專利名稱：制造存儲器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有改善的擦除特性的存儲器件的制造方法，且更具體而言，涉及一種存儲器件的制造方法，其中控制氣氛氣體和退火溫度，使得阻擋氧化物層可以在形成存儲器件的工藝期間保持負電壓。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體存儲器件的開發(fā)已經(jīng)集中在增加存儲容量同時增加寫入和擦除速度。典型的半導(dǎo)體存儲器陣列結(jié)構(gòu)包括多個由電路連接的存儲器單元，且可以被分為非易失存儲器件和比如動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)的易失存儲器件，在非易失存儲器件中當移去電源時仍可以保持信息，而在易失存儲器件中僅當施加電源時才保留信息。存儲器件的信息存儲容量正比于存儲器件的集成密度。半導(dǎo)體存儲器件的典型單位單元包括一個晶體管和一個電容器。
近來，已經(jīng)引入了具有新的操作原理的新型半導(dǎo)體存儲器件。例如已經(jīng)引入了在晶體管上形成有巨磁阻(GMR)結(jié)構(gòu)和隧穿磁阻(TMR)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體存儲器件以利用磁阻特性。而且，還引入了新型非易失半導(dǎo)體存儲器件，比如利用相變材料以提供數(shù)據(jù)存儲功能的相變隨機存取存儲器(PRAM)和具有隧穿氧化物層、電荷存儲層和阻擋氧化物層的SONOS器件。
圖1是典型的常規(guī)SONOS存儲器件的橫截面視圖。參考圖1，在半導(dǎo)體襯底10中形成了用摻雜劑摻雜的第一摻雜區(qū)11a和第二摻雜區(qū)11b。在半導(dǎo)體襯底10中在第一和第二摻雜區(qū)11a和11b之間界定了溝道區(qū)。在半導(dǎo)體襯底10上形成接觸第一摻雜區(qū)11a和第二摻雜區(qū)11b的柵極結(jié)構(gòu)。柵極結(jié)構(gòu)具有一種結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中順序形成了隧穿氧化物層12、電荷存儲層13、阻擋氧化物層14和由導(dǎo)電材料形成的柵電極層15。
這里，隧穿氧化物層12接觸半導(dǎo)體襯底10的第一摻雜區(qū)11a和第二摻雜區(qū)11b，且在溝道區(qū)中流動的電荷在電子穿過隧穿氧化物層12之后存儲在電荷存儲層13的俘獲點(trap site)。即，當在施加到存儲器件的電壓下電子通過隧穿氧化物層12且電子被俘獲在電荷存儲層13的俘獲點時，進行了具有以上結(jié)構(gòu)的存儲器件的信息寫入。
在SONOS存儲器件中，器件閾值電壓Vth根據(jù)電子是否俘獲在電荷存儲層13中而變化。當電子俘獲在電荷存儲層13的俘獲點中時，電荷存儲層13上的阻擋氧化物層14阻擋電子泄漏進入柵電極層14，且阻擋柵電極層14的電荷被注入到電荷存儲層13。
SONOS存儲器件需要薄隧穿氧化物層12來提高寫入和擦除速度。然而，這又降低了器件的信息保持特性。即，保持特性和存儲特性根據(jù)隧穿氧化物層12的厚度處于相互折衷的關(guān)系。為了改善保持特性和存儲特性之間的反比關(guān)系，需要對阻擋氧化物層14的特性進行控制。
然而，為了防止阻擋氧化物層14從柵電極層15隧穿電子，期望厚的阻擋氧化物層14。然而，如果阻擋氧化物層14過厚，則不利地影響了通過柵電極層15來控制溝道區(qū)的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有改善的存儲器擦除速度同時維持SONOS存儲器件或浮置柵極型存儲器件的保持特性的半導(dǎo)體存儲器件的制造方法。
在一個方面，本發(fā)明涉及一種制造存儲器件的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底上順序形成隧穿氧化物層、電荷存儲層和阻擋氧化物層；在氣體氣氛下退火包括隧穿氧化物層、電荷存儲層和阻擋氧化物層的半導(dǎo)體襯底，使得阻擋氧化物層具有負的固定的氧化物電荷；在具有負的固定的氧化物電荷的阻擋氧化物層上形成柵電極，且蝕刻隧穿氧化物層、電荷存儲層和阻擋氧化物層來形成柵極結(jié)構(gòu)；以及用摻雜劑摻雜半導(dǎo)體襯底，從而在柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)在半導(dǎo)體襯底中形成第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)。
在一個實施例中，退火的氣體氣氛包括選自N、O、F、Si、P、S、Cl、C、As、Se、Br、Te、I和At的一種元素。
在另一實施例中，退火的氣體氣氛選擇O2、RuO和NH3之一。
