包括柔性電荷捕獲層的非易失性存儲裝置及其制造方法
【專利說明】包括柔性電荷捕獲層的非易失性存儲裝置及其制造方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年12月19日提交的韓國專利申請第10-2013-0159745號的優(yōu)先權(quán)，該專利申請通過引用整體合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本申請的各種實施例涉及一種包括柔性電荷捕獲層的非易失性存儲裝置，以及一種制造該非易失性存儲裝置的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]非易失性存儲裝置保存存儲的數(shù)據(jù)，即使當它們的電源供應被切斷。這與沒有恒定的電源供應就不能存儲數(shù)據(jù)的易失性存儲裝置形成對照。
[0005]非易失性存儲裝置包括存儲單元，用于存儲數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)單元，該存儲數(shù)據(jù)以列或行排列。可以根據(jù)他們具有的存儲單元的類型而排列非易失性存儲裝置。
[0006]非易失性存儲裝置的一個示例是浮柵型NAND閃存裝置(此后簡單地稱為閃存裝置)，之后已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其廣泛的用途。閃存裝置具有存儲單元結(jié)構(gòu)，其包括在襯底上的氧化硅層，存儲電荷的浮柵硅層，用作阻止電荷從浮柵流失的勢皇(barrier)氧化層，以及控制柵極。所述氧化硅層、硅層、柵極氧化層以及控制柵極以某一順序堆疊。
[0007]隨著消費者持續(xù)需要越來越多的數(shù)據(jù)存儲，半導體行業(yè)一直在縮小閃存單元以增加存儲容量。減小單元尺寸需要減小浮柵的高度、減少一部分堆疊結(jié)構(gòu)。
[0008]隨著更多的數(shù)據(jù)存儲的趨勢，正在研宄并發(fā)展具有SONOS (氧化硅-氮-氧化硅)結(jié)構(gòu)的存儲裝置。SONOS結(jié)構(gòu)存儲裝置使用氮化硅(例如Si3N4)作為電荷存儲層，而不是傳統(tǒng)的浮柵，并且可以有效保存數(shù)據(jù)以及減小存儲單元的垂直高度。另外，具有被稱為MONOS(金屬氧化物-氮-氧化硅)的改進的SONOS結(jié)構(gòu)。電荷存儲結(jié)構(gòu)以及MONOS結(jié)構(gòu)的操作協(xié)議與SONOS結(jié)構(gòu)的相同，除了所述金屬代替硅用于控制柵極。電荷存儲區(qū)域的結(jié)構(gòu)則是氧化硅、氮化硅、氧化硅(氧化物-氮-氧化物:0N0)。然而，電荷存儲區(qū)域的功能保持相同。
[0009]采用ONO結(jié)構(gòu)的非易失性存儲裝置使用氮化硅(例如Si3N4)用于捕獲每個單元中的電荷。該方法的協(xié)議是當在氮化硅中捕獲到電荷時改變臨界電壓“Vth”。
[0010]由于數(shù)據(jù)保存時間不夠長，電荷捕獲非易失性存儲裝置確實具有缺陷。這是由于氮化硅(Si3N4)層中電荷捕獲點沒有足夠的密度和/或均一性。為了獲得足夠的存儲容量，氮化硅(Si3N4)層必須保持一定的厚度，這可能阻礙小型化目的。由于厚的氮化硅(例如Si3N4)層可能增加需要的運行電壓并減慢運行速度，這可能導致其他問題。在此公開的創(chuàng)造性構(gòu)思提供了解決這些設(shè)計難題的途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]所有的實施例涉及一種電荷捕獲非易失性存儲裝置及一種用于制造該非易失性存儲裝置的方法，所述非易失性存儲裝置包括電荷捕獲層，該電荷捕獲層可以按比例縮小以降低電能消耗同時保持良好的運行穩(wěn)定性、再現(xiàn)性以及可靠性。
[0012]在一個實施例中，非易失性存儲裝置包括:用于在柔性襯底上捕獲電荷的電荷捕獲層，其中，電荷捕獲層包括:在柔性襯底上形成并且包括結(jié)合到金屬離子的連接基團(linkers)的連接層；在連接層上的金屬離子外形成的金屬納米粒子；以及氮氣填充的金屬納米粒子之間的空隙。
[0013]所述柔性襯底可以包括有機材料作為表層，該有機材料可能具有適于結(jié)合至連接基團的羥基官能團(-OH)。
[0014]所述柔性襯底可以是包括選自以下物質(zhì)的一種或兩種或多種的混合物的聚合物:聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚乙烯(PEN)，聚酰亞胺(PI)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，三乙酰(TAC)，聚醚砜(PES)以及聚二甲硅氧烷(PDMS)。
