阱和空穴陷阱。較高k介電絕緣層的分子結(jié) 構(gòu)的金屬原子或氧原子可被過渡金屬原子取代以形成穩(wěn)定的陷阱。過渡金屬 可以是具有d軌道上的價(jià)電子的金屬。例如，Hf02絕緣層可摻雜有從包括Ta、 V、 Ru和Nb的組中選擇的至少一種過渡金屬。摻雜的過渡金屬的濃度可以 是大約0.01-15% (原子百分比)。當(dāng)Hf02層摻雜有過渡金屬(例如，Ta、 V、 Ru、 Nb)時(shí)，過渡金屬原 子的最外層中的電子與鉿(Hf)原子的最外層中的電子的鍵合可形成剩余電 子或空穴。剩余電子或空穴可分別作為空穴陷阱或電子陷阱。過渡金屬原子 可取代Hf原子或氧(O)原子，或者過渡金屬原子可進(jìn)入Hf02的單位晶胞 中，或者過渡金屬原子可占領(lǐng)先前被另一原子占據(jù)的空位。有利的是可在 Hf02層摻雜Ta、 V、 Ru和/或Nb，這是由于這些過渡金屬可在Hf02層中形 成更多數(shù)量的較深的陷阱。可通過量子力學(xué)計(jì)算來確定陷阱的穩(wěn)定能級(jí)。因 此，陷阱的能級(jí)可根據(jù)使用的過渡金屬的類型而不同。當(dāng)八1203層摻雜過渡金屬(例如，W、 Ru、 Mo、 Ni、 Nb、 V、 Ti)時(shí)， 過渡金屬原子可取代Al或O原子，或者過渡金屬可與現(xiàn)有原子鍵形成鍵， 或者過渡金屬可占領(lǐng)先前由另一原子占據(jù)的空位。有利的是八1203層可摻雜 有W、 Ru、 Mo、 Ni、 Nb、 V和/或Ti，這是由于這些過渡金屬可以在A1203 層中形成更多數(shù)量的較深的陷阱。如上面提到的，可通過量子力學(xué)計(jì)算來確 定陷阱的穩(wěn)定能級(jí)。因此，陷阱的能級(jí)可根據(jù)使用的過渡金屬的類型而不同。 與形成由摻雜過渡金屬的較高k介電絕緣層構(gòu)成的電荷陷阱層相關(guān)的進(jìn)一步細(xì)節(jié)由2007年3月16日提交的公有的第11/723,081號(hào)美國專利申請以 及相應(yīng)的2006年7月27日提交的第2006-0070886號(hào)韓國專利公開,其全部 內(nèi)容合并于此，以資參考。隧道絕緣層21可以是由氮化硅(Si3N4)形成的單層。氮化硅層的雜質(zhì) 濃度可以與傳統(tǒng)電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置中用作隧道絕緣層的氧化硅層的雜質(zhì)濃 度大致相同或者更小。此外，氮化硅層的界面特性與氧化硅層相當(dāng)或者比氧 化硅層更好?？墒褂锰厥庵圃旆椒?例如，噴射汽相淀積法(jet vapor deposition method))來形成構(gòu)成隧道絕緣層21的氮化硅層。圖2是根據(jù)示例實(shí)施例的另一電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置30的示意圖。在圖2 中，如圖1所示的相同的標(biāo)號(hào)代表相同的組件。因此，下面將不重復(fù)對以上 討論過的組件的描述。與圖1相同，為了清晰，已經(jīng)放大了圖2中的層和/或 區(qū)域的厚度。參照圖2,在根據(jù)示例實(shí)施例的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置30中，柵結(jié)構(gòu)20， 可包括具有由氮化硅層33和氧化硅層32形成的兩層結(jié)構(gòu)的隧道絕緣層31。 氧化硅層32、氮化硅層33和電荷陷阱層23可被順序地堆疊在基底11上。氧化硅層32可直接形成與由硅構(gòu)成的基底11的界面，可使用普通(相 對于特殊)生長方法(growthmethod)來生長氮化硅層33。因此，不使用上 述特殊制造方法形成的氮化硅層33也可防止金屬從電荷陷阱層23擴(kuò)散到基 底11或者防止金屬-硅化合物的產(chǎn)生?；蛘撸墒褂蒙鲜龅奶厥庵圃旆椒▉?形成氮化硅層33。由于隧道絕緣層21或31和電荷陷辨層23可具有比傳統(tǒng)氧化物層更高的 介電常數(shù)，因此可由具有較高介電常數(shù)和較大帶隙的較薄的層形成阻擋絕緣 層25 。例如，可由Si3N4、 Hf02、 Ta205 、 Zr02或A1203形成阻擋絕緣層25 。 可由具有較大功函數(shù)(work function)的金屬層形成柵電極27。例如，可由 金、鋁、釕或者由金、鋁、釕的合金形成柵電極27。另外，還可由TaN或硅 化物(例如，NiSi)形成柵電極27。如上所述，示例實(shí)施例提供了電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置10的柵結(jié)構(gòu)20以及 電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置30的柵結(jié)構(gòu)20，，其中，由摻雜過渡金屬的較高k介電 薄層形成電荷陷阱層23?？蓪⒌鑼佑米魉淼澜^緣層21和隧道絕緣層31 (隧穿勢壘(tunnelingbarrier))。