在另一實施例中，在650℃或更大的溫度下進行退火。
在另一實施例中，在700到1000℃的范圍溫度下進行退火。
在另一方面，本發(fā)明涉及一種制造存儲器件的方法，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底上順序形成隧穿氧化物層、電荷存儲層、阻擋氧化物層和柵電極層；蝕刻隧穿氧化物層、電荷存儲層、阻擋氧化物層和柵電極層以形成柵極結(jié)構(gòu)；用摻雜劑摻雜半導(dǎo)體襯底，從而在柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)在半導(dǎo)體襯底中形成第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)；在氣體氣氛下退火半導(dǎo)體襯底，使得阻擋氧化物層具有負的固定的氧化物電荷(fixed oxide charge)。
在一個實施例中，退火的氣體氣氛包括選自N、O、F、Si、P、S、Cl、C、As、Se、Br、Te、I和At的一種元素。
在另一實施例中，退火的氣體氣氛選擇O2、RuO和NH3之一。
在另一實施例中，在650℃或更大的溫度下進行退火。
在另一實施例中，在700到1000℃的范圍溫度下進行退火。


參考附圖，通過詳細描述本發(fā)明的示范性實施例，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視圖；圖2A是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器件的結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；圖2B是當從存儲器件擦除信息時顯示初始階段平帶電壓(flat bandvoltage)VFB和最小的平帶電壓VFB之間的關(guān)系的曲線圖；圖3A到3C是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有改善的擦除特性的存儲器件的制造方法的橫截面視圖；圖4是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器件的擦除和保持特性的曲線圖；以及圖5A到5C是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器件的電特性的曲線圖。
具體實施例方式
現(xiàn)將參考其中顯示本發(fā)明的實施例的附圖在下文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2A是示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的存儲器件的結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。
參考圖2A，提供具有用摻雜劑摻雜的第一摻雜區(qū)21a和第二摻雜區(qū)21b的半導(dǎo)體襯底20。在半導(dǎo)體襯底20上在第一和第二摻雜區(qū)21a和21b之間形成柵極結(jié)構(gòu)。柵極結(jié)構(gòu)包括順序形成在半導(dǎo)體襯底20上的隧穿氧化物層22、電荷存儲層23、阻擋氧化物層24和柵電極層25，電荷存儲層23包括俘獲電荷的俘獲點。
隧穿氧化物層22可以由絕緣材料形成，比如用于形成常規(guī)存儲器件的SiO2。電荷存儲層23包括俘獲電荷的俘獲點，所述電荷從半導(dǎo)體襯底20的溝道區(qū)穿過隧穿氧化物層22，電荷存儲層23由高k材料形成，所述高k材料具有大于隧穿氧化物層22和阻擋氧化物層24的介電常數(shù)。
柵電極層25可以由任何用于形成常規(guī)半導(dǎo)體存儲器件的導(dǎo)電材料形成。阻擋氧化物層24可以具有負固定氧化物電荷，其將參考圖2B描述。
圖2B是當從存儲器件擦除信息時顯示初始階段平帶電壓VFB和最小的平帶電壓VFB之間的關(guān)系的曲線圖。在電荷俘獲存儲器件中，隨著平帶電壓VFB增大，改善了保持特性。為了從存儲器件擦除信息，將大的負電壓施加到柵電極層25。在信息擦除期間，最小的平帶電壓可以具有大的負值。即，最小的平帶電壓可以具有圖2B中左上側(cè)的值。施加到柵電極層25的電壓Vg、平帶電壓VFB和實際施加到阻擋氧化物層24的電壓Vox具有以下的關(guān)系。
等式1Vg＝VFB+Vox平帶電壓正比于-Qf/Cox。這里，Qf是阻擋氧化物層24的電荷值，Cox且是氧化物膜的電容。在擦除過程中，施加到柵電極層25的電壓具有大的負值，且實際施加到阻擋氧化物層24的電壓根據(jù)平帶電壓VFB而變化。從等式1可以看出，當平帶電壓VFB具有正值時，施加到阻擋氧化物層24的電壓具有大的負值。
因此，為了允許平帶電壓具有正值，阻擋氧化物層24可以具有負的固定的氧化物電荷。
