包括柔性納米浮柵的非易失性存儲設(shè)備及制造該設(shè)備的方法
【專利說明】包括柔性納米浮柵的非易失性存儲設(shè)備及制造該設(shè)備的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉參考
[0002]本申請要求于2013年12月19日提交的申請?zhí)枮镹0.10-2013-0159738的韓國專利申請的優(yōu)先權(quán)，其在此通過引用被全部并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明的各種實施例涉及一種包括柔性納米浮柵的非易失性存儲器，以及制造該非易失性存儲器的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]對于閃存、一類非易失性存儲設(shè)備的需求在移動設(shè)備和數(shù)字工業(yè)領(lǐng)域迅猛地增長，諸如移動電話、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)、通用串行總線(USB)等。
[0005]目前被商業(yè)化的與NAND閃存設(shè)備基于晶體管閾值電壓的變化來運(yùn)行。在閾值電壓上的變化由浮柵中存儲的電荷引發(fā)。該浮柵由多晶硅形成并可以被充電或放電。然而，浮柵中的非均勻多晶硅的分布增加了設(shè)備的閾值電壓的可變性以及高至5到1V的運(yùn)行電壓需要大量的能量消耗。同樣地，當(dāng)按比例縮小時，蝕薄的絕緣層導(dǎo)致浮柵的電荷泄漏到通道，由于其會導(dǎo)致存儲數(shù)據(jù)的丟失所以這是一個非常嚴(yán)重的問題。
[0006]為解決這些問題并獲得高的可靠性，穩(wěn)定地保持電荷、消耗更少電能、以高速運(yùn)行、以及具有高的積合度(integrat1n)，專利號為N0.8,093，129的美國專利公開了一種納米浮柵存儲設(shè)備(NFGM)，其通過形成納米級粒子的浮柵來制造(其可以隨納米粒子被簡單提及)。該浮柵僅為存儲電荷的存儲節(jié)點(diǎn)。
[0007]由于彼此之間未電連接的納米粒子存儲電荷，該納米浮柵存儲設(shè)備可以最小化由蝕薄的絕緣層導(dǎo)致的數(shù)據(jù)遺失的可能性并獲得優(yōu)越的數(shù)據(jù)保持性能。同樣地，該納米浮柵存儲設(shè)備可以被按比例縮小以降低電力消耗以及，由于其能夠執(zhí)行程序和/或通過直接在低電壓上開通通道以刪除操作，其運(yùn)行速率可以被顯著提升。然而，由于該納米浮柵存儲設(shè)備僅僅使用單一的晶體管，其具有很多有利的方面，包括可以獲得高的結(jié)合度的能力。
[0008]然而，該納米浮柵存儲設(shè)備具有以下缺點(diǎn)。其很難在所需要的區(qū)域密集地形成納米粒子，該控制柵的下部不允許在閾值電壓上發(fā)生太多變化。同樣地，在納米粒子尺寸上的廣泛分布會導(dǎo)致寬閾值電壓分布，其弱化了設(shè)備的再生性和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的各種實施例針對一種包括柔性納米浮柵的非易失性存儲設(shè)備，其可以按比例縮小以獲得低的電力消耗同時其即使按比例縮小時仍然具有優(yōu)越的運(yùn)行穩(wěn)定性、再生性、以及可靠性，同時針對一種用于制造該非易失性存儲設(shè)備的方法。
[0010]在一個實施例中，非易失性存儲設(shè)備包括:用于在柔性襯底上面進(jìn)行電荷的充電和放電的浮柵，其中該浮柵包括:在柔性襯底上面形成且包括被結(jié)合在金屬離子上的連接基團(tuán)的連接層；以及在該連接層上面由金屬離子形成的金屬納米粒子。
[0011]該柔性襯底可以包括含有適于作為表面層結(jié)合到連接基團(tuán)的羥基官能團(tuán)(-OH)的有機(jī)材料。
[0012]該柔性襯底可以為聚合物，包括選自以下聚合物的一種:聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯酸乙二酯(PEN)、聚酰亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙酰纖維素(TAC)、聚醚砜(PES)、聚二甲硅氧烷(PDMS)，或其混合物。
[0013]該非易失性存儲設(shè)備可以進(jìn)一步包括:在襯底和浮柵之間插入的隧穿絕緣層；在浮柵上面形成的柵絕緣層；以及在柵絕緣層上面形成的控制柵。
[0014]該連接基團(tuán)可以被有機(jī)分子結(jié)合到柔性襯底的表面上。
[0015]該浮柵可以進(jìn)一步包括無機(jī)氧化物和/或被結(jié)合到金屬納米粒子的表面的電介質(zhì)有機(jī)材料。
