專利名稱：非易失半導(dǎo)體存儲器裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體存儲器裝置，且更具體而言，涉及一種能提高裝 置的數(shù)據(jù)保持特性的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
非易失半導(dǎo)體存儲器裝置，尤其是能夠電存儲和電擦除數(shù)據(jù)并在去除電 源時保持所存儲的數(shù)據(jù)的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置已經(jīng)引起了很大的興趣。
構(gòu)成非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的存儲單元根據(jù)該非易失半導(dǎo)體存儲器 裝置使用的領(lǐng)域而變化。
例如，在作為高容量的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的NAND (與非)型閃 存半導(dǎo)體存儲器裝置的存儲單元的情況，存儲單元的晶體管的柵極堆疊通常 具有存儲電荷即存儲數(shù)據(jù)的浮置柵極與控制浮置柵極的控制柵極依次堆疊 的結(jié)構(gòu)。
然而，由于常規(guī)的閃存半導(dǎo)體存儲器使用導(dǎo)電材料例如摻雜浮置柵極材 料的多晶硅，當(dāng)高度集成時，相鄰柵極堆疊之間的寄生電容增加。
因此，提出了公知為金屬-氧化物-絕緣體-氧化物-半導(dǎo)體(MOIOS)例 如硅-氧化物-氮化物-氧化物-半導(dǎo)體(SONOS )或金屬-氧化物-氮化物-氧化 物—半導(dǎo)體(MONOS)的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置，且積極進(jìn)行了許多研究 以解決閃存半導(dǎo)體存儲器裝置的問題。SONOS使用硅作為控制柵極材料， 而MONOS使用金屬作為控制柵極材料。
MOIOS存儲器裝置使用電荷俘獲層例如氮化硅(Si3N4)取代浮置柵極 作為電荷存儲裝置。換言之，MOIOS存儲器裝置具有其中氮化物和氧化物 依次堆疊的ONO結(jié)構(gòu)來取代在閃存半導(dǎo)體存儲器裝置的存儲單元中位于襯 底與控制柵極之間、由浮置柵極和堆疊在其上下部分上的絕緣層形成的堆疊 結(jié)構(gòu)。MOIOS存儲器裝置使用當(dāng)電荷俘獲在氮化物層中時閾值電壓的漂移 特性。
SONOS存儲器裝置的細(xì)節(jié)公開在C. T. Swift等人在Technical Digest of
International Electron Device Meeting (IEDM 2002, December) p. 927-930公開 的"An Embedded 90 nm SONOS Nonvolatile Memory Utilizing Hot Electron Programming and Uniform Tunnel Erase" 中。
圖1是SONOS存儲器裝置的基本結(jié)構(gòu)的剖面圖(此后稱為常規(guī)SONOS 裝置)。
參考圖1,常規(guī)SONOS裝置包括位于分離地形成在半導(dǎo)體襯底10中的 源區(qū)S和漏區(qū)D之間的半導(dǎo)體襯底10、以及形成在半導(dǎo)體襯底IO上的第一 氧化硅(Si02)層12,第一氧化硅層12的兩端接觸源區(qū)S和漏區(qū)D。第一 氧化硅層12用于電荷隧穿。氮化硅(Si3N4)層14形成在第一氧化硅層12 上。氮化硅層14是實(shí)際存儲數(shù)據(jù)的材料層，且隧穿通過第一氧化硅層12的 電荷被俘獲在氮化硅層14中。第二氧化硅層16形成在氮化硅層14上作為 阻擋絕緣層，以阻擋電荷穿過氮化硅層14并向上移動。柵電極18形成在第 二氧化硅層16上。
