DE102008001263B4

DE102008001263B4 - Integriertes Schaltungsbauelement sowie zugehöriges Herstellungsverfahren mit diskreten Haftstellen

Info

Publication number: DE102008001263B4
Application number: DE102008001263.7A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Poeppel; Georg Tempel
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-05-30
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2028-04-19
Also published as: US20090176358A1; US20080296662A1; US7847325B2; DE102008001263A1

Abstract

Integriertes Schaltungsbauelement (400), umfassend: eine Fulleren-Schicht (405) mit mehreren Fulleren-Molekülen (406; 501; 701; 801), wobei die Fulleren-Moleküle (406; 501; 701; 801) als Ladungshaftstellen wirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Fulleren-Moleküle (406; 501; 701; 801) derart eng angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig berühren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein integriertes Schaltungsbauelement sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren mit diskreten Haftstellen und insbesondere Speicher mit diskreten Haftstellen, die Fullerene verwenden, um die gefangene Ladung zu halten oder zu platzieren.
Speicher mit diskreten Haftstellen (DTM, Discrete Trap Memories) tragen wesentlich zu der Entwicklung des Flash-Speichers bei. 1 ist eine schematische Zeichnung eines bekannten DTM 100. Source 101 und Drain 102 sind in einem Substrat 103, das in der Regel eine Siliziumschicht ist, ausgebildet. Die untere Oxidschicht 104 wird thermisch auf dem Silizium 103 aufgewachsen. Die Nitridschicht 105 wird auf der unteren Oxidschicht 104 abgeschieden und enthält diskrete Ladungshaftstellen 106. Die obere Oxidschicht 107 wird auf der Nitridschicht 105 aufgewachsen oder abgeschieden. Eine Gateschicht 108, bei der es sich um polykristallines Silizium oder Metall handeln kann, ist auf der oberen Oxidschicht 107 abgeschieden. Diese Struktur ist wohlbekannt und wird als SONOS oder MONOS bezeichnet. Das lokale Potential des Kanals und deshalb die lokale Schwellwertspannung wird durch Laden der diskreten Ladungshaftstellen 106 mit Elektronen modifiziert. Das DTM-Bauelement 100 arbeitet derart, dass, wenn eine über der Schwellwertspannung liegende Spannung an das Gate 108 angelegt wird, ein Übertragungsweg zwischen dem Source 101 und dem Drain 102 einen Stromfluss durch das Bauelement gestattet. Der Verlauf des Übertragungswegs hängt von der Verteilung der Haftstellen 106 ab, wie beispielsweise in D. Ielmini et al., A new channel percolation model for VT shift in discrete-trap memories, Reliability Physics Symposium Proceedings, 42nd Annual 2004, 515-521 (25-29 April 2004 IEEE International), beschrieben.
Aus der den Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bildenden Druckschrift US20070064478 A1 ist ein integriertes Schaltungsbauelement mit einer Fulleren-Schicht mit mehreren Fulleren-Molekülen bekannt, wobei die Fulleren-Moleküle als Ladungshaftstellen wirken.
Die Druckschrift US6473351 B2 offenbart Nanospeicherelemente auf der Grundlage von Fulleren-Molekülen sowie zugehörige Herstellungsverfahren, wobei in einem Nano-Käfig ein Fulleren-Molekül beweglich gelagert ist.
Ferner ist aus der Druckschrift US20060226551 A1 ein integriertes Schaltungsbauelement sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren bekannt, wobei zur Maskierung Kohlenstoff-Nanoröhren verwendet werden, welche Fullerene enthalten.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde ein integriertes Schaltungsbauelement mit einer Fulleren-Schicht sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren zu schaffen, wobei verbesserte elektrische Eigenschaften realisiert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des integrierten Schaltungsbauelements durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 13 gelöst.
Insbesondere durch Verwendung einer Fulleren-Schicht, wobei die Fulleren-Moleküle derart eng angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig berühren, erhält man eine besonders homogene und dichte Verteilung der Ladungshaftstellen, wodurch unerwünschte Variationen und statistische Zufallsverteilungen von Ladungshaftstellen vermieden werden. Die elektrischen Eigenschaften von integrierten Schaltungsbauelementen (insbesondere die Gleichmäßigkeit der Schwellwertspannungen) sind dadurch verbessert.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet.
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und der Vorteile davon wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:

1 ein Diagramm eines bekannten Speicherbauelements mit diskreten Haftstellen (DTM - discrete trap memory);
2A die Verteilung von Ladungshaftstellen in einem bekannten DTM;
2B eine Speicherschicht, wenn eine Schwellwertspannung an einen DTM angelegt wird;
3A die Verteilung von Ladungshaftstellen in einem bekannten DTM;
3B eine Speicherschicht, wenn eine Schwellwertspannung an einen DTM angelegt wird;
4 ein Diagramm eines Speicherbauelements mit diskreten Haftstellen gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 Fullerene, die in einer Schicht eines Speicherbauelements mit diskreten Haftstellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angeordnet sind;
6 Fullerene, die in einer Schicht eines Speicherbauelements mit diskreten Haftstellen gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform der Erfindung angeordnet sind;
7 endohedrale Fullerene, die in einer Schicht eines Speicherbauelements mit diskreten Haftstellen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung angeordnet sind und
8 Fullerene, die als eine Maskenschicht gemäß einer nicht beanspruchten Ausführungsform der Erfindung angeordnet sind.

