[发明专利]非易失半导体存储器装置及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体存储器装置，且更具体而言，涉及一种能提高装置的数据保持特性的非易失半导体存储器装置及其制造方法。

背景技术

非易失半导体存储器装置，尤其是能够电存储和电擦除数据并在去除电源时保持所存储的数据的非易失半导体存储器装置已经引起了很大的兴趣。

构成非易失半导体存储器装置的存储单元根据该非易失半导体存储器装置使用的领域而变化。

例如，在作为高容量的非易失半导体存储器装置的NAND(与非)型闪存半导体存储器装置的存储单元的情况，存储单元的晶体管的栅极堆叠通常具有存储电荷即存储数据的浮置栅极与控制浮置栅极的控制栅极依次堆叠的结构。

然而，由于常规的闪存半导体存储器使用导电材料例如掺杂浮置栅极材料的多晶硅，当高度集成时，相邻栅极堆叠之间的寄生电容增加。

因此，提出了公知为金属-氧化物-绝缘体-氧化物-半导体(MOIOS)例如硅-氧化物-氮化物-氧化物-半导体(SONOS)或金属-氧化物-氮化物-氧化物-半导体(MONOS)的非易失半导体存储器装置，且积极进行了许多研究以解决闪存半导体存储器装置的问题。SONOS使用硅作为控制栅极材料，而MONOS使用金属作为控制栅极材料。

MOIOS存储器装置使用电荷俘获层例如氮化硅(Si₃N₄)取代浮置栅极作为电荷存储装置。换言之，MOIOS存储器装置具有其中氮化物和氧化物依次堆叠的ONO结构来取代在闪存半导体存储器装置的存储单元中位于衬底与控制栅极之间、由浮置栅极和堆叠在其上下部分上的绝缘层形成的堆叠结构。MOIOS存储器装置使用当电荷俘获在氮化物层中时阈值电压的漂移特性。

SONOS存储器装置的细节公开在C.T.Swift等人在Technical Digest ofInternational Electron Device Meeting(IEDM 2002，December)p.927-930公开的“An Embedded 90nm SONOS Nonvolatile Memory Utilizing Hot ElectronProgramming and Uniform Tunnel Erase”中。

图1是SONOS存储器装置的基本结构的剖面图(此后称为常规SONOS装置)。

参考图1，常规SONOS装置包括位于分离地形成在半导体衬底10中的源区S和漏区D之间的半导体衬底10、以及形成在半导体衬底10上的第一氧化硅(SiO₂)层12，第一氧化硅层12的两端接触源区S和漏区D。第一氧化硅层12用于电荷隧穿。氮化硅(Si₃N₄)层14形成在第一氧化硅层12上。氮化硅层14是实际存储数据的材料层，且隧穿通过第一氧化硅层12的电荷被俘获在氮化硅层14中。第二氧化硅层16形成在氮化硅层14上作为阻挡绝缘层，以阻挡电荷穿过氮化硅层14并向上移动。栅电极18形成在第二氧化硅层16上。

然而，例如图1所示的常规SONOS装置的MOIOS装置的氮化硅层14和第一及第二氧化硅层12和16的介电常数低，在氮化硅层14内的陷阱位置(trap site)密度不足，操作电压高，数据记录(编程)速度和擦除速度低，且存储的数据的保持时间短。

最近，已经报道(C.Lee等人在Extended Abstract of 2002 InternationalConf.on Solid State Device and Materials，Nagoya，Japan，Sept.2002公开的“Novel Structure of SiO₂/SiN/High-k dielectric，Al₂O₃ for SONOS type flashmemory”中)当氧化铝(Al₂O₃)用作阻挡绝缘层取代氧化硅层时，编程速度和保持特性可以提高。

然而，虽然由氧化铝形成的阻挡绝缘层可以在预定程度内抑制从氮化硅层移动的电荷，但氮化硅层内的陷阱位置密度仍不足。因此保持特性难以通过氧化铝提高。