專利名稱：一種電荷俘獲存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非揮發(fā)存儲器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種多柵電荷俘獲存儲器。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)型存儲器具有存儲數(shù)據(jù)斷電后仍然不會丟失的特點(diǎn)，這種特性很好地適用于當(dāng)代移動通訊，圖片存儲和計(jì)算機(jī)存儲部件等領(lǐng)域。一些非揮發(fā)型存儲器還具有高密度，大容量存儲能力，這更滿足了人們?nèi)粘Ｉ畹男畔⑻幚淼雀鞣N應(yīng)用。電荷俘獲存儲器(BE-S0N0S型存儲器)具有娃、第一氧化層、第一氮化層、第二氧化層、第二氮化層、第三氧化層、娃結(jié)構(gòu)，其中第一氧化層、第一氮化層、第二氧化層合稱為隧穿氧化層，所以可以等效認(rèn)為電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器是由一層隧穿氧化層，一層氮化硅層和一層阻擋氧化層組成。電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器采用量子FN隧穿，直接隧穿，陷阱輔助隧穿等相關(guān)效應(yīng)和熱載流子注入效應(yīng)將電荷(電子或空穴)通過隧穿氧化層注入到氮化硅層，并被氮化硅層中的電荷陷阱俘獲，從而引起器件單元閾值電壓的改變，達(dá)到數(shù)據(jù)存儲的效果。如圖I所示，目前電荷俘獲存儲器采用硅材料制作，雖然硅材料能滿足諸如高擊穿電壓和高容量等性能，但是隨著科技和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，在材料選擇方面有著越來越大的空間，二氧化硅(SiO2)變?yōu)榈?Si3N4)介電材料，使得器件中泄露電流降低，容量增高；隨著集成電路的發(fā)展，器件的尺寸越來越小，由于硅材料在尺寸進(jìn)一步縮小方面的障礙和給標(biāo)準(zhǔn)薄膜性能帶來的物理局限性，不得不使業(yè)界考慮尋找更高性能的可替代材料，隨著器件尺寸的縮小，產(chǎn)生了短溝道效應(yīng)(The Short Channel Effect),這在一定程度上影 響了半導(dǎo)體器件的正常工作，這是由于溝道長度減小到一定程度后，源極、漏極的耗盡區(qū)在整個溝道中所占的比重增大，柵下面的硅表面形成反型層所需的電荷量減小，因而閾值電壓減小。同時襯底內(nèi)耗盡區(qū)沿溝道寬度側(cè)向展寬部分的電荷使閾值電壓增加。當(dāng)溝道寬度減小到與耗盡層寬度同一量級時，閾值電壓增加變得十分顯著。短溝道器件閾值電壓對溝道長度的變化非常敏感

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種電荷俘獲存儲器，可以使在多柵存儲器編程、擦除的時間縮短并且可以降低在編程時的電壓，提高信息保持時間。( 二 )技術(shù)方案本發(fā)明提供一種電荷俘獲存儲器，包括襯底、源極、漏極、隧穿層、電荷俘獲層、阻擋層和包圍溝道的多柵極，所述襯底的兩端形成源級和漏極，形成于所述襯底之上的隧穿層將所述源極和漏極隔開，在所述隧穿層上面依次為電荷俘獲層、阻擋層和包圍溝道的多柵極，所述包圍溝道的多柵極依次包圍隧穿層、電荷俘獲層和阻擋層。更好地，所述柵極材料包括鉬、金、鋁化鈦合金、鈀、鋁所構(gòu)成的組合物、金屬氮化物、金屬硼氮化物、金屬硅氮化物、金屬硅化物和金屬鋁氮化物中的至少一種。更好地，所述電荷俘獲層材料包括氧化鉭、二氧化鈦、鈦酸鋇，鈦酸鍶、二氧化鋯、鋯鈦酸鉛、二氧化鉿、氧 化鋁、氧化釔、氧化鑭、富含氧的氧氮化硅、富含氮的氧氮化硅、氮化鋁、氮化硅、富含硅的氮化物、氧化鉿、氧化鈦、氮氧化鉿和硅酸鉿中的至少一種。 