TW201419534A - 記憶體元件及其製作方法 - Google Patents
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Abstract
一種記憶體元件,包括:基材、穿隧氧化層、電荷捕捉層、複數個導電量子點、阻絕氧化層、金屬閘極以及源極/汲極結構。穿隧氧化層位於基材上方,且厚度實質小於或等於2奈米(nm)。電荷捕捉層位於穿隧氧化層上方。複數個導電量子點鑲嵌於電荷捕捉層之中。阻絕氧化層位於電荷捕捉層上方。金屬閘極位於阻絕氧化層上方,其材質為鋁(Al)、銅(Cu)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鋁矽銅(Al-Si-Cu)合金或上述之任意組合。源極/汲極結構位於基材之中。
Description
本發明是有關於一種記憶體元件及其製作方法,且特別是有關於一種具有金屬閘極之記憶體元件及其製作方法。
非揮發性記憶體元件,具有在斷電狀態下仍具有儲存數據的功能,且具有系統可重複寫入、堅固耐用、高密度、低耗電、小體積極平價等優點。因此,目前已被業界所廣泛使用。習知的非揮發性記憶體元件,一般可區分為浮置閘結構和矽-氧化矽-氮化矽-氧化矽-矽結構(以下簡稱SONOS結構)。其中,浮置閘結構係應用源極注入(Source-Side Injection,SSI)或穿隧效應(tunneling effect),將熱電子儲存於浮置閘結構內。
然而,隨著關鍵尺寸逐漸縮小,熱電子易沿著選擇閘極通道(select gate channel)產生擊穿(punching through)問題,使得浮置閘結構的應用受到限制。SONOS結構則係應用源極注入將熱電子儲存於氮化矽層之中。和浮置閘結構相比,SONOS結構具有製程簡單、關鍵尺寸較小、可克服汲極引發導通效應(drain-induced turn-on)、可多層載子儲存(multi-level storage),可排除浮動閘極偶和效應(floating gate coupling effect)等優勢。因此有逐漸取代浮置閘結構的趨勢。
然而,習知的SONOS非揮發性記憶體元件,在提升非揮發型記憶體的寫入/抹除速度,降低電壓操作、增進元件可靠度等問題上,仍存在有相當大的改進空間。
因此有需要提供一種先進的非揮發性記憶體元件及其製
作方法,解決習知技術所面臨的問題。
本發明的其中一個面向,是在提供一種記憶體元件,包括:基材、穿隧氧化層、電荷捕捉層、複數個導電量子點(quantum dot)、阻絕氧化層、金屬閘極以及源極/汲極結構。穿隧氧化層位於基材上方,且厚度實質小於或等於2奈米(nm)。電荷捕捉層位於穿隧氧化層上方。複數個導電量子點,鑲嵌於電荷捕捉層之中。阻絕氧化層位於電荷捕捉層上方。金屬閘極位於阻絕氧化層上方,其材質為鋁(Al)、銅(Cu)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鋁矽銅(Al-Si-Cu)合金或上述之任意組合。源極/汲極結構,位於基材之中。
在本發明的一實施例之中,基材係一種矽基材或一種絕緣層上附矽(Silicon On Insulator,SOI)基材。
在本發明的一實施例之中,穿隧氧化層為二氧化矽材質層;電荷捕捉層為氮化矽材質層。
在本發明的一實施例之中,阻絕氧化層為金屬氧化物材質層或二氧化矽材質層。
在本發明的一實施例之中,這些導電量子點,係選自於由複數個半導體量子點、複數個金屬量子點,以及上述之任意組合所組成之一族群。
在本發明的一實施例之中,這些導電量子點為複數個矽量子點,平均粒徑實質介於2 nm至4 nm之間。
在本發明的一實施例之中,非揮發性記憶體元件,更包括:位於基材與穿隧氧化層之間的通道層,以及位於基材與通道層之間的隔離層。在本發明的一實施例之中,通道層是多晶矽材
質層;隔離層是二氧化矽材質層。
在本發明的一實施例之中,記憶體元件可以是三維堆疊型記憶體元件、超薄通道層記憶體元件、矽奈米線記憶體元件、奈米碳管記憶體元件或是鰭鰈式記憶體元件。