然而，例如圖1所示的常規(guī)SONOS裝置的MOIOS裝置的氮化硅層14 和第一及第二氧化硅層12和16的介電常數(shù)低，在氮化硅層14內(nèi)的陷阱位 置(trap site )密度不足，操作電壓高，數(shù)據(jù)記錄(編程)速度和擦除速度低， 且存儲的數(shù)據(jù)的保持時間短。
最近，已經(jīng)報道(C. Lee等人在Extended Abstract of 2002 International Conf. on Solid State Device and Materials, Nagoya, Japan, Sept. 2002公開的 "Novel Structure of Si02/SiN/High-k dielectric, A1203 for SONOS type flash memory "中)當(dāng)氧化鋁(A1203 )用作阻擋絕緣層取代氧化硅層時，編程速 度和保持特性可以提高。
然而，雖然由氧化鋁形成的阻擋絕緣層可以在預(yù)定程度內(nèi)抑制從氮化硅 層移動的電荷，但氮化硅層內(nèi)的陷阱位置密度仍不足。因此保持特性難以通 過氧化鋁提高。
具體地，在常規(guī)SONOS裝置中用作電荷俘獲層的氮化硅層是非晶態(tài)的， 且形成在氮化硅層內(nèi)的陷阱是非計量比的成分，因此價帶與導(dǎo)帶之間的距離 相對短，且陷阱的能帶在價帶與導(dǎo)帶之間具有相對寬的分布。因此，陷阱的 能帶的上端或下端與價帶或?qū)噜?。而且，由于氮化硅層的介電常?shù)低， 例如7到7.8,所以可能形成在常規(guī)SONOS裝置內(nèi)的陷阱位置的密度低。
因此，在常-見氮化硅層內(nèi)不能形成足夠的陷阱位置，且形成的陷阱能帶
的上端或下端與價帶或?qū)噜?，且被陷阱俘獲的電荷容易被熱激發(fā)所激 發(fā)。因此難以使用常規(guī)氮化硅層獲得足夠的保持時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種包括電荷俘獲層的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置，該電荷 俘獲層具有比常規(guī)的氮化硅層更高密度的陷阱位置并具有對熱激發(fā)穩(wěn)定的 離散能級的電荷陷阱。
本發(fā)明還提供了制造該非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種非易失半導(dǎo)體存儲器裝置，包括 隧穿絕緣層，形成在半導(dǎo)體襯底上；電荷俘獲層，形成在隧穿絕緣層上且由 摻雜過渡金屬的介電層形成；阻擋絕緣層，形成在電荷俘獲層上；和柵電極， 形成在阻擋絕緣層上。
介電層可以由選自包括Si》y、 HfxOy、 ZrxOy、 SixNy、 AlxOy、 HfxSiyOzNk、 HfxOyNj。 HfxAlyOz的組中的一種形成。
過渡金屬可以是在d軌道具有價電子的金屬。
介電層可以由HfxOy形成，且4參雜在介電層中的過渡金屬是選自包括Ta、 V、 Ru和Nb的組中的至少 一種過渡金屬。
介電層可以由AlxOy形成，且摻雜在介電層中的過渡金屬是選自包括W、 Ru、 Mo、 Ni、 Nb、 V、 Ti和Zn組中的至少一種過渡金屬。
過渡金屬可以被摻雜到0.01到15原子％。
介電層可以摻雜至少兩種過渡金屬以同時形成電子陷阱和空穴陷阱。 根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提供了 一種制造非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的方 法，該方法包括在半導(dǎo)體襯底上形成第一絕緣層作為隧穿絕緣層；在第一 絕緣層上形成摻雜過渡金屬的介電層作為電荷俘獲層；在摻雜過渡金屬的介 電層上形成第二絕緣層作為阻擋絕緣層；在第二絕緣層上形成用于柵電極的 導(dǎo)電層；和通過依次構(gòu)圖導(dǎo)電層、第二絕緣層、摻雜過渡金屬的介電層和第 一絕緣層而形成柵極堆疊。