更好地，所述阻擋層材料為介電常數(shù)大于二氧化硅的介電常數(shù)的介電材料，其包括硅的氧化物、鉿的氧化物、鋯的氧化物、硅的氮化物、鋁的氧化物、氮氧化鉿化合物、鋁酸鉿化合物、二氧化鈦，五氧化二鉭，氧化鋁，二氧化鈰，三氧化鎢，氧化釔中的至少一種。更好地，所述二氧化硅的介電常數(shù)為3. 9，所述阻擋氧化層介電常數(shù)至少為7。更好地，所述阻擋層由鉿的氧化物形成，摻雜在所述阻擋層中的過渡金屬為鉭、釩、釕和鈮中的至少一種。更好地，所述阻擋層由鋯的氧化物形成，摻雜在所述阻擋層中的過渡金屬為鎢、釕、鑰、鎳、鈮、釩、鈦和鋅中的至少一種。更好地，所述隧穿層材料包括三氧化二鋁、三氧化二鐠、二氧化鈦、二氧化硅、二氧化鉿、二氧化鋯、氮化硅、氮化鋁、氮化鉿中的至少一種。更好地，所述隧穿層包括依次形成的第一氧化層、氮化層和第二氧化層或者第一氮化層、氧化層和第二氮化層。(三)有益效果本發(fā)明提供的多柵電荷俘獲存儲器可以使在多柵存儲器編程、擦除的時間縮短并且可以降低在編程時的電壓，提高信息保持時間，更重要的是，隨著器件工藝的不但縮小而產(chǎn)生的短溝道效應(yīng)，多柵存儲器器件能很好的克服這一點(diǎn)。同時，采用多柵的電荷俘獲存儲器后，由于柵極的控制能力增強(qiáng)，很好的降低了器件的工作電壓。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)電荷俘獲存儲器的整體結(jié)構(gòu)不意圖；圖2為本發(fā)明電荷俘獲存儲器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2電荷俘獲存儲器的xOy剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明電荷俘獲存儲器的編程操作示意圖；圖5為本發(fā)明電荷俘獲存儲器的擦除操作示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。圖2為本發(fā)明電荷俘獲存儲器的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為圖2電荷俘獲存儲器的xOy剖面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2和圖3所示，本發(fā)明電荷俘獲存儲器，包括襯底101b、源極100s、漏極102d、隧穿層109 (由溝道至柵極的方向上依次為第一氧化層103，氮化層104，第二氧化層105或是第一氮化層，氧化層，第二氮化層)、電荷俘獲層106、阻擋層107和包圍溝道的多柵極108g，所述襯底IOlb的兩端形成源級IOOs和漏極102d，形成于所述襯底IOlb之上的隧穿層109將所述源極IOOs和漏極102d隔開，在所述隧穿109層上面依次為電荷俘獲層106、阻擋層107和包圍溝道的多柵極108g ;所述包圍溝道的多柵108g極依次包圍隧穿層109、電荷俘獲層106和阻擋層107。所述柵極401材料包括鉬、金、鋁化鈦合金、鈀、鋁所構(gòu)成的組合物、金屬氮化物、金屬硼氮化物、金屬硅氮化物、金屬硅化物和金屬鋁氮化物等材料中的至少一種。所述阻擋層402材料為介電常數(shù)大于二氧化硅的介電常數(shù)的介電材料，所述二氧化硅的介電常數(shù)為3. 9，所述阻擋氧化層介電常數(shù)至少為7，其包括硅的氧化物(SixOy)、鉿的氧化物(HfxOy)、鋯的氧化物(ZrxOy)、硅的氮化物(SixNy)、鋁的氧化物(AlxOy)、氮氧化鉿硅化合物(HfxSiyOzNk)、氮氧化鉿化合物(HfxOyNz)、鋁酸鉿化合物(HfxAlyOz)、二氧化鈦，五氧化二鉭，氧化鋁，二氧化鈰，三氧化鎢，氧化釔等高介電材料中的至少一種。