專利名稱：非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體集成電路器件設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是提供一種改進(jìn)的非揮發(fā)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
非揮發(fā)性存儲(chǔ)器是能實(shí)現(xiàn)斷電保存信息的一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器在當(dāng)前的電子產(chǎn)品中有著廣泛的應(yīng)用，如手機(jī)、個(gè)人電子助理(PDA)、IC卡等。半導(dǎo)體器件尺寸不斷地縮小，使得集成電路的設(shè)計(jì)朝著片上系統(tǒng)集成(SOC)的方向發(fā)展，而實(shí)現(xiàn)SOC的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是低功耗、高密度、存取速度快的片上存儲(chǔ)器的集成。非揮發(fā)性存儲(chǔ)器無需持續(xù)供電的特性使它成為未來SOC大規(guī)模片上集成存儲(chǔ)器的天然候選?，F(xiàn)在主流的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器大致分為兩類，一類是浮柵式非揮發(fā)存儲(chǔ)器，另一類是浮置陷阱式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。
浮柵式存儲(chǔ)器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，是目前市場(chǎng)上的主流非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。傳統(tǒng)的浮柵式存儲(chǔ)器包含一個(gè)隧穿層，一個(gè)浮柵電極，一個(gè)阻擋絕緣介質(zhì)層以及控制柵，這幾層由下至上依次疊置在硅襯底之上。在控制柵的作用下，襯底電荷可以隧穿或熱電子發(fā)射的方式注入并保存在浮柵之中，使浮柵中有電子的單元與浮柵中沒有電子的單元之間的閾值發(fā)生偏差，于是存儲(chǔ)器單元能被區(qū)分成0或1兩種狀態(tài)。浮柵式存儲(chǔ)器雖然商業(yè)實(shí)用化程度已非常高，但自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)限制了其集程度進(jìn)一步提高的空間。這種存儲(chǔ)器中，電荷以自由電子的狀態(tài)存儲(chǔ)在浮柵里，因此它的隧穿氧化層不能太薄，否則即使是隧穿層內(nèi)偶然形成的單一導(dǎo)電通道也能導(dǎo)致存儲(chǔ)電荷丟失。隧穿氧化層無法做薄，器件尺寸則無法進(jìn)一步按比縮小，工作電壓亦無法降到滿意的程度。
另一類正受人矚目的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器是浮置陷阱式非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。典型的浮置陷阱式存儲(chǔ)器如SONOS(polySilicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)通常由位于硅襯底之上的幾層?xùn)沤橘|(zhì)以及柵電極構(gòu)成，至下而上分別稱作隧穿層，電荷存儲(chǔ)層，阻擋層和柵電極。與浮柵式存儲(chǔ)器不同，浮置陷阱式存儲(chǔ)器的電荷存儲(chǔ)在電荷存儲(chǔ)層內(nèi)相互分離的陷阱態(tài)能級(jí)之中，這種存儲(chǔ)方式允許器件的隧穿層比較薄(一般小于3nm)，使得電荷的寫入和擦除能在器件的整個(gè)溝道區(qū)進(jìn)行，令器件在降低工作電壓的同時(shí)保持高速度的存取性能成為可能。浮置陷阱式存儲(chǔ)器較之于浮柵式存儲(chǔ)器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是工藝步驟更加簡(jiǎn)化，形成隧穿層-電荷存儲(chǔ)層-阻擋層-柵電極的柵結(jié)構(gòu)最少只須一次光刻即可完成。