介電層可以由選自包括SixOy、 HfxOy、 ZrxOy、 SixNy、 AlxOy、 HfxSiyOzNk、 HfxOyNz和HfxAlyOz的組中的 一種形成。
可以使用濺射方法形成摻雜過渡金屬的介電層。 可以使用原子層沉積(ALD)方法形成摻雜過渡金屬的介電層。
可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法形成摻雜過渡金屬的介電層。 可以通過在第一絕緣層上形成非摻雜介電層然后向該非摻雜介電層中 離子注入過渡金屬原子而形成摻雜過渡金屬的介電層。
摻雜過渡金屬的介電層可以在800°C或更高溫度形成。 該方法還包括在形成摻雜過渡金屬的介電層之后在80(TC或更高溫度退 火摻雜過渡金屬的介電層。
退火可以在氧或氮?dú)夥罩羞M(jìn)行。 退火可以使用快速熱退火法或爐退火法進(jìn)行。


通過參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其他特點(diǎn)和優(yōu)
點(diǎn)將變得更為明顯，在附圖中
圖i是硅-氧化物-氮化物-氧化物-半導(dǎo)體(SONOS)裝置的剖面圖，其
作為常規(guī)的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的示例；
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的剖面圖； 圖3A和3B示出HfCb層中的Hf和O空位引起的陷阱的能級； 圖4A導(dǎo)4H示出當(dāng)Ta、 V、 Ru、 Nb、 Mn、 Pd、 Ir和Sb被Hf02層中的
Hf或O取代時的陷阱的能級；
圖5是示出形成能根據(jù)摻雜條件隨Hf;Oy層中的Hf和O的組分比變化
而變化的曲線圖6示出本發(fā)明中能使用的周期表中的過渡金屬；
圖7A和7B示出由A1203層中的Al和O空位引起的陷阱的能級；
圖8A到8H示出當(dāng)Zn、 W、 Mo、 Ru、 Si、 Hf、 Ni和Pt被A1203層中
的Al或O取代時的陷阱的能級；
圖9是示出形成能根據(jù)摻雜條件隨^203層中的Al和O組分比的變化
而變化的曲線圖IOA到IOC是示為了出本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)而制備的樣品的剖面圖； 圖11是圖10C所示的樣品3的剖面TEM圖像；
圖12A到12C是分別示出圖IOA到10C所示的三個樣品的電容-電壓特 性的曲線圖13是示出平帶電壓根據(jù)編程/擦除時間變化的曲線圖，以解釋根據(jù)本
發(fā)明實(shí)施例的非易失半導(dǎo)體存^^器裝置的特性；
圖14是示出平帶電壓根據(jù)時間的變化的曲線圖，以解釋常規(guī)的非易失
半導(dǎo)體存儲器裝置的保持特性；
圖15是示出平帶電壓根據(jù)時間的變化的曲線圖，以解釋根據(jù)本發(fā)明實(shí) 施例的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的保持特性；
圖16A和16B是逐步示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制造非易失半導(dǎo)體存儲 器裝置的方法的剖面圖。
具體實(shí)施例方式
將參考附圖更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施例。在 附圖中，為了清楚而夸大了層和區(qū)域的厚度。 首先，將簡要描述本發(fā)明的技術(shù)原理。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置使用具有約10的介電常 數(shù)的高k介電層作為電荷俘獲層，其中在高k介電層中摻雜過渡金屬以形成 對熱激發(fā)穩(wěn)定的深陷阱。
該深陷阱具有遠(yuǎn)離價帶和導(dǎo)帶的能級，且填充在深陷阱中的電子或空穴