當阻擋氧化物層24具有負的固定的氧化物電荷時，阻擋氧化物層24的帶隙能量增加。阻擋氧化物層24的增加的帶隙能量防止電荷從柵電極層25通過隧穿穿過阻擋氧化物層24，即電荷的逆向隧穿，遷移到電荷存儲層23。逆向隧穿可能在擦除操作期間發(fā)生。因此，當阻擋氧化物層24具有負的固定的氧化物電荷時，存儲器件的電特性被極大地改善了。
現(xiàn)將參考圖3A到3C描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有改善的存儲特性的如圖2所示的存儲器件的制造方法。在本發(fā)明中，為了制造存儲器件，可以使用PVD、CVD、化學(xué)摻雜、涂布、離子注入、退火和快速熱退火(RTA)工藝。
參考圖3A，制備半導(dǎo)體襯底20。半導(dǎo)體襯底20由用于制造常規(guī)的半導(dǎo)體存儲器件的任何材料形成，包括Si。在半導(dǎo)體襯底20上沉積隧穿氧化物層22。使用常規(guī)的半導(dǎo)體制造工藝，通過沉積比如SiO2的絕緣材料，隧穿氧化物層22可以形成為大致2到4nm的厚度。在形成隧穿氧化物層22之后，在隧穿氧化物層22上沉積電荷存儲層23。電荷存儲層23可以由具有高介電常數(shù)的高k材料形成。
接下來，在電荷存儲層23上沉積阻擋氧化物層24。使用比如SiO2或Al2O3的介電材料，阻擋氧化物層24可以形成為3.5到20nm的厚度。當沉積阻擋氧化物層24時，在填充有氣氛氣體的室中在650℃或更高的溫度下進行快速熱退火(RTA)工藝，所述氣氛氣體包括選自N、O、F、Si、P、S、Cl、C、As、Se、Br、Te、I和At的一種元素，使得阻擋氧化物層24可以具有負的固定的氧化物電荷。更具體而言，可以在700到1000℃的溫度范圍下進行RTA工藝。
在一個實施例中，氣氛氣體可以是例如O2氣、NH3氣或RuO氣。氣氛氣體的壓強不是重要的因素，且可以按需要控制。以該方式，氧或氮允許阻擋氧化物層24具有負的固定的氧化物電荷。然而，當N2氣或N2O氣被注入到室內(nèi)時，不容易獲得阻擋氧化物層24的負的固定的氧化物電荷。因此，當?shù)锉仨毐话ㄔ谧钃跹趸飳?4中時，氣氛氣體優(yōu)選為NH3氣。
接下來，在阻擋氧化物層24上形成柵電極層25。柵電極層25可以由用于制造常規(guī)的半導(dǎo)體存儲器件的導(dǎo)電材料形成。
參考圖3B和3C，通過蝕刻兩側(cè)的隧道氧化物層22、電荷存儲層23、阻擋氧化物層24和柵電極層25來暴露柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)半導(dǎo)體襯底20的上表面。半導(dǎo)體襯底20的暴露的上表面用摻雜劑摻雜。作為摻雜的結(jié)果，在半導(dǎo)體襯底20中形成了第一摻雜區(qū)21a和第二摻雜區(qū)21b。最后，通過活化所得的產(chǎn)物激活第一摻雜區(qū)21a和第二摻雜區(qū)21b。
在參考圖3A到3C在以上所述的存儲器件的制造方法中，在將阻擋氧化物層24形成于電荷存儲層23之后，立即進行允許阻擋氧化物層24具有負的固定的氧化物電荷的工藝；然而，本發(fā)明并不限于此。即，在另一實施例中，在蝕刻柵極和形成第一摻雜區(qū)21a和第二摻雜區(qū)21b之后，將氧化物或氮化物，或引起阻擋氧化物層具有負場氧化物層的另一元素或氣體穿透阻擋氧化物層24的側(cè)面，可以選擇性地獲得阻擋氧化物層24的負的固定的氧化物電荷。
圖4是顯示根據(jù)通過參考圖3A到3C所述的工藝制造的樣品的退火溫度的存儲器件的電荷值的曲線圖。這里，x軸代表在O2氣氛下的退火溫度，而y軸代表Nf(Qf/Q)值。
參考圖4，當在650℃或更高的溫度下退火樣品時，可以看出阻擋氧化物層24容易獲得期望的負的固定的氧化物電荷。
圖5A到5C是顯示根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有改善的擦除特性的存儲器件的電特性的曲線圖。
參考圖5A，如果當信息被寫入時將13到17V的偏壓施加到樣品，則在寫入狀態(tài)的閾值電壓Vth增加到大于1V。因此，樣品可以被用作存儲器件。
參考圖5B，如果在250℃的溫度下將存儲器件退火兩個小時之后存儲器件在85℃下使用10年，則估計的閾值電壓Vth顯示了約-0.3V或更大的非常小的變化。
圖5C顯示了通過進行寫入/擦除(P/E)循環(huán)而測量平帶電壓VFB的結(jié)果。參考圖5C，寫入和擦除的平帶電壓VFB在104P/E循環(huán)之后基本未變化。
雖然參考其示范性實施例具體顯示和描述了本發(fā)明，然而可以理解在不脫離由權(quán)利要求所界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以作出形式和細節(jié)上的不同變化。
例如，本發(fā)明可以應(yīng)用到包括SONOS存儲器件的所有的電荷俘獲型存儲器件。
根據(jù)本發(fā)明，通過形成電荷俘獲型半導(dǎo)體存儲器件的阻擋氧化物層以具有負的固定的氧化物電荷，可以提高存儲器件的擦除特性的穩(wěn)定性。