圖1是一個(gè)典型的SONOS存儲(chǔ)器單元剖面圖。30是襯底5之上的形成的隔離區(qū)，隔離區(qū)之間是有源區(qū)。隧穿層10，電荷存儲(chǔ)層15，阻擋層20以及柵電極25依次形成于有源區(qū)之上。35是有源區(qū)內(nèi)的重?fù)诫s源區(qū)或漏區(qū)。隧穿層10由熱氧化襯底形成，電荷存儲(chǔ)層15由氮化硅構(gòu)成，阻擋層20和柵電極25分別由CVD氧化硅和多晶硅形成。
圖2是SONOS存儲(chǔ)器的寫入原理示意圖。當(dāng)足夠大的正電壓加在柵電極25上，襯底內(nèi)的電子將在電場(chǎng)的作用下通過路徑A隧穿進(jìn)入氮化硅的導(dǎo)帶，進(jìn)而躍遷至氮化硅體內(nèi)的陷阱態(tài)能級(jí)上，完成信息的寫入過程。擦除的過程與寫入是類似的，所不同的只是在足夠大的負(fù)柵壓下價(jià)帶空穴替代導(dǎo)帶了電子的地位，而電荷存儲(chǔ)層電子的回遷在粗略估算的時(shí)候可忽略。鑒于此故以下所有有關(guān)擦寫速度的討論將只涉及寫入的過程，其結(jié)果對(duì)擦除過程都是適用的。圖3是無外加偏壓時(shí)SONOS存儲(chǔ)電子的能帶圖。存儲(chǔ)于電荷存儲(chǔ)層的電子在自建場(chǎng)的作用下會(huì)逐漸丟失。之前的研究結(jié)果表明，存儲(chǔ)于SONOS單元中的電子丟失的途徑主要有兩條，其一是由氮化硅陷阱直接隧穿至硅襯底的路徑B1，其二是由氮化硅陷阱激發(fā)至氮化硅導(dǎo)帶的電子在自建場(chǎng)的作用下漂移至隧穿氧化層10和電荷存儲(chǔ)層15的界面，然后再隧穿回襯底的路徑C1。由此可知，隧穿氧化層10的厚度是決定SONOS器件工作性能的關(guān)鍵。該層越薄，相應(yīng)SONOS器件的擦寫速度越快，但同時(shí)數(shù)據(jù)的保存時(shí)間也會(huì)下降。
為了獲得更快的速度或更低的編程/擦除電壓，SONOS的隧穿氧化層必須不斷減薄。但是當(dāng)隧穿氧化層厚度小于2nm的時(shí)候，傳統(tǒng)SONOS器件已基本無法滿足ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)對(duì)非揮發(fā)性存儲(chǔ)器所要求的至少10年的斷電數(shù)據(jù)保存時(shí)間。
工作性能和數(shù)據(jù)保存時(shí)間的這種矛盾使得傳統(tǒng)的SONOS存儲(chǔ)器的實(shí)用價(jià)值還相當(dāng)有限。目前的SONOS存儲(chǔ)器主要應(yīng)用于一些浮柵式存儲(chǔ)器無法工作的惡劣環(huán)境，如輻射劑量高的地外空間等場(chǎng)所。為了制造出性能更好的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器，還需要在當(dāng)前器件結(jié)構(gòu)上做出改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明致力于提供一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)，該非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)可以通過減薄隧穿氧化層提高存儲(chǔ)器的性能和集成度。
本發(fā)明的上述目的是通過如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)，包括(1)襯底；
(2)位于襯底之上設(shè)有隧穿氧化層，厚度為10-50；(3)位于隧穿氧化層之上設(shè)有襯底阻擋層，該層由禁帶寬度介于3eV至7eV，體內(nèi)陷阱態(tài)密度小的材料構(gòu)成，該層厚度為30-200；(4)位于襯底阻擋層之上設(shè)有類浮柵電荷存儲(chǔ)層，該層厚度為10-100；(5)位于類浮柵電荷存儲(chǔ)層之上設(shè)有柵阻擋層，該層厚度為30-150；(6)位于柵阻擋層之上設(shè)有柵電極。