另外，當(dāng)所述阻擋層402由鉿的氧化物(HfxOy)形成，摻雜在所 述阻擋層中的過渡金屬為鉭、釩、釕和鈮等過渡金屬中的至少一種。如果當(dāng)所述阻擋層402由鋯的氧化物(ZrxOy)形成，摻雜在所述阻擋層中的過渡金屬為鎢、釕、鑰、鎳、鈮、釩、鈦和鋅等過渡金屬中的至少一種。所述電荷俘獲層403材料包括氧化鉭、二氧化鈦、鈦酸鋇，鈦酸鍶、二氧化鋯、鋯鈦酸鉛、二氧化鉿、氧化鋁、氧化釔、氧化鑭、富含氧的氧氮化硅、富含氮的氧氮化硅、氮化鋁、氮化硅、富含硅的氮化物、氧化鉿、氧化鈦、氮氧化鉿和硅酸鉿等材料中的至少一種。業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)集中于二氧化鉿(HfO2)和二氧化鋯(ZrO2)，而HfO2或鉿化物成了首選，因其具有高介電常數(shù)，揮發(fā)性和熱穩(wěn)定性，在沉積過程中具有良好的平衡和合理的待隙寬度的優(yōu)勢。與HfO2材料相比，恰當(dāng)?shù)腪rO2形態(tài)具有更加良好的介電常數(shù)性能，但帶隙稍窄，有向周圍泄露的問題。不過可以形成二氧化鋯/三氧化二鋁/ 二氧化鋯(總稱ZAZ)這樣的層結(jié)構(gòu)，來解決泄露的問題。所述隧穿層包括依次形成的第一氧化層404a、氮化層404b和第二氧化層404c，所述隧穿層404高介電材料為三氧化二鋁、三氧化二鐠、二氧化鈦、二氧化硅、二氧化鉿、二氧化鋯、氮化硅、氮化鋁、氮化鉿等材料中的至少一種。另外，如果所述隧穿層404中包含了兩個以上的子層，那么所述兩個以上子層為氧化鋁、三氧化二鐠、二氧化硅、二氧化鈦、二氧化鉿、二氧化鋯、氮化硅、氮化鋁、氮化鉿、HfAlO, HfSiO, HfLaO、富含氧的氧氮化硅(SiON)(折射率約為I. 5)，富含氮的氧氮化硅(SiON)(折射率為I. 8)，鉿和鋁的混合氧化物以及鉿與鈦的混合氧化物中的一者。本發(fā)明高介電常數(shù)材料的特點(diǎn)傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)層禁帶寬度為8. 9eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅的I. leV，并在SiO2和Si的界面有比較對稱的能帶偏移，因而其阻止電子從導(dǎo)帶遂穿和空穴從價帶遂穿的勢壘高度都有4eV左右，這決定了它良好的絕緣性，這一優(yōu)點(diǎn)可以很好的應(yīng)用于BE-SONOS的阻擋氧化層中，因?yàn)榻殡娭堤邥共牧系奈锢砗穸冗^大，在工藝生產(chǎn)中將會出現(xiàn)光刻深度及布線時的爬坡等問題，而介電值太低，則體現(xiàn)不出新型高介電常數(shù)柵介質(zhì)的優(yōu)越性。高介電常數(shù)柵介質(zhì)層漏電流的大小除了介質(zhì)層厚度有關(guān)外，與材料本身的能帶結(jié)構(gòu)關(guān)系十分密切。通常情況下，介電常數(shù)越大，介質(zhì)的禁帶寬度越小，它們與Si之間的能帶偏移也比較小，這樣容易導(dǎo)致了熱發(fā)射穿的勢壘高度都有4eV左右，決定了他良好的絕緣性。圖4為本發(fā)明電荷俘獲存儲器的編程操作示意圖，如圖4所示，編程時采用溝道熱電子注入，當(dāng)器件單元的漏極202d和柵極208g加上正的高電壓，源級200s和襯底201b接地時，產(chǎn)生的溝道熱電子通過隧穿氧化層209注入到漏極202d附近的氮化硅層206中，使整個存儲器單元的閾值電壓升高。
圖5為本發(fā)明電荷俘獲存儲器的擦除操作示意圖，如圖5所示，擦除是采用漏端的熱空穴通過隧穿氧化層注入，當(dāng)器件單元的漏極302d加上正的高電壓，柵極308g加上負(fù)的高電壓，襯底301b接地時，帶帶隧穿產(chǎn)生的熱空穴將會注入到漏極302d附近的氮化硅層306中，中和掉存儲在里面的電子，使整個存儲單元的閾值電壓下降。