[0015]所述非易失性存儲裝置還可以包括:插入到柔性襯底和電荷捕獲層之間的第一氧化物；在電荷捕獲層上形成的第二氧化物；以及在第二氧化物上形成的柵極。
[0016]連接基團可以是結(jié)合到柔性襯底的表層的有機物分子。
[0017]電荷捕獲層還可以包括結(jié)合到金屬離子或金屬納米粒子的一種或多種有機表面活性劑。
[0018]所述有機表面活性劑可以是含氮有機材料或含硫有機材料。
[0019]所述有機表面活性劑可以包括不同類型的第一有機材料和第二有機材料，并且所述第一有機材料可以是含氮有機材料或含硫有機材料，并且第二有機材料可以是基于催化劑的相變有機材料。
[0020]所述金屬納米粒子可以具有從大約0.5到3.0nm的平均粒徑。
[0021]所述金屬納米粒子可以具有大約為20%的粒子半徑標準誤差。
[0022]連接層可以是在柔性襯底上方形成的有機分子的自組裝單分子層。
[0023]所述連接層可以是具有選自胺基(-NH2)、羧基(-COOH)和硫醇基(-SH)的至少一種功能團的硅烷復合層。
[0024]每個連接基團均可能包括:結(jié)合到柔性襯底的表面的第一官能團；結(jié)合到金屬離子的第二官能團；以及用于結(jié)合第一官能團和第二官能團的鏈群。
[0025]金屬納米粒子可以選自金屬納米粒子、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。
[0026]金屬納米粒子可以彼此間隔排列以形成單納米粒子層(只有一個金屬納米粒子厚度的層)。
[0027]所述電荷捕獲層可以具有垂直多重堆疊結(jié)構(gòu)，其中形成金屬納米粒子的連接層和納米粒子層交替并重復堆疊。
[0028]在另一實施例中，非易失性存儲裝置包括:用于在柔性襯底上捕獲電荷的電荷捕獲層，其中電荷捕獲層包括:在所述柔性襯底上形成的電介質(zhì)粒子載體；在所述電介質(zhì)粒子載體上形成的連接基團；以及由結(jié)合到所述連接基團的金屬離子形成的金屬納米粒子。
[0029]所述柔性襯底可以包括作為表層的有機材料，該有機材料包括適合結(jié)合到連接基團的羥基官能團(-OH)。
[0030]所述柔性襯底可以是包括選自下列物質(zhì)的一種或兩種或多種的混合物的聚合物:聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚乙烯(PEN)，聚酰亞胺(PI)，聚碳酸酯(PC)，聚丙烯(PP)，三乙酰(TAC)，聚醚砜(PES)以及聚二甲硅氧烷(PDMS)。
[0031]所述非易失性存儲裝置可以進一步包括:插入在柔性襯底和電荷捕獲層的第一氧化物；在電荷捕獲層上形成的第二氧化物；以及在第二氧化物上的柵極。
[0032]結(jié)合連接基團的電介質(zhì)粒子載體可以形成單一載體層(一個電介質(zhì)粒子厚度的層)或多層載體層(多于一個粒子厚度)。
[0033]連接基團的每個均包括選自適合結(jié)合金屬離子的氨基(-NH2)、羧基(-COOH)以及硫醇基(-SH)的官能團。
[0034]電荷捕獲層可以進一步包括一種或多種結(jié)合到金屬離子或金屬納米粒子的有機表面活性劑。
[0035]所述有機表面可以是含氮有機材料或含硫有機材料。
[0036]所述有機表面活性劑包括不同類型的第一有機材料和第二有機材料，并且所述第一有機材料可以是含氮有機材料或含硫有機材料，而第二有機材料可以是基于催化劑的相變有機材料。
[0037]所述金屬納米粒子可以具有大約從0.5到3.0nm的平均粒徑。
[0038]所述金屬納米粒子可以具有大約為±20%或更小的粒子半徑標準差。
[0039]所述金屬納米粒子可以選自金屬納米粒子、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，一種用于制造非易失性存儲裝置的方法包括:形成柔性襯底；在柔性襯底上形成隧穿層(tunneling layer);以及在隧穿層上形成電荷捕獲層，其中電荷捕獲層的形成包括:在隧穿層上形成包括連接基團的連接層；在連接層上形成金屬離子；由金屬離子形成金屬納米粒子；以及在包括金屬納米粒子的結(jié)構(gòu)上形成氮化物。
[0041]柔性襯底的形成可以包括在柔性襯底上形成有機材料，其中所述有機材料包括適合結(jié)合至所述連接基團的羥基官能團(-OH)。
[0042]所述金屬納米粒子可以通過金屬離子的還原及生長而形成。
[0043]金屬納米粒子的形成可以包括向所述金屬離子施加能量。
[0044]所述方法可以進一步包括在施加能量之前，提供一種或多種類型的有機表面活性劑。