Die Herstellung und die Verwendung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen werden nachstehend ausführlich erörtert.
Bekannte DTMs werden durch die Effekte einer ungleichförmigen Verteilung der eingefangenen Ladung begrenzt. Die Ladungsverteilung bewirkt die Operation und die elektrischen Charakteristiken des Speichers. Unter Bezugnahme auf 1 sind diskrete Haftstellen 106 statistisch innerhalb der Nitridschicht 105 verteilt. Dementsprechend wird die Verteilung bei einigen Bauelementen weniger gleichförmig sein als in anderen Bauelementen. Dies kann zu einer Konfiguration führen, die den Übertragungsweg zwischen Source und Drain blockieren wird oder die am Gate eine höhere Schwellwertspannung erfordern wird, um die Ausbildung eines Übertragungswegs zu gestatten.
2A veranschaulicht die Verteilung von Ladungshaftstellen 201 in einem bekannten SONOS- oder MONOS-DTM 200. Ladungshaftstellen 201 sind hierbei im Bauelement 200 ungleichförmig verteilt. 2B veranschaulicht das Bauelement 200, wenn eine Schwellwertspannung an das Gate des Bauelements 200 angelegt wird. Wie in 2B gezeigt, gestattet die Verteilung der Ladungshaftstellen 201 nicht die Herstellung eines Übertragungswegs zwischen dem Source 202 und dem Drain 203.
3A veranschaulicht einen weiteren bekannten DTM 300 mit einer anderen Verteilung von Ladungshaftstellen 301. Die Ladungshaftstellen 301 sind im Vergleich zum Bauelement 200 im Bauelement 300 gleichförmiger verteilt. Dementsprechend wird bei Anlegen einer Schwellwertspannung an das Gate des Bauelements 300 ein Übertragungsweg 304 zwischen dem Source 302 und dem Drain 303 erzeugt, wie in 3B gezeigt.
Die Verteilung von Ladungshaftstellen in bekannten DTMs folgt der Poissonschen Statistik. Die DTMs werden durch vorhandene Grenzbedingungen beschränkt, wenn die Bauelemente beispielsweise von 200 nm × 200 nm auf 25 nm × 25 nm skaliert werden. Die Dichte der Ladungshaftstellenverteilung bleibt unabhängig von der Bauelementgröße in den Bauelementen gleich. Wenn die Bauelemente kleiner ausgeführt werden, steigt dementsprechend die Chance, dass die Ladungsverteilung den Übertragungsweg blockiert oder einen permanenten Übertragungsweg gestattet. Die statistischen Charakteristiken von bekannten DTM-Bauelementen können durch eine homogene Verteilung der Ladungshaftstellen verbessert werden. Ein Verfahren zum Bereitstellen einer homogenen Verteilung von Ladungshaftstellen besteht in der Verwendung einer Nanomaske für Nanokristalle, wobei die Nanomaske mit Hilfe von Proteinen entwickelt wird. Diese Technik wird beispielsweise in Shan Tung et al., Nanocrystal Flash Memory Fabricated with Proteinmediated Assembly, Electron Devices Meeting, 2005, IEDM Technical Digest, 174-177 (5.-7. Dezember 2005 IEEE International) beschrieben, dessen Offenbarung durch Bezugnahme hierin in seiner Gänze aufgenommen ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine flexible Alternative bereit, über die Ladungshaftstellen unter Verwendung von Fullerenen in DTM homogen geordnet werden können. Fullerene können in unterschiedlichen Größen und Formen hergestellt werden, wie etwa kugelförmige Fullerene, als C60, C70 und C240 bekannt. Es sind auch endohedrale Fullerene bekannt, die zusätzliche Atome, Ionen oder Cluster aufweisen, die innerhalb ihrer inneren Kugeln eingeschlossen sind. Beispielsweise trägt ein mit Stickstoff ausgestattetes C60-Fulleren (N@C60) individuelle Stickstoffatome auf ihrer Innenseite. Unter Verwendung dieser Charakteristiken können Fullerene dazu verwendet werden, die Dichte und die Verteilung der Ladungshaftstellen zu steuern.