襯底阻擋層采用富氮的SiNx，SiON，或Hf基、Ti基、Zr基、La基、Al基氧化物等材料。
電荷存儲(chǔ)層采用多晶硅或其他導(dǎo)電材料。
柵阻擋層采用三氧化二鋁、氮氧化硅或二氧化硅材料。
參考圖4，135是在襯底105之上的形成的隔離區(qū)，隔離區(qū)之間是有源區(qū)。隧穿層110，襯底阻擋層115，類浮柵電荷存儲(chǔ)層120，柵阻擋層125以及柵電極130依次形成于有源區(qū)之上。140是有源區(qū)內(nèi)的重?fù)诫s源區(qū)或漏區(qū)。
本發(fā)明具有改進(jìn)存儲(chǔ)器的性能和集成度的特點(diǎn)，原理如下圖5是本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)在寫入過程中的能帶示意圖。對(duì)比圖2可知，本發(fā)明器件的寫入過程與傳統(tǒng)SONOS是類似的。在本發(fā)明器件中，電子通過路徑A隧穿進(jìn)入襯底阻擋層導(dǎo)帶，之后在電場(chǎng)的作用下漂移進(jìn)入電荷存儲(chǔ)層?？梢姴还苁莻鹘y(tǒng)SONOS和還是本發(fā)明器件，決定寫入速度的關(guān)鍵都在隧穿氧化層的厚度。因此隧穿氧化層的厚度越薄，襯底電子就越容易在外加電場(chǎng)的作用下隧穿進(jìn)入電荷存儲(chǔ)層，存儲(chǔ)器的寫入速度也就越快。但是隧穿氧化層的厚度不能無限減薄，過薄的隧穿氧化層會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的保存時(shí)間變短，以至無法滿足非揮發(fā)性存儲(chǔ)器的要求。傳統(tǒng)SONOS的隧穿氧化層厚度的極限一般在23以上。在本發(fā)明器件所選用的襯底阻擋層115的材料與傳統(tǒng)SONOS電荷存儲(chǔ)層15所選用的材料的能帶邊的相對(duì)位置、介電常數(shù)以及物理厚度相等的前提下，本發(fā)明的器件較之傳統(tǒng)SONOS的主要優(yōu)點(diǎn)就在于它允許使用更薄的隧穿氧化層，從而能夠在相同的編程/擦除電壓以及不犧牲電荷保存時(shí)間的前提下實(shí)現(xiàn)更快的寫入速度/擦除速度，即擁有更好的“擦寫速度-存儲(chǔ)時(shí)間折衷性能”。
圖6是本發(fā)明器件處于保存狀態(tài)的能帶圖，此時(shí)無外加電場(chǎng)。若忽略由襯底105注入的空穴和越過柵阻擋層125流失的電子(柵阻擋層足夠厚)，并且假設(shè)隧穿氧化層110和襯底阻擋層115的禁帶內(nèi)無陷阱態(tài)能級(jí)，則儲(chǔ)存的電子逸出的路徑主要為B2和C2。
在室溫條件下可以進(jìn)一步忽略由C2路徑逸出的電子。傳統(tǒng)SONOS中電子分散存儲(chǔ)在電荷存儲(chǔ)層15當(dāng)中，阻止其中的電子從硅襯底逃逸的阻擋層為隧穿氧化層加上一部分電荷存儲(chǔ)層；而本發(fā)明器件中的電子都存儲(chǔ)在襯底阻擋層115之上的類浮柵電荷存儲(chǔ)層當(dāng)中，阻止其中的電子從硅襯底逃逸的阻擋層為隧穿氧化層加上全部襯底阻擋層。若圖3中的電荷存儲(chǔ)層15與圖6中的襯底阻擋層115物理厚度、介電常數(shù)相等，則本發(fā)明器件中電子逸出的所需要經(jīng)過的隧穿路徑B2將比傳統(tǒng)SONOS電子逸出的所需要經(jīng)過的隧穿路徑B1長(zhǎng)。
