本發(fā)明實施例提供存儲器裝置、柵極堆疊及其制造方法。
背景技術(shù):
非常希望按比例減小硅氧化氮氧化硅(sonos)存儲器裝置的擦除電壓,這通常已通過減小隧穿氧化層的厚度來實現(xiàn)。然而,常規(guī)sonos存儲器裝置具有導電存儲層,且因此較薄的隧穿氧化層將引起顯著的泄漏問題。所存儲的電荷更可能通過較薄的隧穿氧化層而非通過較厚的隧穿氧化層而泄漏到襯底。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明實施例提供一種存儲器裝置,其包括:襯底,其包含源極區(qū)域及漏極區(qū)域;以及柵極堆疊,其形成于所述襯底的表面上方,其中所述柵極堆疊包含:隧穿層;第一層;第二層;第三層;以及阻擋層;其中所述隧穿層及所述阻擋層中的每一者具有高于所述第一、所述第二及所述第三層的氧比例;在所述第一、所述第二及所述第三層中,所述第一層具有最高的硅比例;在所述第一、所述第二及所述第三層中,所述第二層具有最高的氧比例;及在所述第一、所述第二及所述第三層中,所述第一層具有最高的氮比例。
附圖說明
當結(jié)合附圖閱讀時,從以下詳細描述最佳理解本發(fā)明實施例的方面。應注意,根據(jù)行業(yè)中的標準慣例,各種特征件并非按比例繪制。實際上,為了清晰地論述,可隨意增加或減小各種特征件的尺寸。
圖1說明根據(jù)一些實施例的形成于襯底中以便隔離襯底的有源區(qū)域的隔離區(qū)域;
圖2說明根據(jù)一些實施例的形成于襯底上方的隧穿層;
圖3說明根據(jù)一些實施例的形成于隧穿層上方的富硅層;
圖4說明根據(jù)一些實施例的形成于富硅層上方的富氧層;
圖5說明根據(jù)一些實施例的形成于富氧層上方的富氮層;
圖6說明根據(jù)一些實施例的形成于富氮層上方的阻擋層及柵極電極層;
圖7說明根據(jù)一些實施例的經(jīng)圖案化的堆疊層;
圖8說明根據(jù)一些實施例的形成于柵極堆疊的側(cè)壁處的間隔件及圍繞ldd區(qū)域形成的源極/漏極區(qū)域;
圖9說明根據(jù)一些實施例的源極/漏極區(qū)域上方的硅化物區(qū)域;
圖10說明根據(jù)一些實施例的展示包含圖9的堆疊層的sonos存儲器裝置在低電場下的導帶及價帶的能級的帶圖;
圖11說明根據(jù)一些實施例的展示包含圖9的堆疊層的sonos存儲器裝置在隧穿層中的大約-7到大約10mv/cm的電場下的導帶及價帶的能級的帶圖;以及
圖12說明根據(jù)一些實施例的包含富硅層、富氧層及富氮層的sonos存儲器裝置的組成圖。
具體實施方式
以下揭示內(nèi)容提供用于實施本發(fā)明實施例的不同特征的許多不同實施例或?qū)嵗?。下文描述組件及布置的特定實例以簡化本發(fā)明實施例。當然,這些僅為實例且不希望具限制性。舉例來說,在以下描述中第一特征形成于第二特征上方或第一特征形成于第二特征上可包含其中第一及第二特征是直接接觸而形成的實施例,且也包含其中額外特征可形成于第一特征與第二特征之間使得第一特征與第二特征可不直接接觸的實施例。另外,本發(fā)明實施例可在各種實例中重復元件符號及/或字母。此重復是出于簡單及明確目的,且其本身并不指示所論述的各種實施例及/或配置之間的關(guān)系。
此外,可為了描述,在本文中使用例如“下方”、“之下”、“下”、“之上”、“上方”及類似物的空間相對術(shù)語,以描述如圖式中所說明的一個元件或特征與另一元件或特征的關(guān)系。所述空間相對術(shù)語希望涵蓋除圖式中所描繪的定向外的裝置在使用或操作中的不同定向。設備可以其它方式經(jīng)定向(旋轉(zhuǎn)90度或以其它定向),且同樣可相應地解釋本文中所使用的空間相對描述符。