4 ist eine schematische Zeichnung eines nicht beanspruchten DTM 400. Das Source 401 und das Drain 402 sind im Substrat 403, das eine Siliziumschicht sein kann, ausgebildet. Eine untere Oxidschicht 404 ist thermisch auf der Siliziumschicht 403 aufgewachsen. Anstelle einer Nitridschicht, die bei einigen bekannten DTMs auf der unteren Oxidschicht 404 abgeschieden ist, kann das Nitrid durch ein dichtes Muster aus endohedralen Fullerenen 405 ersetzt werden, die Ladungshaftstellen 406 erzeugen. Eine obere Oxidschicht 407 ist auf der Fulleren-Schicht 405 abgeschieden. Eine Gateschicht 408, bei der es sich um polykristallines Silizium oder Metall handeln kann, ist auf der oberen Oxidschicht 407 abgeschieden. Das DTM-Bauelement 400 arbeitet so, dass bei Anlegung einer Schwellwertspannung an das Gate 408 ein Übertragungsweg zwischen Source 401 und Drain 402 einen Stromfluss durch das Bauelement gestattet. Die Fulleren-Schicht 405 kann eine regelmäßige und dichte Organisation aus endohedralen Fullerenen 406 sein. Unter Verwendung von Fullerenen 406 beseitigt die vorliegende Erfindung die statistische Zufallsverteilung von Ladungshaftstellen, die in Nitridschichten von bekannten DTMs angetroffen wird, und reduziert Variationen bei der Schwellwertspannung. Bei alternativen Ausführungsformen können andere Materialien anstelle der Oxidschichten 404, 407 verwendet werden, wie etwa ein einen hohen k-Wert aufweisendes Dielektrikum, ein Isolator, eine Tunnelbarriere, Siliziumoxid, Al₂O₃, HfO₂, SiC, SiN oder andere Materialien.
Durch Verwendung von endohedralen Fullerenen können die Größe und Art der Ladungshaftstellen gesteuert und der lokale Effekt der lokalen Haftstellen spezifiziert werden. Somit können DTMs mit einer präziseren Schwellwertspannung und einer kleineren Zellengröße hergestellt werden. 5 ist ein Draufsichtdiagramm einer Fulleren-Schicht in einem DTM gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fullerene 501 können kugelförmige Fullerene oder endohedrale Fullerene sein. Wie in 5 gezeigt, sind die Fullerene 501 eng beabstandet, was eine regelmäßigere Anordnung der Ladungshaftstellen in den Fullerenen gestattet. Diese Anordnung reduziert Variationen bei der Schwellwertspannung auf ein Minimum, indem die raueren geometrischen Effekte, die in bekannten Nitrid-DTMs vorliegen, eliminiert werden. Je dichter die Fullerene gepackt sind, umso weniger Variation werden Bauelemente der gleichen Größe aufweisen. DTMs mit dicht gepackten Fullerenen gestatten auch eine genauere Vorhersage der Charakteristiken eines Bauelements, wenn es auf unterschiedliche Größen skaliert wird. 6 veranschaulicht eine nicht beanspruchte Ausführungsform, bei der Fullerene 601 in einem zufälligeren Muster, das weniger dicht beabstandet ist, angeordnet sind.
Fullerene 501 können als diskrete einfangende Objekte wirken, wie in 5 gezeigt. Alternativ können, wie in 7 gezeigt, endohedrale Fullerene 701, die andere Atome 702 halten, als Ladungshaftstellen verwendet werden. Bei einer Ausführungsform können Atome 702 in Fullerenen 701 Atome mit einer großen Elektronegativität sein wie etwa Flourin, das ein Elektronenakzeptor oder eine Elektronenhaftstelle ist. Elemente mit einer kleineren Elektronegativität wie etwa Sauerstoff könnten ebenfalls verwendet werden. Atome wie etwa Mangan können ebenfalls verwendet werden, sowie auch Cluster von Atomen. Verschiedene endohedrale Objekte können aufgrund komplexer Orbitalstrukturen nützliche Effekte verursachen. Bei anderen Ausführungsformen können Heterofullerene (d.h. Fulleren-artige Strukturen, bei denen andere Atome wie etwa Stickstoffatome für einige der Kohlenstoffatome in den „Fullerenen“ substituiert sind) anstelle von Fullerenen 501 verwendet werden. Alternativ können von Atomen wie etwa Gold compoundierte Fullerene anstelle der Fullerene 501 verwendet werden.
8 veranschaulicht eine nicht beanspruchte Ausführungsform, bei der Fullerene 801 als eine Maske verwendet werden können. Fullerene 801 können kugelförmig, elliptisch oder endohedral sein. Die Art und Größe von Fullerenen 801 werden gewählt, um die Größe des Bereichs 802 zwischen benachbarten Fullerenen 801 zu steuern. Der Bereich 802 ist ein offener Raum zur darunter liegenden Schicht 803. Fullerene 801 werden als eine Maske für die Herstellung von Ladungshaftstellen verwendet, indem Räume 802 für die Abscheidung von Nanoclustern auf der Oberfläche 803 verwendet werden, wodurch verursacht wird, dass sich Ladungshaftstellen entwickeln.

