[发明专利]非易失性存储元件及其制造方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于2008年2月19日提交的在先的日本专利申请No. 2008-37893并且要求其优先权，该日本申请的整个内容通过参考被并 入此处。

技术领域

本发明涉及非易失性存储元件及其制造方法，例如，通过将电荷 注入电荷存储层中和将电荷从该电荷存储层中释放来存储信息的非 易失性存储元件及其制造方法。

背景技术

已知作为一种电写入和擦除数据的电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)的闪速存储器是非易失性半导体存储器。并且，作为一 种闪速存储器，已知使用金属氧化物氮化物氧化物半导体(MONOS) 存储单元晶体管的闪速存储器。该MONOS存储单元晶体管具有适合 于微图形化(micropatterning)的结构，因为绝缘膜被用作电荷存储 层。

存储单元晶体管具有这样的栅结构，在其中，隧道绝缘膜、电荷 存储层、阻挡(block)绝缘膜和控制栅电极被顺序堆叠在半导体衬底 上。当在控制栅电极与半导体衬底之间施加高电场时，该存储单元晶 体管的阈值电压改变，因为从半导体衬底注入到电荷存储层中的电子 被俘获在由电荷存储层中的缺陷所引起的陷阱中。通过使用这种阈值 电压的改变来存储信息。在此情况下，通过增大电荷存储层和阻挡绝 缘膜的静电容量(capacitance)并向隧道绝缘膜施加高电压，可以降 低写入和擦除所需的操作电压。此外，漏电流必须被减小以改进被俘 获在电荷存储层中的电荷的保持性能并且有效地执行写入和擦除。因 此，阻挡绝缘膜被要求为增大静电容量并减小漏电流。

通常，氮化硅(SiN)主要被用作MONOS存储单元晶体管的电 荷存储层。还期望使用具有比氧化硅和氮化硅更高的介电常数的材料 以改进电荷保持性能并减小漏电流。此外，要求高的陷阱密度和高的 耐热性(耐热限(heat tolerance))。

期望要被应用于电荷存储层的新材料适合于传统的存储单元晶 体管形成方法。传统的浮栅或MONOS存储单元晶体管形成方法如下。 通过在半导体衬底上顺序淀积隧道绝缘膜、电荷存储层、阻挡绝缘膜 和控制栅电极来形成栅结构。通过在半导体衬底中离子注入例如硼 (B)、磷(P)、砷(As)或锑(Sb)的杂质来形成离子注入区。 最后，通过对样品热处理(例如退火)来激活该离子注入区。在这之 后，通过由公知的方法形成层间介电膜、互连层等来完成非易失性半 导体存储器。

不幸的是，传统存储单元晶体管制造包括在例如900℃到1000℃ 下执行的高温热处理步骤。当使用非晶的氮化硅或非晶的高k绝缘材 料作为电荷存储层时，高温热处理导致包括这种非晶绝缘膜的叠层膜 的混合或相互扩散。这会改变膜厚或者降低电学性能。因此，要求形 成具有高热稳定性并且即使在高温热处理之后也维持结构和电学性 能的叠层膜。

作为这类的有关技术，在包括高k绝缘膜的SONOS存储元件中降 低驱动电压并且维持保持性能的技术被公开(JP-A 2005-268756 (KOKAI))。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种非易失性存储元件，包括： 半导体区；相互隔开地设置在所述半导体区中的源区和漏区；设置在 源区与漏区之间的半导体区上的隧道绝缘膜；设置在所述隧道绝缘膜 上的电荷存储层；设置在所述电荷存储层上的阻挡绝缘膜；以及设置 在所述阻挡绝缘膜上的控制栅电极。所述电荷存储层包括含有从包括 Hf、Al、Zr、Ti和稀土金属的组中选择的至少一种材料、并且被全部 或者部分地晶化的氧化物、氮化物或氧氮化物。所述阻挡绝缘膜包括 含有至少一种稀土金属的氧化物、氧氮化物、硅酸盐或铝酸盐。

根据本发明的一个方面，提供了一种非易失性存储元件，包括： 半导体区；相互隔开地设置在所述半导体区中的源区和漏区；设置在 源区与漏区之间的半导体区上的隧道绝缘膜；电荷存储层，包括设置 在所述隧道绝缘膜上的非晶的第一绝缘层，以及颗粒状地形成在所述 第一绝缘层中并且晶化的第二绝缘层；设置在所述电荷存储层上的阻 挡绝缘膜；以及设置在所述阻挡绝缘膜上的控制栅电极。所述第二绝 缘层包括含有从包括Hf、Al、Zr、Ti和稀土金属的组中选择的至少一 种材料、并且被全部或者部分地晶化的氧化物、氮化物或氧氮化物。 所述阻挡绝缘膜包括含有至少一种稀土金属的氧化物、氧氮化物、硅 酸盐或铝酸盐。