本發明的另一個面向,是在提供一種記憶體元件的製作方法,包括下述步驟:首先,於基材上方,形成穿隧氧化層、電荷捕捉層以及阻絕氧化層,並使複數個導電量子點鑲嵌於電荷捕捉層之中。之後,再於阻絕氧化層上方,形成材質為鋁(Al)、銅(Cu)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鋁矽銅(Al-Si-Cu)合金或上述之任意組合的金屬閘極。並於基材之中形成源極/汲極結構之後,對源極/汲極結構進行雷射退火(laser annealing)製程。
在本發明的一實施例之中,雷射退火製程,包括使用尖峰功率密度為2.1×103瓦/公分2的長波長雷射,對源極/汲極結構進行尖峰式退火(spike annealing)步驟。
根據上述,本發明的實施例,是在提供一種記憶體元件及其製造方法。其中,此記憶體元件具有金屬閘極-阻絕氧化物層-電荷捕捉層-穿隧氧化層-通道層結構,並具有複數個導電量子點,鑲嵌於電荷捕捉層之中。且此記憶體元件的源極/汲極結構的活化步驟,係採用雷射退火製程來加以完成。
藉由鑲嵌於電荷捕捉層之中的導電量子點,可充分提升非揮發性記憶體元件的寫入/抹除速度,降低電壓操作、增進元件可靠度。至於,採用金屬閘極搭配雷射退火製程,不僅具有降低熱預算,及產生選區活化的作用。更可藉以保護位於金屬閘極下方的閘介電層(阻絕氧化物-電荷捕捉層-穿隧氧化層)及通道層,不受高溫破壞;並確保鑲嵌於電荷捕捉層中的導電量子點,不會發生再結晶/形變的現象。進一步提升非揮發性記
憶體元件的工作效能。
本發明是在提供一種記憶體元件及其製作方法,用以提升記憶體的寫入/抹除速度,降低電壓操作、增進元件可靠度。為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂,下文特舉一非揮發性記憶體元件及其製作方法,作為較佳實施例,並配合所附圖式及比較例,作詳細說明如下。
請參照圖1A和1B,圖1A和1B係根據本發明的一實施例示,所繪之一系列製作非揮發性記憶體元件100的製程剖面圖。非揮發性記憶體元件100的製作,包括下述步驟:首先,提供一個基材101,並於基材101的表面上,形成一隔離層102。在本發明的一些實施例之中,基材101係一種半導體基材。例如,矽基材或絕緣層上附矽(Silicon On Insulator,SOI)基材;隔離層102,則採用熱氧化法,於基材101的表面上,所形成的二氧化矽層。在本實施例之中,隔離層102的厚度實值為1,000 nm。
之後,先在隔離層102上方,形成一通道層103。在本發明的一些實施例之中,構成通道層103的材質,可以是矽、鍺、石墨烯或三五族材料,例如:氮化銦、氮化鎵等。在本實施例之中,通道層103為一多晶矽層。其中多晶矽通道層103的形成,包括下述步驟:首先在隔離層102上方沉積100nm的非晶矽薄膜,再利用銣-釔鋁石榴石(Neodymium-Yttrium Aluminum Garnet,Nd-YAG)雷射光源,對非晶矽薄膜進行次微秒(μs)掃描雷射尖峰式退火操作,藉以於隔離層102上方形成晶粒約1 μm的多
晶矽通道層103。其中,雷射光源的波長為532 nm、脈衝寬為13奈秒(ns)、掃瞄速度為25 cm/s、雷射束大小為2.7 mm×60 μm,雷射的功率密度為3.8×103瓦/公分2。
後續,利用低壓化學氣相沉積製程,在通道層103上方,形成穿隧氧化層104。在本發明的一些實施例之中,構成穿隧氧化層104的材質,可以為氧化矽或其他高介電係數材質。在本實施例之中,穿隧氧化層104的形成步驟,包含在低壓爐管內通入氧化亞氮(N2O),藉以於多晶矽層通道層103上方,形成厚度實值小於或等於2nm,材質為二氧化矽之穿隧氧化層104。
接著,以不破真空的方式,在穿隧氧化層104上方,形成材質為氮化矽的電荷捕捉層105;並且使複數個導電量子點106鑲嵌於電荷捕捉層105之中。在本發明的一些實施例之中,導電量子點106可以為半導體(例如矽、鍺、矽鍺、鎵、砷、銦、砷化鎵、砷化銦、砷化銦鎵)量子點、金屬量子點或上述二者之組合。在本實施例之中,導電量子點106,為矽量子點(以下簡稱矽量子點106)。