雖然陳述本發(fā)明實施例的廣闊范圍的數(shù)值范圍及參數(shù)是近似值,但將盡可能精確地報告特定實例中所陳述的數(shù)值。然而,任何數(shù)值固有地含有必然由發(fā)現(xiàn)于相應測試測量中的標準偏差引起的某些誤差。此外,如本文中所使用,術(shù)語“大約”通常表示在給定值或范圍的10%、5%、1%、或0.5%內(nèi)。替代地,當所屬領域的一般技術(shù)人員考慮術(shù)語“大約”時,其表示在可接受的平均值的標準誤差內(nèi)。除在操作/運作實例中外,或除非另外明確指定,應理解,在全部實例中通過術(shù)語“大約”對全部數(shù)值范圍、量、值、及百分比進行修改,例如,用于本文中所揭示的材料的數(shù)量、持續(xù)時間、溫度、操作條件、量比、及其類似物的數(shù)值范圍、量、值、及百分比。因此,除非指示相反的意思,否則本發(fā)明實施例及所隨權(quán)利要求書中陳述的數(shù)值參數(shù)是可根據(jù)需要改變的近似值。至少應鑒于所報告的有效數(shù)字的數(shù)目并通過應用普通的湊整技術(shù)來解釋每一數(shù)值參數(shù)。本文中可將范圍表達為從一個端點到另一端點或在兩個端點之間。本文中揭示的全部范圍包含端點,除非另外指定。
圖1到9是由根據(jù)本發(fā)明實施例的一些實施例的硅氧化氮氧化硅(sonos)存儲器裝置制造工藝中的各種制造步驟形成的示意性橫截面圖。稍后將在與圖10到11有關(guān)的段落中提供sonos存儲器裝置的擦除操作及保持狀態(tài)的細節(jié)。
參考圖1到9描述以下描述,除非另外規(guī)定。圖1說明根據(jù)一些實施例的形成于襯底101中以便隔離襯底101的有源區(qū)域的隔離區(qū)域102及104。襯底101是(例如)塊狀硅襯底。替代地,襯底101由基礎半導體(例如晶體結(jié)構(gòu)中的硅或鍺);化合物半導體(例如硅鍺、碳化硅、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦,及/或銻化銦);或其組合組成。可能襯底101也包含絕緣體上硅(soi)襯底。使用注氧隔離(simox)、晶片接合、及/或其它合適的方法制造soi襯底。
襯底101可取決于如所屬領域中已知的設計要求包含各種摻雜區(qū)域(例如,p型阱或n型阱)。摻雜區(qū)域摻雜有p型摻雜劑(例如硼或bf2);n型摻雜劑(例如磷或砷);或其組合。摻雜區(qū)域(例如)以p阱結(jié)構(gòu)、n阱結(jié)構(gòu)、雙阱結(jié)構(gòu),或使用突出結(jié)構(gòu)直接形成于襯底101上。半導體襯底101可進一步包含各種有源區(qū)域,例如針對n型金屬氧化物半導體晶體管裝置所配置的區(qū)域及針對p型金屬氧化物半導體晶體管裝置所配置的區(qū)域。