以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種電荷俘獲存儲器，其特征在于，包括襯底、源極、漏極、隧穿層、電荷俘獲層、阻擋層和包圍溝道的多柵極，所述襯底的兩端形成源級和漏極，形成于所述襯底之上的隧穿層將所述源極和漏極隔開，在所述隧穿層上面依次為電荷俘獲層、阻擋層和包圍溝道的多柵極，所述包圍溝道的多柵極依次包圍隧穿層、電荷俘獲層和阻擋層。
2.如權(quán)利要求I所述的電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述柵極材料包括鉬、金、鋁化鈦合金、鈀、鋁所構(gòu)成的組合物、金屬氮化物、金屬硼氮化物、金屬硅氮化物、金屬硅化物和金屬鋁氮化物中的至少一種。
3.如權(quán)利要求I所述的電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述電荷俘獲層材料包括氧化鉭、二氧化鈦、鈦酸鋇，鈦酸銀、二氧化錯、錯鈦酸鉛、二氧化鉿、氧化招、氧化釔、氧化鑭、富含氧的氧氮化硅、富含氮的氧氮化硅、氮化鋁、氮化硅、富含硅的氮化物、氧化鉿、氧化鈦、氮氧化鉿和娃酸鉿中的至少一種。
4.如權(quán)利要求I所述的電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述阻擋層材料為介電常數(shù)大于二氧化硅的介電常數(shù)的介電材料，其包括硅的氧化物、鉿的氧化物、鋯的氧化物、硅的氮化物、鋁的氧化物、氮氧化鉿化合物、鋁酸鉿化合物、二氧化鈦，五氧化二鉭，氧化招，二氧化鋪，三氧化鶴，氧化釔中的至少一種。
5.如權(quán)利要求4所述的電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述二氧化硅的介電常數(shù)為3. 9，所述阻擋氧化層介電常數(shù)至少為7。
6.如權(quán)利要求4所述的電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述阻擋層由鉿的氧化物形成，摻雜在所述阻擋層中的過渡金屬為鉭、釩、釕和鈮中的至少一種。
7.如權(quán)利要求4所述的電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述阻擋層由鋯的氧化物形成，摻雜在所述阻擋層中的過渡金屬為鎢、釕、鑰、鎳、鈮、釩、鈦和鋅中的至少一種。
8.如權(quán)利要求I所述的電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述隧穿層材料包括三氧化二鋁、三氧化二鐠、二氧化鈦、二氧化硅、二氧化鉿、二氧化鋯、氮化硅、氮化鋁、氮化鉿中的至少一種。
9.如權(quán)利要求8所述的電荷俘獲型非揮發(fā)性存儲器，其特征在于，所述隧穿層包括依次形成的第一氧化層、氮化層和第二氧化層或者第一氮化層、氧化層和第二氮化層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電荷俘獲存儲器，包括襯底、源極、漏極、隧穿層、電荷俘獲層、阻擋層和包圍溝道的多柵極，所述襯底的兩端形成源級和漏極，形成于所述襯底之上的隧穿層將所述源極和漏極隔開，在所述隧穿層上面依次為電荷俘獲層、阻擋層和包圍溝道的多柵極，所述包圍溝道的多柵極依次包圍隧穿層、電荷俘獲層和阻擋層。。本發(fā)明的多柵電荷俘獲存儲可以使在存儲器編程、擦除的時間縮短并且可以降低在編程時的電壓，提高信息保持時間。
文檔編號H01L27/115GK102683350SQ20121011706
公開日2012年9月19日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者劉曉彥, 葉鋒, 康晉鋒, 杜剛 申請人:北京大學(xué)