其中,形成鑲嵌有複數個矽量子點106之電荷捕捉層105的步驟,包括:先在低壓爐管內通入二氯矽烷(Dichlorosilane,SiH2Cl)以及氨(NH3),藉以在穿隧氧化層104上方,形成厚度實質為3nm的氮化矽層。緊接著,將低壓爐管抽真空,再通入二氯矽烷,以成長矽奈米晶體(矽量子點106),沉積時間為60秒。之後,再次將低壓爐管抽真空,再通入氯矽烷以及氨,以形成厚度實質為4nm的另一氮化矽層。
然後,再利用高密度電漿化學氣相沉積(High-Density Plasma chemical vapor deposition,HDPCVD)系統,於電荷捕
捉層105上方,形成厚度實質為5nm的阻絕氧化層107。在本發明的一些實施例之中,阻絕氧化層107可以是二氧化矽材質層。而在本發明的另一些實施例之中,阻絕氧化層107可以是金屬氧化物材質層,例如氧化鋁(Al2O3)材質層或其他高介電係數材質層。
後續,再利用金屬沉積,在阻絕氧化層107層上方,形成厚度實質為200nm的金屬閘極層108(如圖1A所繪示)。在本發明的一些實施例之中,金屬閘極層108可以包含鋁(Al)、銅(Cu)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鋁矽銅(Al-Si-Cu)合金或上述之任意組合。在本實施例之中,金屬閘極層108係一圖案化的鋁矽銅合金層。
隨後,利用微影蝕刻製程,對穿隧氧化層104、電荷捕捉層105、阻絕氧化層107和金屬閘極層108進行圖案化。並藉由多次離子佈植製程,於基材101之中形成源極/汲極結構109。並對源極/汲極結構109進行雷射退火製程110,以活化源極/汲極結構109,完成非揮發性記憶體元件100的製作(如圖1B所繪示)。在本發明的一些實施例之中,雷射退火製程,包括使用尖峰功率密度為2.1×103瓦/公分2的長波長雷射,對源極/汲極結構109進行尖峰式退火步驟。
由於,利用金屬閘極層108對於雷射反射率較高,可有效反射雷射之高能量的特點。舉例而言,在本實施例之中,在對源極/汲極結構109進行雷射退火製程時,鋁-矽-銅合金材質的金屬閘極層108,在波長532nm的雷射照射下,其光反射率實質為90%;遠高於多晶矽閘極的反射率30%。顯示,金屬閘極層108可作為一種光阻絕層,用來保護位於金屬閘極層108下方的穿隧氧化層104、電荷捕獲層105和阻絕層107等介電
質,不受高溫雷射退火破壞。更可,確保電荷捕獲層105中的矽量子點106,不會有再結晶/形變的現象發生。
請參照圖2,圖2係以穿隧式電子顯微鏡,觀察非揮發性記憶體元件100之矽量子點106的顯微影像。由圖2可觀察到,嵌設於非揮發性記憶體元件100之電荷捕獲層105中的矽量子點106,其晶粒直徑實質介於2nm至4nm之間,較佳約為3.9 nm(如圖2(a)所繪示);矽原子排列的晶面間距(Si<111>),維持在3.07 Å(如圖2(b)所繪示)左右。顯示,無論是在雷射尖峰式退火步驟之前或之後,晶粒直徑以及矽原子排列的晶面間距變化極少。可證明長波長雷射對於電荷捕獲層105中的矽量子點106,不會產生再結晶/形變的現象。
再加上,因為長波長雷射尖峰式退火步驟,是以次毫秒的脈衝寬進行掃描,僅會對閘極層產生瞬時的高能量,可穿透金屬閘極層108到的熱量相當少,也不會發生高溫累積而造成矽量子點106擴散的情形。
請參照圖3,圖3係根據本發明的一實施例,所繪示之非揮發性記憶體元件100的傳輸特性圖。不同的曲線分別代表非揮發性記憶體元件100,在經過7伏特和-7伏特1微秒(μs)、10微秒和1毫秒(ms)之寫入和抹除之前與之後的傳輸特性。
其中,非揮發性記憶體元件100的電流開關比大於105,次臨限斜率小於0.19 V/decade。次臨限斜率相當低,有助於非揮發性記憶體元件100在「開」及「關」狀態之辨別。此外,由圖3的輸出特性圖可看出,在低汲極電壓處,並沒有電流叢集效應,顯示非揮發性記憶體元件100具有相當小的寄生阻抗。在本實施例之中,非揮發性記憶體元件100的寄生阻抗,