隔離區(qū)域102及104利用例如淺溝槽隔離(sti)的隔離技術(shù),以界定及電隔離各種區(qū)域。隔離區(qū)域102及104包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氣隙、其它合適的材料,或其組合。隔離區(qū)域102及104由任何合適的工藝形成。作為一個實例,sti的形成包含光刻工藝在襯底中蝕刻溝槽(例如,通過使用干式蝕刻及/或濕式蝕刻)及使用一或多種電介質(zhì)材料填充溝槽(例如,通過使用化學氣相沉積工藝)。如在當前實施例中,可部分填充溝槽,其中溝槽之間剩余的襯底形成鰭狀結(jié)構(gòu)。在一些實例中,經(jīng)填充的溝槽可具有多層結(jié)構(gòu),例如,填充有氮化硅或氧化硅的熱氧化物襯層。
在一個實施例中,襯底101由例如硅的塊狀材料形成。在替代實施例中,襯底101具有絕緣體上硅(soi)結(jié)構(gòu),其在掩埋氧化物(box)層上具有半導體層,掩埋氧化物(box)層進一步位于半導體層上。在另外的實施例中,可使用絕緣體上應變si(ssoi)。
圖2說明根據(jù)一些實施例的形成于襯底101上方的隧穿層106。也稱為空穴隧穿層或隧穿電介質(zhì)層的隧穿層106由氧化物(例如氧化硅或二氧化硅)組成,其通過襯底101的表面上的熱氧化而形成。在一些實施例中,隧穿層106的厚度小于大約
在此實施例中,sonos存儲器裝置具有比現(xiàn)有sonos類型存儲器結(jié)構(gòu)更復雜的結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)有sonos類型存儲器結(jié)構(gòu)的氮化硅層(也稱為存儲層或電荷俘獲層)包含具有相異組合物的三個層,其包含富硅層108(圖3到9中標記)、富氧層110(圖4到9中標記)及富氮層112(圖5到9中標記)。圖3說明根據(jù)一些實施例的形成于隧穿層106上方的富硅層108。富硅層108是本發(fā)明實施例的sonos存儲器裝置的三個層108到112的底層。富硅層108具有在大約20到50原子百分比的范圍內(nèi)的硅比例。在一些實施例中,富硅層108通過cvd、lpcvd或ald操作或類似者形成。
富硅層108具有大于大約
圖4說明根據(jù)一些實施例的形成于富硅層108上方的富氧層110。富氧層110是本發(fā)明實施例的sonos存儲器裝置的三個層108到112的中間層。富氧層110具有大約15到50原子百分比范圍的氧比例。在一些實施例中,類似于富硅層108,富氧層110通過cvd、lpcvd或ald操作或類似者形成。
富氧層110具有大于大約
圖5說明根據(jù)一些實施例的形成于富氧層110上方的富氮層112。富氮層112是本發(fā)明實施例的sonos存儲器裝置的三個層108到112的頂層。富氮層112的導帶邊緣ecb3(圖10中標記)在其它兩個氮化硅層(即,富硅層108及富氧氮化物層110)之間。在此實施例中,富氮層112是具有較高陷阱密度的電介質(zhì)層,例如電荷俘獲材料氮氧化硅(sixoynz)。富氮層112具有分別小于大約30原子百分比的氧比例及硅比例。在一些實施例中,類似于富硅層108及富氧層110,富氮層112通過cvd、lpcvd或ald操作或類似者形成。在具有富氮層112的情況下,電荷圍繞陷阱存儲于其中,且因此兩個或甚至四個位可被存儲于一個單元(多級單元)中。
圖6說明根據(jù)一些實施例的形成于富氮層112上方的阻擋層114及柵極電極層116。在此實施例中,阻擋層114具有較低的電荷泄漏。因此,阻擋層114優(yōu)選地具有較高的導帶邊緣,使得阻擋層114的勢壘高度φb2較高,所述勢壘高度φb2是阻擋層114的導帶邊緣與隨后形成的柵極電極層116的導帶邊緣之間的差。勢壘高度φb2優(yōu)選地大于大約1.2ev。在此實施例中,阻擋層114由氧化物(例如氧化硅或二氧化硅)組成,其通過富氮層112上的熱氧化而形成??蛇\用通常使用的方法(例如,cvd、lpcvd或ald操作,及類似者)來產(chǎn)生阻擋層114。