不能夠被熱激發(fā)容易地激發(fā)到價帶或?qū)АＭ瑫r，比較而言淺陷阱具有緊位 于導(dǎo)帶下面或上面的能級，且填充在淺陷阱中的電子和空穴能夠被熱激發(fā)容
易地激發(fā)并貢獻(xiàn)于電導(dǎo)。
如上所述，對熱激發(fā)穩(wěn)定的深陷阱形成在電荷俘獲層中，且在此情形， 俘獲的電荷不能夠容易地被激發(fā)且因此非易失存儲器裝置的保持特性可以 提高。此外，深陷阱的能級可以根據(jù)摻雜的過渡金屬的類型而控制，且其分 布不是展寬的而是離散的。因此俘獲在通過適當(dāng)?shù)剡x擇過渡金屬而形成的陷 阱中的電荷不容易^^皮熱激發(fā)。
具體地，由于深陷阱形成在具有高介電常數(shù)的高k介電層中，所以電荷 俘獲層在同等厚度(叫uivalence of thickness, EOT )下可以比常規(guī)氮化硅層具 有更多的電荷陷阱。而且，高k介電層比常規(guī)非晶氮化硅層更好地結(jié)晶，因 此形成在高k介電層中的陷阱具有固有的高穩(wěn)定性。
因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的保持特性可以通 過增加電荷俘獲層的陷阱位置密度和陷阱的熱穩(wěn)定性而提高。
圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的剖面圖。
參考圖2，隧穿絕緣層22形成在半導(dǎo)體襯底20上。隧穿絕緣層22可以 是氧化硅層。由摻雜過渡金屬的介電層形成的電荷俘獲層24形成在隧穿絕 緣層22上。阻擋絕緣層26形成在電荷俘獲層24上，且柵電極28形成在阻 擋絕緣層26上。阻擋絕緣層26可以是氧化硅層或氧化鋁層，且柵電極28 可以是摻雜多晶硅層或金屬層。源區(qū)S和漏區(qū)D形成在柵極堆疊兩側(cè)的襯底 20中，其中在該柵極堆疊中，隧穿絕緣層22、電荷俘獲層24、阻擋絕緣層 26和柵電極28依次堆疊。源區(qū)S與漏區(qū)D之間的半導(dǎo)體襯底20的表面即 相應(yīng)于柵極堆疊的半導(dǎo)體襯底20的表面是溝道區(qū)。
此后，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的電荷俘獲層24。
電荷俘獲層24是摻雜過渡金屬的介電層，該過渡金屬在d軌道具有價 電子。該介電層可以是選自包括Hf"y層、ZrxOy層、AlxOy層、HfxSiyOzNk 層、HfxOyNz層和HfxAlyOz層的組中的高k介電層，具有10或以上的介電率， 但有時也可以是SixOy層或SixNy層。
摻雜在介電層中的過渡金屬有時可以是一種類型或兩種或兩種以上類 型。當(dāng)摻雜的過渡金屬是兩種或以上類型時，可以同時形成更多電子陷阱和 空穴陷阱。摻雜的過渡金屬的濃度可以是0.01到15原子％。
當(dāng)例如Ta、 V、 Ru、 Nb、 Mn、 Pd、 I.r或Sb的過渡金屬摻雜進(jìn)沒有缺陷 并具有完整結(jié)構(gòu)的Hf02層時，該過渡金屬的最外層電子數(shù)目與Hf不同，且 因此產(chǎn)生不參與鍵合的過剩電子或空穴。這些過剩電子和空穴可以充當(dāng)空穴 陷阱或電子陷阱。
當(dāng)過渡金屬摻雜進(jìn)Hf;Oy層時，摻雜的過渡金屬原子被鉿(Hf)原子和 氧(O)原子取代，或者插入到HfxOy的單元中或初始原子的空位中。由此 形成的陷阱的穩(wěn)定能級由量子力學(xué)計算確定。因此，陷阱的能級可以根據(jù)摻 雜的過渡金屬的種類而變化。
圖3A和3B示出當(dāng)在Hf02層中有H f和O空位時產(chǎn)生的陷阱的能級。
圖4A到4H示出當(dāng)摻雜進(jìn)Hf02層中的Ta、 V、 Ru、 Nb、 Mn、 Pd、 Ir 或Sb被Hf或O取代時可能產(chǎn)生的陷阱的能級。示出陷阱能級的箭頭表示 填充了過剩電子，且當(dāng)這樣的過剩電子被分開時，空穴可以被俘獲。另一方 面，空位陷阱能級表示存在空穴，且電子可以被俘獲在這些空穴中。而且， "A(B )"表示A代替B的位置。