[0045]所述方法可以進一步包括在形成氮化物之前，移除保持在金屬納米粒子的表面上的有機表面活性劑。
[0046]所述連接層可以通過向柔性襯底的表面上施加連接基團溶液形成。
[0047]連接層可以通過使用含有所述連接基團的氣體的原子層沉積(ALD)過程形成。
[0048]所述連接層可以包括選擇氨基(-NH2)、羧基(-COOH)及硫醇基(-SH)的官能團。
[0049]所述金屬離子的形成可以包括向所述連接基團提供金屬前體。
[0050]金屬離子的形成包括向結(jié)合連接基團的結(jié)構(gòu)施加金屬前體溶液，其中金屬前體在該溶液中是溶解的，或者向結(jié)合連接基團的結(jié)構(gòu)施加氣相金屬前體。
[0051]所述能量可以是選自熱能、化學能、光能、振動能、離子束能、電子束能及福射能的至少一種。
[0052]在另一實施例中，一種用于制造非易失性存儲裝置的方法包括:形成柔性襯底；在柔性襯底上方形成隧穿層；以及在隧穿層上方形成電荷捕獲層，其中電荷捕獲層的形成包括:在隧穿層上方形成電介質(zhì)粒子載體；在電介質(zhì)粒子載體上方形成連接基團；將金屬離子結(jié)合到所述連接基團；由金屬離子形成金屬納米粒子；以及在包括金屬納米粒子的結(jié)構(gòu)上形成氮化物。
[0053]柔性襯底的形成可以包括在柔性襯底的表面上形成有機材料，所述有機材料包括適合結(jié)合至連接基團的羥基官能團(-OH)。
[0054]所述電介質(zhì)粒子載體和連接基團以及所述連接基團的形成可以包括:通過在溶劑中混合電介質(zhì)粒子和連接基團形成溶液來制備載體材料；以及用載體材料涂覆柔性襯底或?qū)⑤d體材料沉積到柔性襯底上。
[0055]金屬納米粒子可以通過金屬離子的還原及生長而形成。
[0056]金屬納米粒子的形成可以包括向金屬離子施加能量。
[0057]所述方法可以進一步包括在施加能量過程中或之前，提供一種或多種類型的有機表面活性劑。
[0058]所述方法可以進一步包括在形成氮化物之前，移除保持在金屬納米粒子的表面上的有機表面活性劑。
[0059]連接基團的每一個可以包括選自適合結(jié)合所述金屬離子的氨基(-NH2)、羧基(-COOH)及硫醇基(-SH)的官能團。
[0060]所述金屬離子的形成可以包括使金屬前體與結(jié)合所述連接基團的結(jié)構(gòu)接觸。
[0061]金屬離子的形成可以包括向結(jié)合連接基團的結(jié)構(gòu)施加溶解金屬前體的金屬前體溶液，或者向結(jié)合連接基團的結(jié)構(gòu)提供氣相金屬前體。
[0062]所述能量可以是選自熱能、化學能、光能、振動能、離子束能、電子束能和輻射能的至少一種。
【附圖說明】
[0063]圖1是描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電荷捕獲非易失性存儲單元的一部分的橫截面視圖。
[0064]圖2A-2E是描述了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的一種用于形成電荷捕獲層的方法的橫截面視圖。
[0065]圖3A-3D是描述了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的一種用于形成電荷捕獲層的方法的橫截面視圖。
【具體實施方式】
[0066]根據(jù)本發(fā)明的實施例，將參照所附附圖詳細描述包括電荷捕獲層的非易失性存儲裝置及用于制造該裝置的方法。然而，本發(fā)明可以體現(xiàn)為不同形式，并且不應該被解釋為受到在此陳述的實施例的限定。更確切地，提供這些實施例以使本發(fā)明將深入并完整，并且將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員完全地傳達本發(fā)明的保護范圍。所述附圖沒必要按比例繪制，并且在一些示例中，為了清晰地描述該實施例的特征，部分可能已經(jīng)放大。貫穿本發(fā)明，附圖標記相應地指代本發(fā)明的各個附圖和實施例中相似的標號的部分。
[0067]應該容易理解的是，應該以最廣泛的方式理解本發(fā)明中“上(on) ”、“上面(over) ”的含義，例如，“上(on) ”不僅意味著“直接地上面”而且意味著在其中間具有中間部件或?qū)拥摹吧厦妗?，而且“上?over) ”不僅意味著“直接地上面”而且意味著在其中間具有中間部件或?qū)拥摹吧厦妗薄Ｔ诒菊f明書中還應該注意的是，“連接/耦接”指的是一個組件不僅直接耦接到另一組件上，還通過中間組件間接耦接到另一組件上。另外，單數(shù)形式可以包括復數(shù)形式，反之亦然，只要沒