隧道絕緣層21和隧道絕緣層31可具有單層 結(jié)構(gòu)(例如，沒有缺陷)或由氮化硅層33和氧化硅層32形成的兩層結(jié)構(gòu)。當(dāng)將氮化硅層用作隧道絕緣層21和隧道絕緣層31時(shí)，可減少在電荷陷 阱層23中摻雜的金屬和硅之間的鍵合，并減少或防止金屬的擴(kuò)散，從而減少 或防止在隧道絕緣層21和隧道絕緣層31中的雜質(zhì)的產(chǎn)生。因此，還可阻塞 當(dāng)外部施加電介質(zhì)應(yīng)力(electric stress )時(shí)可能產(chǎn)生的電荷泄漏;洛徑。因此， 可提高存儲(chǔ)器裝置的電荷保持特性。圖3是示出氮化硅層和較高k介電絕緣層的橫截面的透射電子顯微鏡(TEM)的照片。圖4是示出在圖3的氮化硅層和較高k介電層之間不存在 金屬-硅鍵的X射線光電子光譜法(XPS)深度分布圖。參照圖3，比較以下 兩種情況情況(a)，其中，環(huán)氧樹脂層形成于氮化硅層(SiN)之上；情況(b)，其中，作為較高k介電絕緣層的Hf02層形成于氮化硅層之上。如圖3 所示，在情況(b)中的氮化硅層的厚度相對于情況(a)保持不變，因此， 顯示出已減少或防止在氮化硅層和H幻2層之間界面上的金屬-硅鍵合。在圖4 的XPS深度分布圖中也可示出金屬-硅鍵合的減少或缺失。圖5示出當(dāng)將氮化硅層用作隧道絕緣層時(shí)在柵堆疊電容中獲得的較高溫 度保持特性。為了獲得圖5的結(jié)果，根據(jù)示例實(shí)施例的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置 樣品被形成為具有Al/Al20/Ta+Hf02/Si3N4/Si的柵結(jié)構(gòu)。在圖5中，水平軸代 表時(shí)間，垂直軸代表平帶電壓(V-Flat)。圖5示出當(dāng)沒有電介質(zhì)應(yīng)力施加到 樣品時(shí)該樣品的初始狀態(tài)下的保持特性以及當(dāng)以大約1.2k振蕩(cycling)施 加大約+18V到大約-18V的電介質(zhì)應(yīng)力時(shí)的隨后狀態(tài)的保持特性。通過以大 約20(TC烘焙樣品獲得圖5的結(jié)果。相反地，圖6示出當(dāng)將氧化硅層用作隧道絕緣層時(shí)在柵堆疊電容中獲得 的較高溫度保持特性。為了獲得圖6的結(jié)果，比較電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置樣品 被形成為具有Al/Al20/Ta+Hf02/Si3N4/Si的柵結(jié)構(gòu)。在圖6中，水平軸代表時(shí) 間，垂直軸代表平帶電壓(V-Flat)。圖6示出當(dāng)以1.2k振蕩施加大約+18V 和-18V的電介質(zhì)應(yīng)力時(shí)比較樣品的保持特性。通過以大約200。C烘焙比較樣 品獲得圖6的結(jié)果。比較樣品的柵結(jié)構(gòu)的EOT被設(shè)為與根據(jù)示例實(shí)施例的樣品的柵結(jié)構(gòu)的 EOT大致相同。因此，比較樣品的氧化硅層的EOT被設(shè)為與根據(jù)示例實(shí)施例 的樣品的氮化硅層的EOT大致相同。圖5和圖6中的上面的圖示出電子的保
持特性，而圖5和圖6中的下面的圖示出空穴的保持特性。對比圖5和圖6,由氧化硅層形成的隧道絕緣層(如傳統(tǒng)技術(shù))示出當(dāng) 施加以大約1.2k振蕩的電介質(zhì)應(yīng)力時(shí)電子的保持下降(圖6)。相反地，如圖 5所示，由根據(jù)示例實(shí)施例的氮化硅層形成的隧道絕緣層示出相對于比較樣 品，電子的保持得到改善。因此，可改善在多級(jí)編程中很重要的電子保持特性。如上所述，可使用摻雜過渡金屬的較高k介電絕緣層形成電荷陷阱層。 可使用氮化硅層形成隧道絕緣層以減少或防止金屬-硅化合物的形成或金屬 擴(kuò)散到下面的硅溝道區(qū)。因此，可在電荷陷阱層的帶隙中形成更穩(wěn)定的電荷 陷阱，其中，可在電荷陷阱中捕獲電荷，從而提供一種具有改善的保持特性 的電荷陷阱非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器裝置。雖然已經(jīng)在此描述了示例實(shí)施例，應(yīng)理解其他變化也是可行的。這樣的 變化不應(yīng)被認(rèn)為是脫離本公開的示例實(shí)施例的精神和范圍，并且對于本領(lǐng)域 的技術(shù)人員很明顯，所有這樣的修改將被包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，包括在基底上的隧道絕緣層；以及在隧道絕緣層上的電荷陷阱層，其中，電荷陷阱層是摻雜一種或多種過渡金屬的較高k介電絕緣層，其中，隧道絕緣層不與電荷陷阱層中的一種或多種過渡金屬反應(yīng)，或者阻止電荷陷阱層中的所述一種或多種過渡金屬擴(kuò)散到基底。
2、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述隧道絕緣層由 氮化硅制成。