參考圖4A，當(dāng)Ta被Hf取代時，每個Ta原子俘獲三個電子和一個空穴。
當(dāng)Ta被O取代時，在Hf02層中顯示n型雜質(zhì)的摻雜效應(yīng)，并產(chǎn)生陷阱，這 些陷阱可以俘獲多個空穴。當(dāng)Ta被O取代時，僅空穴陷阱可以充當(dāng)深陷阱。
參考圖4B，當(dāng)V被Hf取代時，每個V原子可以俘獲九個電子和一個 空穴。而且，當(dāng)V被O取代時，在Hf02層中顯示n型雜質(zhì)的摻雜效應(yīng)，并 產(chǎn)生陷阱，這些陷阱可以俘獲多個空穴。
參考圖4C,當(dāng)Ru被Hf取代時，每個Ru原子可以俘獲六個電子和四 個空穴。這里，能夠俘獲六個電子的電子陷阱可以充當(dāng)深陷阱。當(dāng)Ru被O 取代時，每個Ru原子可以俘獲十個空穴。
參考圖4D,當(dāng)Nb被Hf取代時，每個Nb原子可以俘獲三個電子和一 個空穴。
參考圖4E,當(dāng)Mn被Hf取代時，每個Mn原子可以俘獲七個電子和三 個空穴。這里，能夠俘獲六個電子的電子陷阱可以充當(dāng)深陷阱。
參考圖4F，當(dāng)Pd被Hf取代時，每個Pd原子可以俘獲四個電子和兩個空穴。
參考圖4G,當(dāng)Ir被Hf取代時，每個Ir原子可以俘獲五個電子和五個 空穴。這里，與價帶相鄰的空穴陷阱不能充當(dāng)深陷阱。
參考圖4H,當(dāng)Sb被Hf取代時，每個Sb原子可以俘獲一個電子和一個空穴。
根據(jù)圖4A到4H， Ta、 V、 Ru和Nb在Hf02層中形成深陷阱并形成更 多陷阱位置。因此當(dāng)用作電荷俘獲層24的高k介電層是Hf02層時，將摻雜 的過渡金屬可以是Ta、 V、 Ru或Nb。使用計算通過摻雜過渡金屬形成的陷 阱的能級的模擬結(jié)果，可以獲得介電層和合適的過渡金屬。
圖5是示出每個原子的形成能根據(jù)HfxOy層的Hf和O組分比而變化的 曲線圖。"A(B)"指用B取代A所需的能量，且"A空位"指產(chǎn)生A空位所 需的能量。
參考圖5，當(dāng)使用具有計量比成分的H幻2層時，由于Ta(0)、V(0) 和Ru ( O )分別比Ta ( Hf )、 V ( Hf)和Ru ( Hf)大，且Ta、 V和Ru原子 傾向于不是被O取代而是被Hf取代。形成能根據(jù)Hf和O的組分變化而變 化，且示出該結(jié)果的曲線圖可以用來選擇過渡金屬的摻雜條件。
圖6是顯示能用作本發(fā)明中的過渡金屬的周期表的示意圖(虛線內(nèi)T 區(qū))?；趫D4A到4H，在T區(qū)右側(cè)的原子具有更多電子陷阱，且在T區(qū)下
的原子具有更高的陷阱能級。
同時，本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了試驗(yàn)，模擬在高k電介質(zhì)和非晶AlxOy層
中摻雜過渡金屬。摻雜在AlxOy層中的過渡金屬可以被鋁原子或氧原子取代，
與先前的Hf;Oy—樣，或者插入到AlxOy單元中，或者插入到初始原子的空
位中。由此形成的穩(wěn)定深能級通過量子力學(xué)計算確定。
圖7A和7B示出當(dāng)在A1203層中產(chǎn)生Al和O空位時產(chǎn)生的陷阱的能級。 圖8A到8H示出當(dāng)Zn、 W、 Mo、 Ru、 Si、 Hf、 Ni和Pt被A1203層中 的Al或O取代時陷阱的能級。示出陷阱能級的箭頭表示填充了過剩電子， 且當(dāng)這些剩余電子被分開時，空穴可以被俘獲。另一方面，空位陷阱能級表 示存在空穴，且電子可以被俘獲在這些空穴中。而且，"A(B)"表示A取代 B的位置。
參考圖8A,當(dāng)Zn被Al取代時，不產(chǎn)生陷阱，且僅顯示p型雜質(zhì)的摻 雜效應(yīng)，而且當(dāng)Zn被O取代時，產(chǎn)生陷阱，該陷阱可以俘獲多個空穴。
參考圖8B,當(dāng)W被A1取代時，每個W原子可以俘獲三個電子和三個 空穴。當(dāng)W被O取代時，可以俘獲八個空穴和兩個電子。