存儲(chǔ)于SONOS中電子的隧穿幾率近似公式為 其中mox*是電子在氧化硅中的有效質(zhì)量，q是電子電量，ETO是隧穿介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，xTO是隧穿介質(zhì)的厚度，φ是隧穿面臨的勢(shì)壘高度。(1)式雖不能準(zhǔn)確計(jì)算出類SONOS器件所存儲(chǔ)的電子隧穿返回襯底的幾率，但可以用作定性比較。(1)式表明在各層隧穿介質(zhì)內(nèi)的電場(chǎng)相同且電子有效質(zhì)量相等的情況下，隧穿幾率將隨隧穿勢(shì)壘的升高或隧穿路徑長(zhǎng)度的增加顯著下降。由上文的討論已知本發(fā)明器件所存儲(chǔ)的電子逃逸至襯底所經(jīng)歷的隧穿路徑更長(zhǎng)，因此只要選擇適當(dāng)?shù)囊r底阻擋層115和類浮柵電荷存儲(chǔ)層120的材料使得電子在類浮柵電荷存儲(chǔ)層里所面臨的勢(shì)壘(圖6中的Φ2)足夠高(一般大于1eV即可)，就可以使得本發(fā)明器件在保證足夠的數(shù)據(jù)保存時(shí)間的前提下實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)SONOS器件更快的擦寫速度。
若工作溫度較高，需要考慮到由路徑C1和C2逸出的電子。決定電子從C1和C2逸出速度的主要過程是熱激發(fā)。存儲(chǔ)的電子若獲得了足夠的能量從電荷存儲(chǔ)層陷阱激發(fā)至導(dǎo)帶(對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)SONOS器件的Φ1，見圖3)，或從類浮柵電荷存儲(chǔ)層激發(fā)至襯底阻擋層導(dǎo)帶(對(duì)應(yīng)本發(fā)明器件的Φ2，見圖6)，就能夠比較容易的回到襯底。在本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)中，可以選擇適當(dāng)?shù)牟牧鲜沟靡r底阻擋層115與類浮柵電荷存儲(chǔ)層120之間的導(dǎo)帶能級(jí)差大于傳統(tǒng)SONOS中氮化硅電子陷阱能級(jí)深度，從而得到更好的高溫工作性能。


圖1為典型的SONOS存儲(chǔ)器單元剖面圖；圖2為SONOS存儲(chǔ)器的寫入原理示意圖；圖3為無外加偏壓時(shí)SONOS存儲(chǔ)電子的能帶圖；圖4為本發(fā)明非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)剖面圖；圖5為本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)在寫入過程中的能帶示意圖；圖6為本發(fā)明器件處于保存狀態(tài)的能帶圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式一工藝步驟與傳統(tǒng)CMOS工藝完全兼容。隧穿層110由熱氧化SiO2形成，厚度為15。襯底阻擋層115選用富氮的SiNx(禁帶寬度約5eV)，用CVD方法制備，厚度為30。類浮柵電荷存儲(chǔ)層120由CVD(Chemical Vapor Deposition)多晶硅構(gòu)成，厚度10。柵阻擋層125用CVD SiO2形成，厚度70。柵阻擋層之上的柵電極是常規(guī)的多晶硅柵。由于SiN與多晶硅導(dǎo)帶之間的能級(jí)差大約為2eV，而普通SiN體內(nèi)電子陷阱能級(jí)的深度大約在0.9eV與1.5eV之間，故存儲(chǔ)在實(shí)施方式一中的電子所面臨的勢(shì)壘更高，實(shí)施方式一比傳統(tǒng)SONOS器件具有更好的擦寫速度-存儲(chǔ)時(shí)間折衷性能。
實(shí)施方式二隧穿層110由熱氧化SiO2形成，厚度為11。襯底阻擋層115用ALD(Atomic Layer Deposition)方法制備的TiO2，厚度為150。類浮柵電荷存儲(chǔ)層120由PVD(Physical Vapor Deposition)方法制備的Al構(gòu)成，厚度20。柵阻擋層125用ALD(Atomic Layer Deposition)方法制備的Al2O3構(gòu)成，厚度50。柵電極采用與Al2O3界面匹配較好的TaN，通常用ALD(AtomicLayer Deposition)方法制備。由于TiO2的禁帶較窄(約3.25eV)，電子能夠以更快的速度寫入。TiO2的導(dǎo)帶與用作類浮柵電荷存儲(chǔ)層的Al的費(fèi)米能級(jí)之間的能級(jí)高差約1eV，能夠保證足夠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間。