3、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述較高k介電絕 緣層具有大約IO或更高的介電常數(shù)。
4、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，在較高k絕緣層中 的金屬原子和氧原子中的至少 一個(gè)被過渡金屬原子取代。
5、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述一種或多種過 渡金屬中的至少 一種具有在d軌道上的價(jià)電子。
6、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，從包括Ta、 V、 Ru、 Nb、 W、 Mo、 Ni和Ti的組中選擇所述過渡金屬。
7、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述較高k介電絕 緣層由從包括Si02、 Hf02、 Zr02、 Si3N4、 A1203、 HfSiON、 HfON和HfAlO 的組中選擇的化合物制成。
8、 如權(quán)利要求7所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，從包括Ta、 V、 Ru、 Nb、 W、 Mo、 Ni和Ti的組中選擇所述過渡金屬。
9、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述較高k介電絕 緣層是Hf02層，并且所述Hf02層摻雜有從包括Ta、 V、 Ru和Nb的組中選擇的至少一種過 渡金屬。
10、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述較高k介電絕緣層是Al203層，并且所述人1203層4參雜有從包括W、 Ru、 Mo、 Ni、 Nb、 V和Ti的組中選擇 的至少一種過渡金屬。
11、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述一種或多種 過渡金屬被摻雜到大約為0.01%-15%原子百分比的濃度。
12、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述一種或多種過渡金屬包括至少兩種不同的過渡金屬。
13、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，還包括 在電荷陷阱層上的阻擋絕緣層；以及 在阻擋絕緣層上的柵電極。
14、 如權(quán)利要求13所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述阻擋絕緣層 由從包括Si3Hj、 HfD2、 Ta205、 Zr02和A1203的組中選擇的化合物制成。
15、 如權(quán)利要求13所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，柵電極由金、鋁、 釕制成或者由金、鋁、釕的合金制成。
16、 如權(quán)利要求13所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置,其中，柵電極由TaN 或硅化物制成。
17、 如權(quán)利要求1所述電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述基底包括第一 雜質(zhì)區(qū)和第二雜質(zhì)區(qū)。
18、 如權(quán)利要求1所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，所述隧道絕緣層 具有兩層結(jié)構(gòu)，所述隧道絕緣層包括氮化硅層和氧化硅層。
19、 如權(quán)利要求18所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，其中，氮化硅層在氧化 硅層上。
20、 如權(quán)利要求19所述的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置，還包括 在電荷陷阱層上的阻擋絕緣層；以及在阻擋絕緣層上的柵電極。
全文摘要
一種可包括形成于基底上的隧道絕緣層的電荷陷阱存儲(chǔ)器裝置。電荷陷阱層可形成于隧道絕緣層上，其中，電荷陷阱層是摻雜有一種或多種過渡金屬的較高k介電絕緣層。隧道絕緣層可與電荷陷阱層中的金屬相對不發(fā)生反應(yīng)。隧道絕緣層還可減少或防止電荷陷阱層中的金屬擴(kuò)散到基底。
文檔編號(hào)H01L29/792GK101159292SQ20071016304
公開日2008年4月9日 申請日期2007年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月4日
發(fā)明者崔相武, 成政憲, 樸祥珍, 申尚旻, 薛光洙 申請人:三星電子株式會(huì)社