在此實施例中,柵極電極層116包含p+或n+多晶硅。其它實施例將金屬、金屬化合物或金屬及金屬化合物的組合用于柵極電極層116,例如銥(ir)、鉑(pt)、鎳(ni)、鈀(pd)、銠(rh)、氮化鉭(tan)、金屬硅化物、鋁(al)或其它金屬或金屬化合物柵極材料。針對一些應用,優(yōu)選地使用具有較高功函數(shù)的材料。較高功函數(shù)也有助于增加勢壘高度φb2,從而減小通過阻擋層114的非所要fn隧穿,所述非所要fn隧穿導致在擦除操作期間電荷泄漏到富氮層112中并使富氮層112再裝滿。用于沉積柵極電極層116的示范性方法包含濺鍍或物理氣相沉積(pvd)。在其它實施例中,柵極電極層116包含導電金屬氧化物及/或金屬氮氧化物。
圖7說明根據(jù)一些實施例的經(jīng)圖案化的堆疊層106到116。接著,堆疊層106到116經(jīng)圖案化,從而在隔離區(qū)域102與104之間形成柵極堆疊170,如圖7中所展示。輕摻雜區(qū)域(ldd)118及120(例如)通過植入n型雜質(zhì)而形成于柵極堆疊170的兩個側(cè)處。柵極堆疊170用作自對準掩模,使得ldd區(qū)域118及120與柵極堆疊170的邊緣大體上對準。
圖8說明根據(jù)一些實施例的形成于柵極堆疊170的側(cè)壁上方的間隔件122、124及圍繞ldd區(qū)域118及120形成的源極/漏極區(qū)域119及121。間隔件122及124可由眾所周知的方法形成,例如,將電介質(zhì)層毯覆式沉積于整個區(qū)域上方,進行各向異性蝕刻以從水平表面移除電介質(zhì)層,并留下間隔件122及124。源極/漏極區(qū)域119及121可通過植入n型雜質(zhì)形成。通過遮蔽柵極堆疊170及柵極間隔件122及124,源極/漏極區(qū)域119及121與柵極間隔件122及124的邊緣大體上對準。
圖9說明根據(jù)一些實施例的源極/漏極區(qū)域119及121上方的硅化物區(qū)域126及128。為形成硅化物區(qū)域126及128,通過將薄金屬層(例如,鈷、鎳、鉺、鉬、鉑,及類似物)沉積于裝置上方而形成金屬層。退火操作用于在經(jīng)沉積的金屬與下伏暴露的硅區(qū)域之間形成硅化物區(qū)域126及128。移除過量金屬以獲得圖9中所展示的硅化物區(qū)域126及128的輪廓。
參考圖10到11描述以下描述,除非另外規(guī)定。圖10說明根據(jù)本發(fā)明實施例的一些實施例的展示包含圖9的堆疊層101到116的sonos存儲器裝置在低電場下的的導帶及價帶的能級的帶圖。本發(fā)明實施例中提供的富硅層108、富氧層110,及富氮層112的布置是為了防止在富氮層112中俘獲的電子在低電場條件下泄漏到襯底。替代地陳述,布置也用于防止襯底中的空穴在低電場條件下隧穿到富氮層112中并湮滅俘獲的電子。圖9的堆疊層101到116包含襯底101、隧穿層106、富硅層108、富氧層110、富氮層112、阻擋層114及柵極電極層116。帶圖的上部中描繪的階梯線展示導帶邊緣;且?guī)D的下部中描繪的另一階梯線展示價帶邊緣。