[0016]該浮柵可以進(jìn)一步包括一種或多種被結(jié)合到金屬離子或金屬納米粒子的有機(jī)表面活性劑。
[0017]該有機(jī)表面活性劑可以為含氮的有機(jī)材料或含硫的有機(jī)材料。
[0018]該有機(jī)表面活性劑可以包括不同種類的第一有機(jī)材料和第二有機(jī)材料。該第一有機(jī)材料可以為含氮的有機(jī)材料或含硫的有機(jī)材料，以及該第二有機(jī)材料可以為基于催化劑的相變有機(jī)材料。
[0019]該金屬納米粒子可以具有大約0.5到3.0nm的平均粒子直徑。
[0020]該金屬納米粒子可以具有大約±20%或更小的粒子半徑標(biāo)準(zhǔn)差。
[0021]該連接層可以為在襯底上面形成的有機(jī)分子的自組裝(self-assembled)單分子層O
[0022]該連接層可以為具有選自以下群組的至少一個官能團(tuán)的硅烷化合物層:胺基(-NH2)、羧基(-COOH)、以及硫醇基(-SH)。
[0023]連接基團(tuán)的每個可以包括:被結(jié)合到襯底表面的第一功能基團(tuán)；被結(jié)合到金屬離子的第二功能基團(tuán)；以及用于使該第一功能基團(tuán)和該第二功能基團(tuán)相互聯(lián)接的鏈?zhǔn)交鶊F(tuán)。
[0024]該金屬納米粒子可以選自以下粒子:金屬納米粒子、金屬氧化物納米粒子、金屬氮化物納米粒子、金屬碳化物納米粒子、以及金屬間化合物納米粒子。
[0025]該金屬納米粒子可以相互分離地設(shè)置以形成單層(在厚度上為一個金屬納米粒子的層)。
[0026]該浮柵可以具有垂直多重堆疊(mult1-stack)結(jié)構(gòu)，其中連接層和由金屬納米粒子形成的納米粒子層被交替地和重復(fù)地堆疊。
[0027]在另一實施例中，非易失性存儲設(shè)備包括:用于在柔性襯底上面進(jìn)行電荷充電和放電的浮柵，其中該浮柵包括:在柔性襯底上面形成的電介質(zhì)粒子載體以及在被結(jié)合到金屬離子的電介質(zhì)粒子載體的表面上的連接基團(tuán)；以及由該金屬離子構(gòu)成的金屬納米粒子。
[0028]該柔性襯底可以包括含有適于作為表面層結(jié)合到連接基團(tuán)的羥基官能團(tuán)(-OH)的有機(jī)材料。
[0029]該柔性襯底可以為聚合物，包括選自以下聚合物的一種:聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯酸乙二酯(PEN)、聚酰亞胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙酰纖維素(TAC)、聚醚砜(PES)、聚二甲硅氧烷(PDMS)，或其混合物。
[0030] 非易失性存儲設(shè)備可以進(jìn)一步包括:在該襯底和該浮柵之間插入設(shè)置的隧穿絕緣層；在該浮柵上面形成的柵絕緣層；以及在該柵絕緣層上面形成的控制柵。
[0031 ] 該電介質(zhì)粒子載體可以形成厚度為一個或多個電介質(zhì)粒子的載體層。
[0032]該連接基團(tuán)的每個可以包括選自以下群組的官能團(tuán):被結(jié)合到金屬離子的胺基(-NH2)、羧基(-COOH)、以及硫醇基(-SH)。
[0033]該浮柵可以進(jìn)一步包括無機(jī)氧化物和被結(jié)合到金屬納米粒子的表面的電介質(zhì)有機(jī)材料中的至少一個。
[0034]該浮柵可以進(jìn)一步包括被結(jié)合到金屬離子或金屬納米粒子上的一種或多種有機(jī)表面活性劑。
[0035]該有機(jī)表面活性劑可以為含氮有機(jī)材料或含硫有機(jī)材料。
[0036]該有機(jī)表面活性劑可以包括不同種類的第一有機(jī)材料和第二有機(jī)材料，以及該第一有機(jī)材料可以為含氮有機(jī)材料或含硫有機(jī)材料，以及該第二有機(jī)材料可以為基于催化劑的相變有機(jī)材料。
[0037]該金屬納米粒子可以具有大約0.5到3.0nm的平均粒子直徑。
[0038]該金屬納米粒子可以具有大約±20%或更小的粒子半徑標(biāo)準(zhǔn)差。
[0039]該金屬納米粒子可以被選自以下群組:金屬納米粒子、金屬氧化物納米粒子、金屬氮化物納米粒子、金屬碳化物納米粒子、以及金屬互化物納米粒子。
[0040]在另一實施例中，用于制造非易失性存儲設(shè)備的方法包括:形成柔性襯底；在柔性襯底上面形成隧穿絕緣層；以及在隧穿絕緣層上面形成用于電荷的充電和放電的浮柵，其中浮柵的形成包括:在該隧穿絕緣層上面形成包括連接基團(tuán)的連接層；在連接層上面形成金屬離子；以及形成由金屬離子構(gòu)成的金屬納米粒子。