參考圖8C，當(dāng)Mo被Al取代時，每個Mo原子可以俘獲三個電子和三 個空穴。當(dāng)Mo纟皮O取代時，可以俘獲八個空穴和兩個電子。
參考圖8D,當(dāng)Ru被Al取代時，每個Ru原子可以俘獲五個電子和五 個空穴。當(dāng)Ru被O取代時，可以俘獲十個空穴。
參考圖8E,當(dāng)Si被Al取代時，不產(chǎn)生陷阱，且顯示n型雜質(zhì)的摻雜效應(yīng)。
參考圖8F,當(dāng)Hf被Al取代時，產(chǎn)生電子和空穴陷阱，且這些陷阱可 以是相對淺的陷阱。
參考圖8G,當(dāng)Ni被Al取代時，產(chǎn)生多個電子和空穴陷阱，然而，部 分電子和空穴陷阱與價帶相鄰。
參考圖8H,當(dāng)Pt被Al取代時，產(chǎn)生多個電子和空穴陷阱。
根據(jù)圖8A到8H所示的結(jié)果，W、 Ru、 Mo、 Ni、 Nb、 V、 Ti和Zn形 成A1203層中的深陷阱，且形成更多陷阱位置。因此當(dāng)用作電荷俘獲層24 的高k介電層是Ab03層時，將4參雜的過渡金屬可以是W、 Ru、 Mo、 Ni或 Zn。而且，Nb、 V或Ti可以用作摻雜在八1203層中的過渡金屬。使用計算 通過摻雜過渡金屬形成的陷阱的能級的模擬結(jié)果，可以獲得介電層和合適的
過渡金屬。
圖9是示出每個原子的形成能才艮據(jù)AlxOy層的Al和O的組分比變化的 曲線圖。"A(B)"指用B取代A所需的能量，且"A空位"指產(chǎn)生A空位 所需的能量。
參考圖9，當(dāng)使用具有計量比成分的八1203層時，由于W(O)、 Ru(O) 和Mo ( O )分別大于W ( Al )、 Ru ( Al)和Mo ( Al )， W、 Ru和Mo原子 傾向于不被O取代而被Al取代。形成能根據(jù)Al和O的組分變化而變化， 且示出該結(jié)果的曲線圖可以用于選擇過渡金屬的摻雜條件。
此后，將描述本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行的檢驗(yàn)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失半 導(dǎo)體存儲器裝置的特性的試驗(yàn)結(jié)果。
圖IOA到10C是為了示出本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)而制備的樣品的剖面圖。使用 金屬-氧化物-半導(dǎo)體(MOS)晶體管可以獲得更精確的檢驗(yàn)，然而，為了試 驗(yàn)的簡化，制備了圖IOA到IOC所示的簡單結(jié)構(gòu)。所有三個樣品是其中Si 晶片、氧化硅(Si02)層、存儲節(jié)點(diǎn)(SN1、 SN2、 SN3)和Pt電極依次堆 疊的堆疊。圖10A中的樣品1的存儲節(jié)點(diǎn)SN1是非摻雜單Hf02層；圖10B 中的樣品2的存儲節(jié)點(diǎn)SN2是非摻雜SbN4層和非摻雜H幻2層的疊層；且 圖10C中的樣品3的存儲節(jié)點(diǎn)SN3是摻雜Ta的Hf02層和非摻雜HfCb層的 堆疊層。圖11是樣品3的剖面TEM圖像。
圖12A到12C是分別示出樣品1-3的電容-電壓特性的曲線圖。
參考圖12A到12C,在樣品1-3的電容-電壓磁滯曲線的中心部分的寬 度中，樣品3的中心區(qū)域的寬度是最寬的。這表示形成在樣品3的存儲節(jié)點(diǎn) SN3中的電荷陷阱的數(shù)目最大，這是由摻雜Ta的Hf02層導(dǎo)致的。
如上所述，在根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置中使用的電 荷俘獲層的電容-電壓滯后曲線中心部分的寬度可以提高。這表示存儲器窗 口增加，因此使用本發(fā)明，可以制造可多位編程的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置。
圖13是示出樣品3的操作速度特性的曲線圖。
