專利名稱：存儲器件、半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用金屬氮化物作為俘獲點(trap site)的半導體存儲器件及其制造方法，更具體而言，涉及一種通過在電荷存儲層中包括金屬氮化物作為俘獲點而具有改善的熱穩(wěn)定性和電學特性的半導體存儲器件及其制造方法。
背景技術：
半導體存儲器件的發(fā)展已經(jīng)集中在增加存儲容量，以及寫入和擦除速度上。典型的半導體存儲器件結(jié)構包括多個通過電路連接的存儲單位單元。存儲器件的信息存儲容量正比于半導體存儲器件的集成密度。非易失半導體存儲器件的單位單元，比如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)包括一個晶體管和一個電容器。
最近，已經(jīng)引入了具有新工作原理的新型半導體存儲器件。例如，已經(jīng)引入了具有形成于晶體管上的巨磁阻(GMR)結(jié)構和隧穿磁阻(TMR)結(jié)構的半導體存儲器件。而且，還已經(jīng)引入了非易失半導體存儲器件的新的結(jié)構，比如使用相變材料的相變隨機存取存儲器(PRAM)和具有隧穿氧化物層、電荷存儲層、阻擋氧化物層的硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)器件。
圖1是常規(guī)的SONOS存儲器件的橫截面圖。參考圖1，在半導體襯底11中包括用摻雜劑摻雜的第一和第二摻雜區(qū)12a和12b。在半導體襯底11中在第一和第二摻雜區(qū)12a和12b之間界定了溝道區(qū)13。在溝道區(qū)13上形成了柵極結(jié)構14。柵極結(jié)構14包括順序形成的隧穿氧化物層15、電荷存儲層16、阻擋氧化物層17、以及由導電材料形成的柵電極層18。
隧穿氧化物層15連接其下的源極區(qū)12a和漏極區(qū)12b，且電荷存儲層16包括用于俘獲穿過隧穿氧化物層15的電荷的俘獲點。當電子在施加到存儲器件的電壓下穿過隧穿氧化物層15之后被俘獲在電荷存儲層16的俘獲點時，在SONOS存儲器件中記錄了信息。
在SONOS存儲器件中，閾值電壓Vth根據(jù)電子是否俘獲在電荷存儲層16中而變化。當電子被俘獲在電荷存儲層16的俘獲點中時，阻擋氧化物層17阻擋電子泄漏入柵電極層18，且進一步阻擋柵電極層18被注入電荷存儲層16。
SONOS存儲器件需要薄隧穿氧化物層以增加寫入和擦除速度。然而，這減弱了信息保持特性。而且，為了防止阻擋氧化物層17從柵電極層17隧穿電子以滲透電荷存儲層16，必須形成厚阻擋氧化物層17。然而，如果阻擋氧化物層17過度厚，柵電極層18的溝道區(qū)13的控制將困難。為了防止該問題，已經(jīng)引入了在電荷存儲層16中使用硅納米晶體(Si-NC)的非易失存儲器件。然而，該結(jié)構具有低電荷存儲效率和短信息保持時間，因為在電荷存儲層16中使用Si-NC的非易失半導體器件具有與半導體襯底11相似的帶隙能量。而且，與SONOS存儲器件相比，在電荷存儲層16中使用Si-NC的非易失半導體器件具有減少的俘獲點。
作為一種如上述的非易失存儲器件的問題的解決方法，已經(jīng)引入了包括金屬納米晶體俘獲點的結(jié)構。該結(jié)構可以改善相對于信息寫入的信息保持特性，以及通過控制功函數(shù)而能夠改善存儲速度。然而，在該結(jié)構中，由于在存儲器件的制造期間必需的退火工藝期間的金屬擴散現(xiàn)象，降低了存儲器件的界面特性，且最終降低了存儲器件的電學特性。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，存儲器件包括柵極結(jié)構，所述柵極結(jié)構包括在半導體襯底上的電荷存儲層中的金屬氮化物材料。該柵極結(jié)構設置于形成于半導體襯底上的第一摻雜劑區(qū)和第二摻雜劑區(qū)之間。該金屬氮化物材料被構造以作為俘獲電荷的俘獲點。


通過參考附圖對其示范性實施例的詳細描述，本發(fā)明的以上和其他特征和優(yōu)點將變得更加顯見，在附圖中圖1是常規(guī)的存儲器件的橫截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的橫截面圖；
圖3A到3E是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的制造方法的橫截面圖；圖4A到4C是俘獲點的圖像，在根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的制造方法時通過控制濺射條件來控制俘獲點的尺寸；圖5A到5C是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的電學特性的曲線圖；圖6是顯示根據(jù)本發(fā)明的又一實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的XRD測量結(jié)果的曲線圖；以及圖7A和7B是顯示根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的XRD測量結(jié)果的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將參考其中顯示本發(fā)明的實施例的附圖更加全面地描述本發(fā)明。在附圖中，為了清晰夸大了層和區(qū)域的厚度。
圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的橫截面圖。
參考圖2，在襯底21上形成用摻雜劑摻雜的第一和第二摻雜區(qū)22a和22b。在襯底21上在第一和第二摻雜區(qū)22a和22b之間形成柵極結(jié)構34。在柵極結(jié)構34中，順序形成比如隧穿氧化物層23的隧穿介電層、包括俘獲點的電荷存儲層24、比如阻擋氧化物層25的阻擋介電層以及柵電極層26。
這里，隧穿氧化物層23和阻擋氧化物層25由比如SiO2的絕緣材料形成且柵電極層26由導電材料形成。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，電荷存儲層24包括金屬氮化物作為俘獲點。具體而言，電荷存儲層24包括金屬氮化物24b作為介電層24a中的俘獲點，介電層24a由具有大于SiO2的介電常數(shù)的高k材料形成。例如，介電層24a由比如Al2O3、ZrO2、HfO2或Si3N4的高k材料形成。
更具體而言，包括金屬氮化物的納米尺寸的顆粒被分散在電荷存儲層24中作為俘獲點。納米尺寸的顆?？梢跃哂谢揪鶆虻某叽纾铱梢栽诒热缍趸鑼拥慕殡妼?4a中規(guī)則地排列。
如所述的說明書和權利要求中使用的術語“納米尺寸”旨在指示具有在從約1nm到約100nm的范圍中的線性尺寸的顆粒。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，金屬氮化物24b可以包括金屬，特別比如鈦、鈷或鎳的過渡金屬、或鑭族金屬(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Yb、Dy、Rb、Er、Tm、Lu)，以及還可以包括硅、鋁和硼。金屬化合物的化學式可以為MN、MSiN、MAlN或MBN。這里，M可以意味著過渡金屬或鑭族金屬。
現(xiàn)將參考圖3A到3E描述圖2中所示的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的制造方法。
參考圖3A，制備半導體襯底21。半導體襯底21可以由任何用于制造半導體存儲器件的材料形成，且可以包括Si。
參考圖3B，在半導體襯底21上沉積比如隧穿氧化物層23的隧穿介電層。利用常規(guī)半導體制造工藝，通過沉積比如SiO2或SiN的絕緣材料，可以形成隧穿氧化物層23。
在形成隧穿氧化物層23之后，在隧穿氧化物層23上形成包括金屬氮化物的電荷存儲層24。為了形成電荷存儲層24，可以使用共濺射(co-sputtering)工藝。更具體而言，在填充有比如氬(Ar)的氣體的處理室中，使用包括介電材料的第一靶31和包括金屬氮化物的第二靶32，在隧穿氧化物層23室形成電荷存儲層24?？梢允褂帽热鏏l2O3、HfO2、ZrO2或Si3N4的高k材料形成介電層24a。金屬氮化物24b可以包括金屬，特別是過渡金屬或鑭族金屬，且還可以包括硅、鋁或硼。金屬化合物的化學式可以為MN、MSiN、MAlN或MBN。本實施例的一方面是在濺射工藝中，通過控制施加到第一和第二靶31和32的RF(射頻)功率，可以控制形成于介電層24a中的金屬氮化物24b的尺寸。
圖4A到4C是根據(jù)本發(fā)明的實施例在形成存儲器件的電荷存儲層24的濺射工藝期間，根據(jù)施加到包括介電材料的第一靶31和包括金屬氮化物的第二靶32的濺射RF功率的大小的樣品的表面的圖像。在這些示例中，第一靶是Al2O3，第二靶是TiN。
圖4A是當將大致50W的RF功率施加到第一靶31且將約10W的RF功率施加到第二靶32時的電荷存儲層的圖像。圖4B是當將大致50W的RF功率施加到第一靶31且將約30W的RF功率施加到第二靶32時的電荷存儲層的圖像。圖4C是當將大致50W的RF功率施加到第一靶31且將約60W的RF功率施加到第二靶32時的電荷存儲層的圖像。即，通過將大致50W的固定的RF功率施加到由Al2O3形成的第一靶31且將約10W、30W和60W的逐漸增加的RF功率施加到由TiN形成的第二靶32，從而形成金屬氮化物。
參考圖4A到4C，較暗的區(qū)域是由金屬氮化物形成的俘獲點，且俘獲點的尺寸隨施加到由金屬氮化物形成的第二靶32的RF功率增加而逐漸增加。從該結(jié)果看，在根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的制造方法中，通過控制施加到包括介電層的第一靶31和包括金屬氮化物的第二靶32的RF功率，從而在共濺射中可以控制俘獲點的尺寸。