從右側(cè)到左側(cè),展示襯底、隧穿層、富硅層、富氧層、富氮層、阻擋層及柵極電極層的帶隙,其中每一層中的帶隙不同。隧穿層、富硅層及富氧層的導帶邊緣一起展示大體上“u形”輪廓;且隧穿層、富硅層及富氧層的價帶邊緣一起展示大體上“反轉(zhuǎn)的u形”輪廓。自從上一次對其執(zhí)行寫入操作之后,由具有負號的圓圈表示的電子被俘獲于富氮層內(nèi)。在其中(例如)施加于sonos存儲器裝置的電場及/或環(huán)境溫度在特定的閾值電壓或特定閾值度內(nèi)的正常條件下,富氮層內(nèi)所俘獲的電子大體上不能隧穿到襯底的導帶。這是因為隧穿層及富氧層的導帶邊緣相對于富氮層中的俘獲能級依然較高。
在圖10中,電子隧穿的可能性與在“u形”導帶下方且在陷阱到襯底的能級處的水平線上方的區(qū)域相關(guān)(所述區(qū)域由斜線標出)。因此,富氮層112中俘獲的電子在低場條件下更不可能隧穿到襯底。同樣地,襯底的價帶中的空穴由隧穿層、富硅層及富氧層的全厚度阻擋而不能隧穿到俘獲層,即,富氮層。另外,空穴隧穿也由襯底與隧穿層之間的界面處的較高的空穴隧穿阻礙。空穴隧穿的可能性與在“反轉(zhuǎn)的u形”價帶上方且在襯底到富氮層的能級處的水平線下方的區(qū)域相關(guān)(所述區(qū)域由斜線標出)。因此,在低場條件下,空穴隧穿是非常不可能的。
如關(guān)于圖1到9的先前段落中所提及,隧穿層106由氧化物組成,例如氧化硅或二氧化硅。隧穿層106擁有較高的空穴隧穿勢壘,其防止從襯底101到富氮層112的空穴隧穿。此外,富硅層108、富氧層110及富氮層112中的價帶邊緣依然顯著低于襯底101中的價帶邊緣。因此,本文中描述的隧穿層106特征為帶偏移特性,其包含在襯底101與富硅層108之間的界面處的具有厚度to1的相對較薄的區(qū)域中的相對較大的空穴隧穿勢壘。
具有厚度tn1且以相對較高的價帶邊緣為特征的富硅層108位于隧穿層106與富氧層110之間。富氧層110以價帶邊緣的降低為特征,從而導致反轉(zhuǎn)的u形價帶形狀。同樣地,導帶具有由相同的材料選擇所引起的u形。因為實施例中運用的堆疊層108到112在現(xiàn)有sonos類型存儲器結(jié)構(gòu)中用作存儲層或電荷俘獲層的替換,所以堆疊層108到112的整個厚度,即,厚度tn1、tn2及tn3的和優(yōu)選地大體上相同或類似于現(xiàn)有sonos類型存儲器結(jié)構(gòu)中的存儲層或電荷俘獲層的厚度。
控制厚度tn1、tn2及tn3的和使其不超過現(xiàn)有sonos類型存儲器結(jié)構(gòu)中的存儲層或電荷俘獲層的厚度太多,可防止跨越堆疊層101到116的電場顯著減小。請注意,跨越堆疊層101到116的電場在執(zhí)行擦除操作時必須高于特定閾值。所以使整個厚度tn1、tn2及tn3增加太多可使對其執(zhí)行的擦除操作的效率劣化。稍后將在與圖11有關(guān)的以下段落中描述關(guān)于擦除操作的描述。
富氧層110使富硅層108與富氮層112隔離。這增加了在低電場期間針對電子及空穴兩者的有效阻擋能力,從而改進電荷保持。在此實施例中,富硅層108必須足夠薄使得其具有可忽略不計的電荷俘獲效率。在一些實施例中,富氧層110具有厚度tn2,其大體上厚于富硅層108,從而降低所得sonos存儲器裝置的泄漏并延長其保持時間。富氮層112具有厚度tn3,其大體上厚于富氧層110及富硅層108,以便提供足夠的俘獲量。