參考圖13,可以畫出根據(jù)在編程/擦除過程中脈沖電流保持時間而變化 的平帶電壓(V)的速度，且這里，擦除速度比編程速度相對慢。即，平帶 電壓的變化速度在擦除時比在編程時要慢，且這證明了在摻雜Ta的HfCb層
中形成多個深陷阱。
圖14是示出具有電荷俘獲層(氮化硅層)的常規(guī)非易失半導(dǎo)體存儲器
裝置的保持特性的曲線圖；圖15是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的樣品3的保持 特性的曲線圖。
對比圖14和15,在常規(guī)電荷俘獲層中，平帶電壓(V)在一定程度上 改變，因?yàn)殡娏麟S著時間泄漏，當(dāng)在本發(fā)明的樣品3中，在測量范圍內(nèi)，平 帶電壓(V)幾乎不隨著時間改變。因此，使用深陷阱的本發(fā)明具有比常規(guī) 技術(shù)中更長的保持時間。
此后，將參考圖16A和16B詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失半導(dǎo) 體存儲器裝置的制造方法。
圖16A和16B是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造非易失半導(dǎo)體存儲器裝置 的方法的步驟的剖面圖。
參考圖16A,作為隧穿絕緣層的第一絕緣層22a形成在半導(dǎo)體襯底20 上，且摻雜過渡金屬的介電層24a在第一絕緣層22a上形成為電荷俘獲層。 介電層24a可以是由選自包括HfxOy、 ZrxOy、 AlxOy、 HfxSiyOzNk、 HfxOyNz 和HfxAlyOz的組中的材料形成的高k介電層或者可以是Si"y層或S^Ny層。
摻雜過渡金屬的介電層24a可以使用下述四種方法之一形成。
首先，可以使用濺射法形成摻雜過渡金屬的介電層24a。這里，可以使 用摻雜過渡金屬并具有控制的組分比的單靶，或者可以使用兩個單獨(dú)的耙。
第二，可以使用原子層沉積(ALD)法形成摻雜過渡金屬的介電層24a。
第三，可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)法形成摻雜過渡金屬的介電層 24a。此時，可以使用包括過渡金屬的前體并具有控制的組分比的混合源， 或者可以使用兩個或多個單獨(dú)源。
第四，可以通過在第一絕緣層22a上形成非摻雜介電層然后在非摻雜介 電層中離子注入過渡原子而形成摻雜過渡金屬的介電層24a。
在四種方法中的過渡金屬的摻雜濃度可以被控制，且這里過渡金屬的摻 雜濃度可以是O.Ol到15原子％。
而且，摻雜過渡金屬的介電層24a可以在800度或以上形成，且因此介 電層的晶體結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定，并且摻雜的過渡金屬原子可以被替換到穩(wěn)定位置。
如果當(dāng)形成摻雜過渡金屬的介電層24a時晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不夠，則摻 雜過渡金屬的介電層24a可以在形成摻雜過渡金屬的介電層24a之后在800 度或以上被后退火。該后退火可以在氧或氮?dú)夥罩羞M(jìn)行幾分鐘到幾十分鐘，
使用快速熱退火(RTA)法或爐退火法。
在形成摻雜過渡金屬的介電層24a之后，第二絕緣層26a在摻雜過渡金 屬的介電層24a上形成為阻擋絕緣層，然后作為柵電極的導(dǎo)電層28a形成在 第二絕緣層26a上。
參考圖16B，導(dǎo)電層28a、第二絕緣層26a、摻雜過渡金屬的介電層24a 和第一絕緣層22a被構(gòu)圖作為柵極，從而形成其中隧穿絕緣層22、電荷俘獲 層24、阻擋絕緣層26和柵電極28依次堆疊的柵極堆疊。
接著，雜質(zhì)被離子注入到柵極堆疊兩側(cè)上的半導(dǎo)體襯底20中以形成源 區(qū)S和漏區(qū)D。
然后，雖然在圖中未示出，進(jìn)行公知的后處理工藝以制造根據(jù)本發(fā)明實(shí) 施例的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置。