參考圖3C，在形成電荷存儲層24之后，在電荷存儲層24上形成比如阻擋氧化物層25和柵電極層26的阻擋介電層。阻擋氧化物層25可以由形成常規(guī)存儲器件所使用的任何絕緣材料形成。通過在阻擋氧化物層25上沉積導電材料，形成柵電極層26。
參考圖3D，通過構圖蝕刻隧穿氧化物層23、電荷存儲層24、阻擋氧化物層25以及柵電極層26，形成柵極結(jié)構34。結(jié)果，暴露了柵極結(jié)構34的兩側(cè)的半導體襯底21的上表面。然后用摻雜劑或雜質(zhì)摻雜半導體襯底21的暴露的上表面的部分。
參考圖3E，通過摻雜半導體襯底21的暴露的上表面，形成第一摻雜區(qū)22a和第二摻雜區(qū)22b，如上所述。通過退火所得的結(jié)構，完成了根據(jù)本發(fā)明的實施例的包括金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的制造。
圖5A到5C是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的電學特性的曲線圖。
圖5A是介電常數(shù)相對于施加到樣品的電壓V的曲線圖，對于所述樣品將約50W的RF功率施加到由Al2O3形成的第一靶31且將約30W的RF功率施加到由TiN形成的第二靶32。圖5A還示出了介電常數(shù)相對于僅由Al2O3形成的樣品上所施加的電壓的關系。參考圖5A，包括TiN作為俘獲點的樣品具有比僅由Al2O3形成的樣品寬很多的CV滯后回線(hysteresis)寬度。
圖5B是顯示樣品的C-V滯后回線的曲線圖，對于所述樣品將約50W的RF功率施加到由Al2O3形成的第一靶31且將約60W的RF功率施加到由TiN形成的第二靶32。參考圖5B，隨著施加到第二靶32的RF功率增加，C-V滯后回線寬度逐漸增加。
圖5C是顯示在電荷存儲層中使用Al2O3的常規(guī)的存儲器件和根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器件的VFB(平帶電壓)相對于寫入電壓Vp的曲線圖。參考圖5C，根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件具有比使用Al2O3作為電荷存儲層的常規(guī)存儲器件高很多的VFB。該結(jié)果表明根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件與常規(guī)的器件相比具有卓越的電荷存儲特性。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用金屬氮化物作為俘獲點的存儲器件的X射線衍射(XRD)測量結(jié)果的曲線圖。XRD顯示了存儲器件的熱穩(wěn)定性。參考圖6，在其上沉積有TiN-Al2O3的樣品的情形(完成濺射狀態(tài))，探測到了TiN峰(111)和(200)。在將樣品在約1000℃的溫度下退火約30秒后，仍探測到了這些峰(111)和(200)。
圖7A和7B是顯示在如圖6將樣品在約1000℃的溫度下退火約30秒之后，N 1s、O 1s、Ti 2p、和Al 2p的特征的X射線光電子能譜(XPS)測量結(jié)果的曲線圖。參考圖7A，在將樣品在約1000℃的溫度下退火約30秒之后觀察到了N原子的特征峰。參考圖7B，觀察到了與Ti-N組合相關的特征峰。
參考圖6、7A和7B所述的結(jié)果示出了使用金屬氮化物作為俘獲點的本發(fā)明的存儲器件實施例的高熱穩(wěn)定性和出色的電學特性。
雖然參考其實施例具體顯示和描述了本發(fā)明的某些實施例，但是它們不應被解釋為限于這里所闡述的實施例。即，本發(fā)明的方面可以被施加到SONOS存儲器件、浮置柵極型閃存器件和包括俘獲點的各種存儲器件。
根據(jù)本發(fā)明的某些實施例，通過在非易失存儲器件的電荷存儲層中使用金屬氮化物作為俘獲點，可以提供具有高熱穩(wěn)定性和改善的信息存儲、擦除以及保持特性的存儲器件。這樣的器件與包括金屬納米晶體的常規(guī)存儲器件相比表現(xiàn)具有好得多的期望的電學性能。
而且，本發(fā)明的某些實施例提供了其中利用共濺射工藝在俘獲點可以容易地形成金屬氮化物的存儲器件的制造方法。
貫穿該說明書對于“一個實施例”或“實施例”的涵義是指，與實施例相關的特定特征、結(jié)構或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，貫穿該說明書在各處中的“在一個實施例中”或“在實施例中”的用語的出現(xiàn)不一定全指的是同一實施例。另外，可以將具體的特征、結(jié)構或特性以任何適當?shù)姆绞皆谝粋€或更多的實施例中組合。
在幾個優(yōu)選的實施例中已經(jīng)描述并示出了本發(fā)明的原理，顯然的是實施例可以在排列和細節(jié)上被改變，而不脫離這樣的原則。我們要求獲得所有落在權利要求的精神和范圍內(nèi)的修改和變化的權利。