[0041]柔性襯底的形成可以包括:形成含有適于結(jié)合到該柔性襯底表面上的連接基團(tuán)的羥基(-OH)官能團(tuán)的有機(jī)材料。
[0042]該金屬納米粒子可以通過該金屬離子的還原和生長而形成。
[0043]該金屬納米粒子的形成可以包括向該金屬離子施加能量。
[0044]該方法可以進(jìn)一步包括在施加能量之前或之中提供一種或多種有機(jī)表面活性劑。
[0045]該方法可以進(jìn)一步包括向其中包含形成的金屬納米粒子的結(jié)構(gòu)提供無機(jī)氧化物和/或電介質(zhì)有機(jī)材料中的至少一個。
[0046]該連接層可以通過向該襯底的表面提供連接基團(tuán)溶液形成。
[0047]該連接層可以通過使用含有連接基團(tuán)的氣體的原子層沉積(ALD)法形成。
[0048]該連接層可以包括選自以下群組的官能團(tuán):胺基(-NH2)、羧基(-COOH)，以及硫醇基(-SH)。
[0049]金屬離子的形成可以包括向結(jié)合連接基團(tuán)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用金屬前體。
[0050]該金屬離子的形成可以包括向結(jié)合連接基團(tuán)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用金屬前體溶液，其中該金屬前體被溶解在該金屬前體溶液中，或向結(jié)合連接基團(tuán)的結(jié)構(gòu)提供氣相金屬前體。
[0051]該能量可以選自以下能量的至少一項:熱能、化學(xué)能、光能、震蕩能、離子束能、電子束能，以及輻射能。
[0052]在另一實施例中，用于制造非易失性存儲設(shè)備的方法包括:形成柔性襯底；在柔性襯底上面形成隧穿絕緣層；以及在該隧穿絕緣層上面形成用于電荷的充電和放電的浮柵，其中浮柵的形成包括:在該隧穿絕緣層上面形成電介質(zhì)粒子載體，該電介質(zhì)粒子載體包括其上的連接基團(tuán)；在該連接層上面形成金屬離子；以及由金屬離子形成金屬納米粒子。
[0053]該柔性襯底的形成可以包括形成含有適于被結(jié)合到柔性襯底表面上的連接基團(tuán)的羥基(-OH)官能團(tuán)的有機(jī)材料。
[0054]包括連接基團(tuán)的電介質(zhì)粒子載體的形成可以包括通過將電介質(zhì)粒子載體混合在連接基團(tuán)溶液中來制備載體材料，以及將載體材料涂覆襯底或者在該襯底上沉積載體材料。
[0055]該金屬納米粒子可以通過金屬離子的還原和生長而形成。
[0056]金屬納米粒子的形成可以包括向金屬離子施加能量。
[0057]該方法可以進(jìn)一步包括在施加能量之前或之中提供一種或多種有機(jī)表面活性劑。
[0058]該方法可以進(jìn)一步包括向包含形成在其中的金屬納米粒子的結(jié)構(gòu)提供無機(jī)氧化物和/或電介質(zhì)有機(jī)材料的至少一種。
[0059]連接基團(tuán)的每一個可以包括選自以下群組的一個官能團(tuán):被結(jié)合到金屬離子的胺基(-NH2)、羧基(-COOH)、以及硫醇基(-SH)。
[0060]金屬離子的形成可以包括向結(jié)合連接基團(tuán)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用金屬前體。
[0061]金屬離子的形成可以包括向結(jié)合連接基團(tuán)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用金屬前體溶液，其中金屬前體被溶解在該溶液中，或向結(jié)合連接基團(tuán)的結(jié)構(gòu)提供氣相金屬前體。
[0062]該能量可以選自以下能量的至少一項:熱能、化學(xué)能、震蕩能、離子束能、電子束能，以及福射能。
【附圖說明】
[0063]圖1為示出了典型的非易失性存儲設(shè)備的部分存儲單元結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0064]圖2A到2E為示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例形成納米浮柵的方法的剖視圖。
[0065]圖3A到3D為描述了用于根據(jù)本發(fā)明的第二實施例形成納米浮柵的方法的剖視圖。
【具體實施方式】