Claims

Integriertes Schaltungsbauelement (400), umfassend: eine Fulleren-Schicht (405) mit mehreren Fulleren-Molekülen (406; 501; 701; 801), wobei die Fulleren-Moleküle (406; 501; 701; 801) als Ladungshaftstellen wirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Fulleren-Moleküle (406; 501; 701; 801) derart eng angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig berühren.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Fullerene (406) kugelförmige oder elliptische Fullerene sind.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Fullerene (406) endohedrale Fullerene sind.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Fullerene (406) so angeordnet sind, dass sie eine einzelne Schicht von Fullerenen (406) bilden.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) nach Anspruch 1, wobei die Fullerene (406) Heterofullerene sind.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) nach Anspruch 1 mit Speicher mit diskreten Haftstellen, umfassend: eine Siliziumsubstratschicht (403); eine untere Dielektrikumsschicht (404) auf der Siliziumsubstratschicht (403); die Fulleren-Schicht (405) auf der unteren Dielektrikumsschicht (404); eine obere Dielektrikumsschicht (407) auf der Fulleren-Schicht (405) und eine Gateschicht (408) auf der oberen Dielektrikumsschicht (407), wobei eine Source (401) und ein Drain (402) des Speichers in der Siliziumsubstratschicht (403) angeordnet sind.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) mit Speicher mit diskreten Haftstellen nach Anspruch 6, wobei die Fulleren-Schicht (405) weiterhin umfasst: mehrere in einer einzelnen Schicht angeordnete Fullerene (406; 501; 701 801).
Integriertes Schaltungsbauelement (400) mit Speicher mit diskreten Haftstellen nach Anspruch 6, wobei die Fulleren-Schicht (405) Heterofullerene umfasst.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) mit Speicher mit diskreten Haftstellen nach Anspruch 6, wobei die Fulleren-Schicht weiterhin umfasst: mehrere endohedrale Fullerene (406; 701), die als Ladungshaftstellen wirken.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) mit Speicher mit diskreten Haftstellen nach Anspruch 6, wobei die Fulleren-Schicht (405) weiterhin umfasst: mehrere kugelförmige (406; 501; 701; 801) oder elliptische Fullerene, die als Ladungshaftstellen wirken.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) mit Speicher mit diskreten Haftstellen nach Anspruch 6, wobei ein die untere Dielektrikumsschicht (404) ausbildendes Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem einen hohen k-Wert aufweisenden Dielektrikum; einem Oxid; Siliziumoxid; Al₂O₃; HfO₂; SiC und SiN.
Integriertes Schaltungsbauelement (400) mit Speicher mit diskreten Haftstellen nach Anspruch 6, wobei ein die obere Dielektrikumsschicht (407) ausbildendes Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem einen hohen k-Wert aufweisenden Dielektrikum; einem Oxid; Siliziumoxid; Al₂O₃; HfO₂; SiC und SiN.
Verfahren zum Herstellen eines integrierten Schaltungsbauelements (400) mit diskreten Haftstellen, umfassend: Ausbilden einer unteren Dielektriukumschicht (404); Ausbilden einer Fulleren-Schicht (405) durch Anordnen mehrerer Fulleren-Moleküle (406; 501, 701; 801) auf der unteren Dielektrikumsschicht (404) derart, dass sie sich gegenseitig berühren; und Abscheiden einer oberen Dielektrikumsschicht (407) über der Fulleren-Schicht (405).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein thermisches Aufwachsen der unteren Dielektrikumsschicht (404) auf einem Siliziumsubstrat (403) durchgeführt wird; und eine Gateschicht (408) über der oberen Dielektrikumsschicht (407) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die untere Dielektrikumsschicht (404) eine Oxidschicht ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die obere Dielektrikumsschicht (407) eine Siliziumoxidschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei ein die untere Dielektrikumsschicht (404) bildendes Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem einen hohen k-Wert aufweisenden Dielektrikum; einem Oxid; Siliziumoxid; Al₂O₃; HfO₂; SiC und SiN.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein die obere Dielektrikumsschicht (407) bildendes Material ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem einen hohen k-Wert aufweisenden Dielektrikum; einem Oxid; Siliziumoxid; Al₂O₃; HfO₂; SiC und SiN.