本申請要求于2005年2月28日在韓國知識產(chǎn)權局提交的韓國專利申請No.10-2005-16936的權益，其全部內(nèi)容引入于此作為參考。
權利要求
1.一種存儲器件，包括半導體襯底；形成于所述半導體襯底上的第一摻雜劑區(qū)和第二摻雜劑區(qū)；以及形成于所述半導體襯底上的柵極結(jié)構，所述柵極結(jié)構設置于所述第一和第二摻雜區(qū)之間，所述柵極結(jié)構包括電荷存儲層中的金屬氮化物，所述金屬氮化物配置成俘獲點以存儲電荷。
2.根據(jù)權利要求1所述的存儲器件，其中所述柵極結(jié)構包括順序形成的隧穿介電層、所述電荷存儲層、阻擋介電層以及柵電極層。
3.根據(jù)權利要求1所述的存儲器件，其中所述金屬氮化物包括具有MN、MSiN、MAlN、或MBN的化學式的材料，其中M是過渡金屬和鑭族金屬之一。
4.根據(jù)權利要求3所述的存儲器件，其中所述鑭族金屬選自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Yb、Tb、Dy、Rb、Er、Tm和Lu。
5.根據(jù)權利要求3所述的存儲器件，其中所述過渡金屬包括鈦、鈷或鎳。
6.根據(jù)權利要求3所述的存儲器件，其中所述電荷存儲層由介電材料形成且所述金屬氮化物形成于所述介電材料中作為所示俘獲點。
7.根據(jù)權利要求6所述的存儲器件，其中所述介電材料包括SiO2或具有大于SiO2的介電常數(shù)的材料。
8.一種半導體器件，包括半導體襯底；形成于所述半導體襯底上的第一摻雜劑區(qū)和第二摻雜劑區(qū)；以及形成于所述半導體襯底上的柵極結(jié)構，所述柵極結(jié)構設置于所述第一和第二摻雜區(qū)之間，其中所述柵極結(jié)構包括在介電層中彼此分開的多個金屬氮化物顆粒，所述金屬氮化物顆粒配置為俘獲點以存儲電荷。
9.根據(jù)權利要求8所述的存儲器件，其中所述介電層包括SiO2或具有大于SiO2的介電常數(shù)的材料。
10.一種存儲器件的制造方法，包括在半導體襯底上依次形成隧穿介電層、包括金屬氮化物作為俘獲點的電荷存儲層、阻擋介電層以及柵電極層；構圖所述隧穿介電層、所述電荷存儲層、所述阻擋介電層以及所述柵電極層以暴露所述半導體襯底的表面；以及在所述半導體襯底的暴露的表面的部分上通過摻雜摻雜劑來形成第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中通過共濺射工藝來形成所述電荷存儲層。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中通過同時濺射由包括介電材料的材料形成的第一靶和由包括金屬氮化物的材料形成的第二靶來形成所述電荷存儲層。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，其中所述介電材料由具有大于SiO2的介電常數(shù)的材料形成，且所述金屬氮化物是具有MN、MSiN、MAlN、或MBN的化學式的材料，其中M是過渡金屬和鑭族金屬之一。
14.一種半導體器件的制造方法，包括在半導體襯底上依次形成隧穿介電層、包括金屬氮化物作為俘獲點的電荷存儲層、阻擋介電層以及柵電極層；構圖所述隧穿介電層、所述電荷存儲層、所述阻擋介電層以及所述柵電極層以暴露所述半導體襯底的表面；以及在所述半導體襯底的暴露的表面的部分上通過摻雜摻雜劑來形成第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，其中通過共濺射工藝來形成所述電荷存儲層。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，其中通過同時濺射由包括介電材料的材料形成的第一靶和由包括金屬氮化物的材料形成的第二靶來形成所述電荷存儲層。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，其中所述介電材料由具有大于SiO2的介電常數(shù)的材料形成，且所述金屬氮化物是具有MN、MSiN、MAlN、或MBN的化學式的材料，其中M是過渡金屬和鑭族金屬之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種存儲器件及其制造方法。所述存儲器件包括柵極結(jié)構，所述柵極結(jié)構包括在半導體襯底上的電荷存儲層中的金屬氮化物材料。該柵極結(jié)構設置于形成于半導體襯底上的第一摻雜劑區(qū)和第二摻雜劑區(qū)之間。該金屬氮化物材料被構造以作為俘獲電荷的俘獲點。
文檔編號H01L21/336GK1832204SQ200610051480
公開日2006年9月13日 申請日期2006年2月28日 優(yōu)先權日2005年2月28日
發(fā)明者田尚勛, 金楨雨, 黃顯相, 崔相武 申請人:三星電子株式會社