實質為3.07千歐姆-微米(kΩ-μm),遠小於利用快速熱退火技術(Rapid Thermal Anneal,RTA)所形成之非揮發性記憶體元件的寄生阻抗12.14千歐姆-微米。更進一步顯示了非揮發性記憶體元件100的良好電性。
另一方面,藉由圖3也可觀察到,經過7伏特和-7伏特1微秒之寫入和抹除後,臨限電壓分別位移1.67和元1.8伏特,其記憶體窗格遠大於0.5伏特,其已足夠為典型的感測放大器偵測,顯示非揮發性記憶體元件100,適用於多元式載子儲存。
請參照圖4,圖4係根據本發明的一實施例,所繪示之非揮發性記憶體元件100的寫入/抹除特性圖。其中不同曲線分別代表,本實施例之非揮發性記憶體元件100,以及未包含導電量子點之金屬閘極-氧化物-氮化矽-氧化物-多晶矽(MONOS)型非揮發性記憶體元件(以下簡稱比較例),利用F-N注入法,操作在±5伏特和±7伏特之條件下的寫入/抹除特性。
將本實施例之非揮發性記憶體元件100,與比較例作比較可發現,當元件操作在寫入狀態時,含有矽量子點106的非揮發性記憶體元件100,具有較寬的記憶體窗格。且非揮發性記憶體元件100的抹除速度,也與比較例的抹除速度相近。顯示,鑲嵌於電荷捕獲層105中的矽量子點106,確實有助於提升寫入效率。
請參照圖5,圖5係根據本發明的一實施例,所繪示之非揮發性記憶體元件100的標準化電荷保持率與時間之關係圖。橫軸為電荷保持時間,縱軸代表電荷保持率(△Vth(t)/△Vth(0))。其中,不同圖案的曲線,分別代表非揮發性記憶體元件100以及比較例,在操作溫度25℃、75℃、125℃,以及
進行寫入/抹除105次的條件下,其電荷保持情況。
由圖5可知,非揮發性記憶體元件100具有優異的電荷保存特性,當時間趨近於十年時,含有矽量子點106的非揮發性記憶體元件100的電荷流失率約為28.4%。而比較例的非揮發性記憶體元件之電荷流失率,則高達81.7%。顯示,鑲嵌於電荷捕獲層105中的矽量子點106,確實有助於提升資料儲存能力。
請參照圖6,圖6係根據本發明的一實施例,繪示非揮發性記憶體元件100及比較例,在經過105次寫入/抹除週期之後,的臨界電壓變化曲線圖。其中,不同圖案的曲線,分別代表非揮發性記憶體元件100及比較例,在以7伏特和-7伏特1微秒、10微秒和1毫秒(ms)寫入/抹除105次後,的臨界電壓變化曲線圖。
由圖6可知,包含矽量子點106的非揮發性記憶體元件100,在寫入/抹除105次後,仍具有相較於比較例之金屬閘極-氧化物-氮化矽-氧化物-多晶矽型非揮發性記憶體元件還大的記憶體窗格。顯示,包含矽量子點106的非揮發性記憶體元件100,具有極佳的操作可靠度。
根據上述,本發明的實施例,是在提供一種記憶體元件及其製造方法。其中,此記憶體元件具有金屬閘極-阻絕氧化物層-電荷捕捉層-穿隧氧化層-通道層結構,並具有複數個導電量子點,鑲嵌於電荷捕捉層之中。且此記憶體元件的源極/汲極結構的活化步驟,係採用雷射退火製程來加以完成。
藉由鑲嵌於電荷捕捉層之中的導電量子點,可充分提升非揮發性記憶體元件的寫入/抹除速度,降低電壓操作、增進元件可靠度。至於,採用金屬閘極搭配雷射退火製程,不僅具有
降低熱預算,及產生選區活化的作用。更可藉以保護位於金屬閘極下方的閘介電層(阻絕氧化物-電荷捕捉層-穿隧氧化層)及通道層,不受高溫破壞;並確保鑲嵌於電荷捕捉層中的導電量子點,不會發生再結晶/形變的現象。進一步提升非揮發性記憶體元件的工作效能。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明。例如,上述實施例所揭露之技術特徵的應用範圍,並不限於上述實施例所例示的非揮發性記憶體元件。該些技術特徵,亦適用於三維堆疊型、超薄通道層、矽奈米線、奈米碳管或是鰭鰈式等結構之記憶體元件。
任何該領域中具有通常知識者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾。因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧非揮發性記憶體元件