實(shí)施方式二側(cè)重于高速應(yīng)用。
實(shí)施方式三
隧穿層110由熱氧化SiO2形成，厚度為30。襯底阻擋層115用CVD方法制備的HfO2(禁帶寬度約5.9eV)，厚度為90。類浮柵電荷存儲(chǔ)層120由PVD(Physical Vapor Deposition)方法制備的W構(gòu)成，厚度30。柵阻擋層125用ALD(Atomic Layer Deposition)方法制備的Al2O3構(gòu)成，厚度150。柵電極采用與Al2O3界面匹配較好的TaN，通常用ALD(Atomic LayerDeposition)方法制備。較厚的襯底阻擋層，以及HfO2導(dǎo)帶與W的費(fèi)米能級(jí)之間的高勢(shì)壘(約2eV)，使得實(shí)施方式三具有更好的數(shù)據(jù)保存特性。
實(shí)施方式三側(cè)重于增強(qiáng)器件可靠性以及數(shù)據(jù)保存特性。
上述是對(duì)于本發(fā)明非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述，但是很顯然，本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域的研究人員可以根據(jù)上述的步驟作出形式和內(nèi)容方面非實(shí)質(zhì)性的改變而不偏離本發(fā)明所實(shí)質(zhì)保護(hù)的范圍，因此，本發(fā)明不局限于上述具體的形式和細(xì)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)，包括(1)襯底；(2)位于襯底之上設(shè)有隧穿氧化層，該層厚度為10-50；(3)位于隧穿氧化層之上設(shè)有襯底阻擋層，該層由禁帶寬度介于3eV至7eV，體內(nèi)陷阱態(tài)密度小的材料構(gòu)成，該層厚度為30-200；(4)位于襯底阻擋層之上設(shè)有類浮柵電荷存儲(chǔ)層，該層厚度為10-100；(5)位于類浮柵電荷存儲(chǔ)層之上設(shè)有柵阻擋層，該層厚度為30-150；(6)位于柵阻擋層之上設(shè)有柵電極。
2.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)，其特征在于襯底阻擋層采用富氮的SiNx，SiON，或Hf基、Ti基、Zr基、La基、Al基氧化物等材料。
3.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)，其特征在于類浮柵電荷存儲(chǔ)層采用多晶硅或其他導(dǎo)電材料。
4.如權(quán)利要求1所述的非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)，其特征在于柵阻擋層采用三氧化二鋁、氮氧化硅或二氧化硅材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非揮發(fā)性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體集成電路器件設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)包括位于襯底之上隧穿氧化層、位于隧穿氧化層之上的襯底阻擋層、位于襯底阻擋層之上的類浮柵電荷存儲(chǔ)層、位于類浮柵電荷存儲(chǔ)層之上的柵阻擋層以及位于最頂層的柵電極，其中襯底阻擋層采用禁帶寬度介于3eV至7eV，且體內(nèi)陷阱態(tài)密度小的絕緣材料。類浮柵電荷存儲(chǔ)層由多晶硅或金屬構(gòu)成。襯底阻擋層阻擋存儲(chǔ)電荷的回遷，但是基本不阻擋襯底電子的寫入，因此該存儲(chǔ)器件的總體性能得以顯著提升。
文檔編號(hào)H01L29/40GK1851931SQ20061001176
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者康晉鋒, 楊競(jìng)峰, 劉曉彥, 張興, 王新安, 韓汝琦, 王陽元 申請(qǐng)人:北京大學(xué)深圳研究生院