包括電荷捕獲層的非易失性存儲裝置及其制造方法
【專利說明】包括電荷捕獲層的非易失性存儲裝置及其制造方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年12月19日提交的韓國專利申請第10-2013-0159747號的優先權，該專利申請通過引用整體合并于此。
技術領域
[0003]各種實施例涉及一種包括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】
[0004]非易失性半導體存儲裝置保存存儲的數據，即使當它們的電源供應被切斷。這與切斷電源后就不能存儲數據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，用于存儲數據的基礎單元，該存儲數據以列或行排列。可以根據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)，目前已經普遍使用。閃存裝置具有存儲單元結構，其包括在襯底上的氧化硅層，存儲電荷的浮柵硅層，用作防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]隨著消費者持續需要越來越多的數據存儲，半導體行業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、減少一部分堆疊結構。
[0008]隨著更多的數據存儲的趨勢，正在研宄并發展具有SONOS (氧化硅-氮-氧化硅)結構的存儲裝置。SONOS結構存儲裝置使用氮化硅層(例如Si3N4)作為電荷存儲層，而不是傳統的浮柵，并且可以保存數據以及有效減小存儲單元高度。另外，具有被稱為MONOS(金屬氧化物-氮-氧化硅)的改進的SONOS結構。電荷存儲結構以及MONOS結構的操作協議與SONOS結構的相同，除了所述金屬代替硅用于控制柵極。電荷存儲區域的結構則是氧化硅、氮化硅、氧化硅(氧化物-氮-氧化物:0N0)。然而，電荷存儲區域的功能保持相同。
[0009]采用ONO結構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]由于數據保存時間不足夠長，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/或足夠的均一性。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，這可能妨礙小型化進程。也可能因為厚的氮化硅(例如Si3N4)層可能增加需要的運行電壓并減慢運行速度而導致問題。在此公開的創造性構思提供了解決這些設計難題的途徑。
【發明內容】
[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定性、再現性以及可靠性。
[0012]在一個實施例中，非易失性存儲裝置包括:用于捕獲電荷的電荷捕獲層，其中，電荷捕獲層包括:在襯底上形成并且包括適合結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]所述非易失性存儲裝置還可以包括:插入到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。
[0014]連接基團可以是結合到襯底的表面的有機物分子。
[0015]電荷捕獲層還可以包括結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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]連接層可以是在襯底上方形成的有機分子的自組裝單分子層。
[0021]所述連接基團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。
[0022]每個連接基團均可能包括:結合到襯底的表面的第一官能團；結合到金屬離子的第二官能團；以及用于結合第一官能團和第二官能團的鏈群。
[0023]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。
[0024]金屬納米粒子可以間隔排列以形成一個金屬納米粒子厚度的單層。
[0025]所述電荷捕獲層可以具有垂直多重堆疊結構，其中連接層和納米粒子層交替并重復堆疊。
[0026]在另一實施例中，非易失性存儲裝置包括:適合捕獲電荷的電荷捕獲層，其中電荷捕獲層包括:在所述襯底上形成的電介質粒子載體；包括適合結合到所述金屬離子的連接基團的連接層，其中所述連接層在電介質粒子載體上形成；以及由金屬離子形成的金屬納米粒子。
[0027]所述非易失性存儲裝置可以進一步包括:插入在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。
[0028]結合連接基團的電介質粒子載體可以形成單一載體層(一個電介質粒子厚度)或多層載體層(多個電介質粒子厚度)。
[0029]連接基團的每個均可以包括選自適合結合金屬離子的氨基(-NH2)、羧基(-COOH)以及硫醇基(-SH)的官能團。
[0030]電荷捕獲層可以進一步包括一種或多種結合到金屬離子或金屬納米粒子的有機表面活性劑。
[0031 ] 所述有機表面可以是含氮有機材料或含硫有機材料。
[0032]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。
[0033]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。
[0034]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。
[0035]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。
[0036]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:在襯底上形成隧穿層(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構上形成氮化物。
[0037]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。
[0038]金屬納米粒子的形成可以包括向所述金屬離子施加能量。
[0039]所述方法可以進一步包括在施加能量之前或過程中，提供一種或多種類型的有機表面活性劑。
[0040]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。
[0041]所述連接層可以通過向襯底的表面上施加連接基團溶液形成。
[0042]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。
[0043]所述連接基團可以包括選擇氨基(-NH2)、羧基(-COOH)及硫醇基(-SH)的官能團。
[0044]所述金屬離子的形成可以包括使金屬前體與結合連接基團的結構接觸(或者簡單的說，與連接基團接觸或結合)。
[0045]金屬離子的形成包括向結合連接基團的結構施加溶解金屬前體的金屬前體溶液，或者向結合連接基團的結構施加氣相金屬前體。
[0046]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。
[0047]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:在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粒子載體；形成連接層，其包括在電介質粒子載體上方形成連接基團；將金屬離子結合到所述連接基團；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構上形成氮化物。
[0048]所述包括連接基團附接至其上的電介質粒子載體的形成可以包括:通過在溶液中混合電介質粒子和連接基團來制備載體材料；以及用載體材料涂覆襯底或將載體材料沉積到襯底上。
[0049]金屬納米粒子可以通過金屬離子的還原及生長(或凝聚)而形成。
[0050]金屬納米粒子的形成可以包括向金屬離子施加能量。
[0051]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。
[0052]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。
[0053]連接基團的每一個可以包括選自適合結合所述金屬離子的氨基(-NH2)、羧基(-COOH)及硫醇基(-SH)的官能團。
[0054]所述金屬離子的形成可以包括使金屬前體與結合所述連接基團的結構接觸。
[0055]金屬離子的形成可以包括向結合連接基團的結構施加溶解金屬前體的金屬前體溶液，或者向結合連接基團的結構提供氣相金屬前體。
[0056]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】
[0057]圖1是描述了根據本發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。
[0058]圖2A-2E是描述了根據本發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。
[0059]圖3A-3D是描述了根據本發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】
[0060]根據本發明的實施例，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，本發明可以體現為不同形式，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明將深入并完整，并且將向本領域的技術人員完全地傳達本發明的保護范圍。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，部分可能已經放大。貫穿本發明，附圖標記相應地指代本發明的各個附圖和實施例中相似的標號的部分。
[0061]應該容易理解的是，應該以最廣泛的方式理解本發明中“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層的“上面”，而且“上面(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層的“上面”。在本說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，單數形式可以包括復數形式，反之亦然，只要沒有特別聲明。
[0062]除非另有陳述，在此使用的包括技術和科技術語的所有術語具有如本發明所屬技術領域的技術人員所理解的相同的含義。當其可能模糊本發明的主題時，將省略公知功能及配置。另外，討論的所有“實施例”指的是在本申請中公開的發明構思的實施例。
[0063]圖1是描述了根據本發明的電荷捕獲非易失性存儲單元的部分的橫截面視圖。
[0064]參照圖1，可以在硅襯底11上形成第一氧化物13。所述第一氧化物13用作隧穿層(tunneling layer)。可以在第一氧化物13上形成電荷捕獲層20。電荷捕獲層20包括納米粒子21，并且所述納米粒子21可以形成單一層(一個納米粒子厚度)或多重層(多納米粒子厚度)。所述電荷捕獲層20可以包括圍繞納米粒子21的