101‧‧‧基材
102‧‧‧隔離層
103‧‧‧通道層
104‧‧‧穿隧氧化層
105‧‧‧電荷捕捉層
106‧‧‧導電量子點
107‧‧‧阻絕氧化層
108‧‧‧金屬閘極層
109‧‧‧源極/汲極結構
110‧‧‧雷射退火製程
圖1A和1B係根據本發明的一實施例示,所繪之一系列製作非揮發性記憶體元件的製程剖面圖。
圖2係以穿隧式電子顯微鏡,觀察非揮發性記憶體元件之矽量子點的顯微影像。
圖3係根據本發明的一實施例,所繪示之非揮發性記憶體元件的傳輸特性圖。
圖4係根據本發明的一實施例,所繪示之非揮發性記憶體元件的寫入/抹除特性圖。
圖5係根據本發明的一實施例,所繪示之非揮發性記憶體元件的標準化電荷保持率與時間之關係圖。
圖6係根據本發明的一實施例,繪示非揮發性記憶體元
件,在經過105次寫入/抹除週期之後,的臨界電壓變化曲線圖。
100‧‧‧非揮發性記憶體元件
101‧‧‧基材
102‧‧‧隔離層
103‧‧‧通道層
104‧‧‧穿隧氧化層
105‧‧‧電荷捕捉層
106‧‧‧導電量子點
107‧‧‧阻絕氧化層
108‧‧‧金屬閘極層
109‧‧‧源極/汲極結構
110‧‧‧雷射退火製程
Claims (11)
- 一種記憶體(nonvolatile memory,NVM)元件,包括:一基材;一穿隧氧化層,位於該基材上方,其具有實質小於或等於2奈米(nm)的一厚度;一電荷捕捉層,位於該穿隧氧化層上方;複數個導電量子點(quantum dot),鑲嵌於該電荷捕捉層之中;一阻絕氧化層,位於該電荷捕捉層上方;一金屬閘極,材質為鋁(Al)、銅(Cu)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鋁矽銅(Al-Si-Cu)合金或上述之任意組合,位於該阻絕氧化層上方;以及一源極/汲極結構,位於該基材之中。
- 如申請專利範圍第1項所述之記憶體元件,其中該基材係一矽基材或一絕緣層上附矽(Silicon On Insulator,SOI)基材。
- 如申請專利範圍第1項所述之記憶體元件,其中該穿隧氧化層為一二氧化矽材質層;該電荷捕捉層,為一氮化矽材質層。
- 如申請專利範圍第3項所述之記憶體元件,其中該阻絕氧化層,為一金屬氧化物材質層或一二氧化矽材質層。
- 如申請專利範圍第1項所述之記憶體元件,其中該些導電量子點,係選自於由複數個半導體量子點、複數個金屬量子點,以及上述之任意組合所組成之一族群。
- 如申請專利範圍第1項所述之記憶體元件,其中該些導電量子點為複數個矽量子點,具有實質介於2 nm至4 nm之間的一平均粒徑。
- 如申請專利範圍第1項所述之記憶體元件,更包括:一通道層,位於該基材與該穿隧氧化層之間;以及一隔離層,位於該基材與該通道層之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之記憶體元件,其中該通道層係一多晶矽材質層;該隔離層係一二氧化矽材質層。
- 如申請專利範圍第1項所述之記憶體元件,其中該記憶體元件可以是一三維堆疊型記憶體元件、一超薄通道層記憶體元件、一矽奈米線記憶體元件、一奈米碳管記憶體元件或是一鰭鰈式記憶體元件。
- 一種記憶體元件的製作方法,包括下述步驟:於一基材上方,形成一穿隧氧化層、一氮化矽層以及一阻絕氧化層,並使複數個導電量子點鑲嵌於該電荷捕捉層之中,其中該穿隧氧化層具有實質小於或等於2 nm的一厚度;於該阻絕氧化層上方,形成材質為鋁、銅、氮化鉭、氮化鈦、鋁矽銅合金或上述之任意組合的一金屬閘極; 於該基材之中形成一源極/汲極結構;以及對該源極/汲極結構進行一雷射退火(laser annealing)製程。
- 如申請專利範圍第10項所述之記憶體元件的製作方法,其中該雷射退火製程,包括使用一尖峰功率密度為2.1×103瓦/公分2的一長波長雷射,對該源極/汲極結構進行一尖峰式退火(spike annealing)步驟。
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