[发明专利]具有在金属氧化物介质层中的电荷存储纳米晶体的集成电路器件栅结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路器件，更具体，涉及集成电路器件的栅结构及其制造方法。

背景技术

便携式电子设备及嵌入式系统不断增长的应用导致对能够以非常高速编程的低功耗、高密度、非易失存储器的需求。现已开发出来的一种存储器是闪速电可擦除可编程只读存储器(Flash EEPROM)。其用于许多的便携式电子产品中，例如个人计算机、蜂窝电话、便携式计算机、录音机等等，以及用在许多的较大的电子系统中，比如汽车、飞机、工业控制系统等等。

Flash EEPROM器件典型地形成在集成电路衬底如半导体衬底上。在部分的衬底表面上，通常形成掺杂的源区和漏区，有沟道区在它们之间。可以在半导体衬底上在沟道区的上方且在源区和漏区之间，形成隧道氧化硅介质层。对于具有浮栅层、电极间介质层和控制栅层的晶体管，通常在该隧道氧化硅介质层之上，在沟道区上方，形成叠层栅结构。典型的，源区通常在该叠层栅结构的一侧上，源区的一个边缘与栅结构交迭。漏区通常在该叠层栅结构的另一侧上，一个边缘与栅结构交迭。如图1中所示，所述器件可以通过例如热电子注入来编程而通过Fowler-Nordheim隧穿来擦除。

已经提出了硅(Si)纳米晶体Flash EEPROM器件，其能够利用用于直接隧穿的低电压以及在硅纳米晶体中存储电子，来高速(几百纳秒)编程。通过使用电隔离(离散)的纳米晶体电荷存储位点(site)，可以减少经由栅氧化物层中的局部缺陷的电荷泄漏，例如图14中所示。这可以与图2中所示的连续浮栅泄漏路径形成对比。

还提出了锗(Ge)纳米晶体Flash EEPROM器件，其能够以低电压和高速编程。可以通过将锗原子注入到硅衬底中来制造这种器件。然而，注入工艺可能导致锗位于硅-隧道氧化物界面处，形成能够使器件性能退化的陷阱位点。这种陷阱位点的存在对所得到的隧道氧化物层的厚度设置了一下限，因为在非常薄的隧道氧化物中缺陷引起的泄漏电流能够导致较差的保持(retention)特性。

还已经提出了具有隧穿氧化物/掺杂Ge的氧化物/帽盖层(cappinglayer)的纳米晶体电荷陷阱三层结构。这种结构可能具有电容-电压(CV)曲线存储滞回特性降低、制造工艺复杂、泄漏电流和离子出向(ion-out)扩散的问题。工艺复杂的问题可以包括在形成电子陷阱和得到过薄的隧道氧化物层上的困难。

发明内容

本发明的一些实施例提供了形成用于集成电路存储器件的栅结构的方法，包括在集成电路衬底上形成金属氧化物介质层。将从元素周期表的4族选择的且具有小于大约0.5厘米每秒(cm²/s)的热扩散率的元素的离子注入到该介质层中，以在介质层中形成电荷存储区，隧道介质层在该电荷存储区下，而帽盖介质层在该电荷存储区之上。对包括该金属氧化物介质层的衬底热处理，以在该电荷存储区中形成多个离散的电荷存储纳米晶体。在该介质层上形成栅电极层。

在其他实施例中，该金属氧化物介质层是具有介电常数在7以上的铝、铪、钛、锆、钪、钇(yitrium)和/或镧的氧化物和/或氮氧化合物，并且所选择的元素是锗(Ge)。所述离子可以以小于大约10000电子伏特(eV)的注入能量来注入，并且可以以大于大约5000电子伏特(eV)的能量来注入。形成在衬底上的该金属氧化物介质层的厚度可以小于大约30nm。

在另外的实施例中，可以在注入离子之前对包括金属氧化物介质层的衬底热处理。该热处理可以是在该金属氧化物介质层的结晶温度以上的温度。该热处理可以是在氮气氛中在至少大约950℃的温度。

在其他实施例中，在注入离子之后热处理衬底包括：在大约700℃至大约900℃，将包括该金属氧化物介质层的衬底快速热退火大约5分钟至大约30分钟。可以在该快速热退火之后在大约900℃至大约1050℃第二次快速热退火大约5分钟至大约30分钟。在某些实施例中注入离子后的对衬底热处理包括在大约900℃至大约950℃对包括该金属氧化物介质层的衬底快速热退火大约5分钟至大约30分钟。