[0066]在下文中，根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括納米浮柵的納米浮柵存儲設(shè)備及其制造方法將參考附圖進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，本發(fā)明將以不同的形式體現(xiàn)并不受到此處提出的實施例限制。不如說，這些實施例被提供以便本發(fā)明將徹底并完整地，以及將完全向本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員傳達(dá)本發(fā)明的保護(hù)范圍。此外，附圖不需要按比例繪制以及，在某些情況下，該比例將會被夸大以便于清楚地闡述本實施例的特征。貫穿整個說明書，在本發(fā)明的各個附圖以及實施例中的相似被標(biāo)記的部件與附圖標(biāo)記直接對應(yīng)。
[0067]應(yīng)當(dāng)容易理解的是，在本說明書中的“上”和“上面”的意思應(yīng)當(dāng)以最寬泛的方式解釋以使“上”不僅僅意味著“直接位于其上”還意味著中間零件或其之間的層“上”，以及“上面”不僅僅意味著直接的上方還意味著中間零件或其之間的層的上方。還要注意的是，在本說明書中，“連接/聯(lián)接”指一個組件與另一個組件不僅直接相連而且可以通過中間組件與另一組件相連。此外，單數(shù)形式可以包括復(fù)數(shù)形式，并反之亦然，只要其沒有特別在一個句子中提及。
[0068]除非另有說明，在此使用的所有術(shù)語，包括技術(shù)的或科學(xué)的術(shù)語，具有符合本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員可以理解的相同含義。在這個文件中，當(dāng)其可能使本發(fā)明的主題模糊不清時，已知的功能和構(gòu)造的詳細(xì)說明將被省略。
[0069]圖1為示出了主要的非易失性存儲設(shè)備的部分存儲單元結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0070]參考圖1，諸如硅氧化物層的隧穿絕緣層13在硅襯底11上面形成。納米浮柵20可以在隧穿絕緣層13上面形成。該納米浮柵20包括單層的(一個納米粒子的厚度)或多層的(多個納米粒子的厚度)納米粒子21。該納米浮柵20可以包括環(huán)繞納米粒子21的絕緣材料22。浮柵絕緣層30在納米浮柵20上面形成以及控制柵40在該柵絕緣層30上面形成。
[0071]該隧穿絕緣層13、納米浮柵20、柵絕緣層30、以及控制柵40可以在襯底11上面組成圖案以形成一個柵堆疊。源極12A和漏極12B可以在柵堆疊的側(cè)部上的襯底11中形成。
[0072]按照本發(fā)明的實施例的非易失性存儲設(shè)備包括改進(jìn)的納米浮柵。該改進(jìn)的納米浮柵包括極細(xì)的納米粒子并在高密度上具有相同的尺寸。此后，該改進(jìn)的納米浮柵的結(jié)構(gòu)的特征以及用于形成該改進(jìn)的納米浮柵的方法被詳細(xì)描述。然而，按照本發(fā)明的實施例的改進(jìn)的納米浮柵不局限于圖1中所示的簡單堆疊的存儲單元。換句話說，當(dāng)本發(fā)明的技術(shù)被用于已知的三維結(jié)構(gòu)的存儲單元時，納米浮柵的位置和形狀可以不同并且納米浮柵和相鄰元件的上下部分也可以不同。具體地說，該隧穿絕緣層和源/漏極，其為電池元件，可以被設(shè)置在該納米浮柵的側(cè)部上。根據(jù)本發(fā)明的實施例的納米浮柵可以被應(yīng)用于具有圍繞納米浮柵的電荷充電或放電的元件或材料的納米浮柵。
[0073]當(dāng)未彼此電連接納米粒子21在包括納米浮柵20的非易失性存儲設(shè)備中存儲電荷，由隧穿絕緣層13的磨損導(dǎo)致的數(shù)據(jù)遺失被最小化。同樣地，由于包括納米浮柵20的非易失性存儲設(shè)備可以具有優(yōu)越的數(shù)據(jù)保留性能，其可以按比例縮小以減少電量消耗并執(zhí)行程序以及通過在低電壓上直接的隧穿而刪除操作以及該非易失性存儲設(shè)備的運(yùn)行可以被明顯改進(jìn)。
[0074]【根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的改進(jìn)的納米浮柵和其形成方法】
[0075]圖2A到2E為示出了按照本發(fā)明的第一實施例形成納米浮柵的方法的剖視圖。
[0076]根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，用于制造包括納米浮柵的非易失性存儲設(shè)備的方法可以包括將連接基團(tuán)120A結(jié)合到襯底110(見圖2A);將金屬離子130結(jié)合到連接基團(tuán)120A(見圖2B和2C);以及通過施加能量在金屬納米粒子140中形成金屬離子130 (見圖2D)。同樣地，用于制造包括納米浮柵的非易失性存儲設(shè)備的方法可以進(jìn)一