而且，通過形成阻擋氧化物層以具有負的固定的氧化物電荷，可以增加阻擋氧化物層的帶隙能量。阻擋氧化物層的帶隙能量的增加防止了電荷從柵電極層到阻擋氧化物層的逆向隧穿。
本申請要求于2005年3月21日在韓國知識產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請No.10-2005-0023294的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容引入于此作為參考。
權(quán)利要求
1.一種制造存儲器件的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上順序形成隧穿氧化物層、電荷存儲層和阻擋氧化物層；在氣體氣氛下退火包括所述隧穿氧化物層、所述電荷存儲層和所述阻擋氧化物層的所述半導(dǎo)體襯底，使得所述阻擋氧化物層具有負的固定的氧化物電荷；在具有所述負的固定的氧化物電荷的所述阻擋氧化物層上形成柵電極，且蝕刻所述隧穿氧化物層、所述電荷存儲層和所述阻擋氧化物層來形成柵極結(jié)構(gòu)；以及用摻雜劑摻雜所述半導(dǎo)體襯底，從而在所述柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)在所述半導(dǎo)體襯底中形成第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于退火的所述氣體氣氛包括選自N、O、F、Si、P、S、Cl、C、As、Se、Br、Te、I和At的一種元素。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中用于退火的所述氣體氣氛選擇O2、RuO和NH3之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在650℃或更高的溫度下進行所述退火。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中在700到1000℃的溫度范圍下進行所述退火。
6.一種制造存儲器件的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上順序形成隧穿氧化物層、電荷存儲層、阻擋氧化物層和柵電極層；蝕刻所述隧穿氧化物層、所述電荷存儲層、所述阻擋氧化物層和所述柵電極層以形成柵極結(jié)構(gòu)；用摻雜劑摻雜半導(dǎo)體襯底，從而在所述柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)在所述半導(dǎo)體襯底中形成第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)；以及在氣體氣氛下退火所述半導(dǎo)體襯底和所述柵極結(jié)構(gòu)，使得所述阻擋氧化物層具有負的固定的氧化物電荷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中用于退火的所述氣體氣氛包括選自N、O、F、Si、P、S、Cl、C、As、Se、Br、Te、I和At的一種元素。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中用于退火的所述氣體氣氛選擇O2、RuO和NH3之一。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，在650℃或更高的溫度下進行所述退火。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在700到1000℃的溫度范圍下進行所述退火。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有改善的擦除特性的存儲器件的制造方法，所述方法包括在半導(dǎo)體襯底上順序形成隧穿氧化物層、電荷存儲層和阻擋氧化物層；在氣體氣氛下退火包括所述隧穿氧化物層、所述電荷存儲層和所述阻擋氧化物層的半導(dǎo)體襯底，使得所述阻擋氧化物層具有負的固定的氧化物電荷；在具有所述負的固定的氧化物電荷的阻擋氧化物層上形成柵電極，且蝕刻所述隧穿氧化物層、所述電荷存儲層和所述阻擋氧化物層來形成柵極結(jié)構(gòu)；以及用摻雜劑摻雜所述半導(dǎo)體襯底，從而在所述柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)在半導(dǎo)體襯底中分別形成第一摻雜區(qū)和第二摻雜區(qū)。
文檔編號H01L21/02GK1841683SQ200610068130
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月21日
發(fā)明者田尚勛, 金奎植, 金楨雨, 樸星昊, 閔若瑟, 韓禎希 申請人:三星電子株式會社