根據(jù)本發(fā)明實施例的一些實施例,堆疊層108到112中的每一者的厚度之間的關(guān)系可表示為:tn3>tn2>tn1。然而,這并非是本發(fā)明實施例的限制,在一些實施例中,所述關(guān)系可為:tn3>tn1>tn2。根據(jù)本發(fā)明實施例的一些實施例,富硅層108的陷阱密度dtn1、富氧層110的陷阱密度dtn2、富氮層112的陷阱密度dtn3之間的關(guān)系可表示為:dtn3>dtn1>dtn2。
圖11說明根據(jù)本發(fā)明實施例的一些實施例的展示包含圖9的堆疊層101到116的sonos存儲器裝置在隧穿層106中的大約-7到大約10mv/cm的電場下的導帶及價帶的能級的帶圖。電場用于誘發(fā)空穴隧穿的目的。在其中正電勢接觸襯底側(cè)且負電勢接觸電極側(cè)的某些電場下,帶傾斜,如圖11中所展示。因此,襯底中的空穴的fn隧穿可能性大幅增加。本發(fā)明實施例中提供的富硅層108、富氧層110,及富氮層112的布置是用于促進在高電場條件下從襯底通過隧穿層并成功到達富氮層的空穴隧穿以便湮滅俘獲的電子。
如圖11中可見,歸因于富硅層108的存在,富氧層110的價帶邊緣可進一步提升,且其最低價帶邊緣與襯底價帶邊緣大體上齊平。因而,可顯著減小對空穴隧穿的妨礙,從而允許根據(jù)本發(fā)明實施例的一些實施例的在相對較小電場下的較大空穴隧穿電流。
圖12說明根據(jù)本發(fā)明實施例的一些實施例的包含富硅層108、富氧層110及富氮層112的sonos存儲器裝置的組成圖。所述組成圖至少提供三個層108到112之間的相對關(guān)系。如圖12中所展示,富氮層112具有最高的氮比例,富硅層108具有第二最高的氮比例,且富氧層110具有最低的氮比例。氮比例與上述段落中描述的陷阱密度相關(guān)。關(guān)于硅比例,富硅層108具有最高的硅比例,富氮層112具有第二最高的硅比例,且富氧層110具有最低的硅比例。硅比例與帶隙相關(guān)。此外,關(guān)于氧比例,富氧層110具有最高的氧比例,富硅層108具有第二最高的氧比例,且富氮層112具有最低的氧比例。
本發(fā)明實施例的實施例具有數(shù)個有利特征。泄漏較低,且因此所得非易失性存儲器(例如,快閃存儲器裝置)的保持時間較長。擦除電壓減小,因此額外有利特征包含較快的擦除操作。所揭示的sonos存儲器裝置的制造工藝可容易地集成到現(xiàn)有互補金屬氧化物半導體(cmos)工藝中。
本發(fā)明實施例的一些實施例提供一種存儲器裝置,其包含:襯底,其包含源極區(qū)域及漏極區(qū)域;及柵極堆疊,其形成于所述襯底的表面上方,其中所述柵極堆疊包含:隧穿層;第一層;第二層;第三層;及阻擋層;其中所述隧穿層及所述阻擋層中的每一者具有高于所述第一、所述第二及所述第三層的氧比例;在所述第一、所述第二及所述第三層中,所述第一層具有最高的硅比例;在所述第一、所述第二及所述第三層中,所述第二層具有最高的氧比例;以及在所述第一、所述第二及所述第三層中,所述第一層具有最高的氮比例。
前述內(nèi)容概述數(shù)個實施例的特征,使得所屬領域的技術(shù)人員可更好地理解本發(fā)明實施例的方面。所屬領域的技術(shù)人員應了解,其可容易地使用本發(fā)明實施例作為設計或修改用于執(zhí)行相同目的及/或?qū)崿F(xiàn)本文中所介紹的實施例的相同優(yōu)點的其它過程及結(jié)構(gòu)的基礎。所屬領域的技術(shù)人員也應意識到,此類等效構(gòu)造并不背離本發(fā)明實施例的精神及范圍,且其可在不背離本發(fā)明實施例的精神及范圍的情況下在本文中做出各種改變、替代,及更改。