如上所述，在本發(fā)明中，其中通過摻雜過渡金屬形成深陷阱的介電層(優(yōu) 選為高k介電層)用作電荷俘獲層。在此情形，形成在電荷俘獲層中的陷阱 的熱穩(wěn)定性與傳統(tǒng)技術(shù)相比明顯提高，且陷阱密度也比傳統(tǒng)技術(shù)高。因此， 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的保持特性可以提高。
此外，由于非易失半導(dǎo)體裝置的存儲窗口可以展寬，所以本發(fā)明的非易 失半導(dǎo)體存儲器裝置可以用作多位編程裝置。
雖然已經(jīng)參考本發(fā)明的示意性實(shí)施例具有示出并描述了本發(fā)明，但本領(lǐng) 域技術(shù)人員將理解，可以進(jìn)行各種形式和細(xì)節(jié)的變化。例如，本發(fā)明的柵極 堆疊的結(jié)構(gòu)可以多樣化。因此，本發(fā)明的精神和范圍由權(quán)利要求書而不是由 上述示范性實(shí)施例限定。
權(quán)利要求
1、一種非易失半導(dǎo)體存儲器裝置，包括隧穿絕緣層，形成在半導(dǎo)體襯底上；電荷俘獲層，形成在所述隧穿絕緣層上且由摻雜過渡金屬的介電層形成；阻擋絕緣層，形成在所述電荷俘獲層上；和柵電極，形成在所述阻擋絕緣層上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中使用濺射方法形成所述摻雜過渡 金屬的介電層。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中使用原子層沉積方法形成所述摻 雜過渡金屬的介電層。
12、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中使用化學(xué)氣相沉積方法形成所述 摻雜過渡金屬的介電層。
13、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中通過在所述第一絕緣層上形成非 摻雜介電層然后向所述非摻雜介電層中離子注入過渡金屬原子而形成所述 摻雜過渡金屬的介電層。
14、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述摻雜過渡金屬的介電層在 80(TC或更高溫度形成。
15、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括在形成所述摻雜過渡金屬的介 電層之后在80(TC或更高溫度退火所述摻雜過渡金屬的介電層。
16、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述退火在氧或氮?dú)夥罩羞M(jìn)行。
17、 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述退火使用快速熱退火法或 爐退火法進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用電荷俘獲層作為存儲節(jié)點(diǎn)的非易失半導(dǎo)體存儲器裝置及其制造方法。該非易失半導(dǎo)體存儲器裝置包括形成在半導(dǎo)體襯底上的隧穿絕緣層、在隧穿絕緣層上的由摻雜過渡金屬的介電層形成的電荷俘獲層、形成在電荷俘獲層上的阻擋絕緣層和形成在阻擋絕緣層上的柵電極。該介電層是高k介電層，例如HfO₂層。因此，非易失半導(dǎo)體存儲器裝置的數(shù)據(jù)保持特性能夠改善，因?yàn)橥ㄟ^向高k介電層摻雜過渡金屬而形成了深陷阱。
文檔編號H01L21/02GK101114677SQ20061017273
公開日2008年1月30日 申請日期2006年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月27日
發(fā)明者申尚旻, 薛光洙, 陳暎究 申請人:三星電子株式會社