DE10344039B4

DE10344039B4 - Elektrisch programmierbarer nichtflüchtiger Speicher auf Basis eines Schwellwert veränderbaren MOSFET und ein Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE10344039B4
Application number: DE10344039A
Authority: DE
Inventors: Hans Reisinger; Martin Gutsche; Harald Seidl; Roy Cambridge Gordon
Original assignee: Qimonda AG
Current assignee: Polaris Innovations Ltd
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2023-09-24
Also published as: DE10344039A1

Abstract

Elektrisch programmierbarer nichtflüchtiger Speicher auf Basis eines Schwellwert veränderbaren MOSFET, bei dem eine Ladung in einer Schicht gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung speichernde Schicht eine Verbindung der allgemeinen Formel HfO_xN_y aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch programmierbaren nichtflüchtigen Speicher auf Basis eines Schwellwert veränderbaren MOSFET und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Für eine dauerhafte Speicherung von Daten auf Basis von nichtflüchtigen Halbleiterspeichern werden in der Regel Feldeffekt-Transistor-Strukturen benutzt, bei denen der durch die Spannung an der Steuerelektrode (Gate-Elektrode) regelbare Stromfluss durch den Transistorkanal den Zustand eines Bits charakterisiert. Ein solcher Transistor besteht aus einer Gate-Elektrode und einem zwischen einer Quelle (Source) und einer Senke (Drain) angeordneten leitfähigen Kanal oder einer isolierenden Raumladungszone. Den Übergang vom leitfähigen zum isolierenden Zustand im Transistorkanal charakterisiert die so genannte Schwellwertspannung (Thresholdspannung), wobei der Zustand „1” bzw. „0” jeweils einem der beiden Zustände (leitender bzw. nichtleitender Kanal) entspricht.
US 2002/0 024 092 A1 beschreibt eine Speicherzelle, Speicherzellenanordnung und Herstellungsverfahren. Jede Speicherzelle ist ein Speichertransistor, der an einer Oberseite eines Halbleiterkörpers mit einer Gate-Elektrode versehen ist, die in einem Graben zwischen einem Source-Bereich und einem Drain-Bereich angeordnet ist. Die Gate-Elektrode ist von dem Halbleitermaterial durch dielektrisches Material, das etwa Hafniumsilikat umfassen kann, getrennt. Zumindest zwischen dem Source-Bereich und der Gate-Elektrode und zwischen dem Drain-Bereich und der Gate-Elektrode ist eine Oxid-Nitrid-Oxid-Schichtfolge vorhanden, die für das Einfangen von Ladungsträgern an Source und Drain vorgesehen ist.
Aus der US 6 291 866 B1 ist Hafniumoxynitrid als Gatedielektrikum, jedoch nicht als Ladung speichernde Schicht, bekannt.
Bisher sind drei Typen von Speichern auf Basis von Halbleiterfeldeffekttransistoren (Metal-Oxid Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)) gebräuchlich. Speicher eines ersten Typs sind sogenannte FLOTOX(Floating Gate Tunneling Oxide)-Speicher, die unter dem Gate ein vollständig zwischen Siliziumdioxid(SiO₂)Schichten isoliertes Floating-Gate aufweisen, auf dem die Ladungsdichte verändert werden kann. Durch die Veränderung der Ladungsdichte auf dem Floating-Gate kann auch die Schwellwertspannung des MOSFETS verändert werden. Das so genannte Tunneloxid, das zwischen Substrat und Floating-Gate angeordnet ist, weist eine Dicke von mindestens 10 nm auf, so dass dadurch die zum Programmieren benötigten Spannungen nicht unter 10 V gesenkt werden können.
Nichtflüchtige Speicher eines zweiten gebräuchlichen Typs sind MNOS- bzw. SONOS-Speicher. Dieser Typ hat statt des oben beschriebenen Floating-Gates eine Schicht aus Siliziumnitrid (Si₃N₄). Die Aufgabe dieser Schicht ist die homogen verteilte Ladung zu speichern. Das Tunneloxid bei den MNOS- bzw. SONOS-Speichern beträgt circa 2 nm, die der Si₃N₄-Schicht circa 10 nm und die des Topoxids 4 bis 5 nm. Die Programmierspannungen bei diesem Typ von nichtflüchtigen Speichern liegt knapp unterhalb von 10 V. Das Problem bei diesem Typ von Speichern ist die ungenügende Ladungsrückhaltung bei erhöhten Temperaturen, so dass der Datenerhalt bei diesen Temperaturen nicht in genügendem Maße gewährleistet werden kann.
Nichtflüchtige Speicher eines dritten Typs sind NROM-Speicher (nitrated-read-only-memory-Speicher), die ähnlich wie SONOS-Speicher aufgebaut sind, wobei die Ladung auf der Si₃N₄-Schicht nicht homogen verteilt ist, sondern die Ladung wird über heiße Ladungsträger-Injektion nur lokal bei der Source- oder der Drain-Elektrode gespeichert. Wenn die Ladung lateral entlang der Si₃N₄-Schicht wandert, geht die gespeicherte Information verloren. Dieser Effekt begrenzt die Skalierbarkeit der NROM-Speicher, so dass die Gesamtdicke des NROM-Dielektrikums relativ hoch ist (höher als bei SONOS-Speichern) und ebenfalls nicht skalierbar ist.
Es besteht daher Bedarf an weiteren nichtflüchtigen Speichern auf Basis der MOSFET-Technologie, die die Treibfähigkeit der MOSFET erhöht und gleichzeitig die Spannungen beim Schreiben und Löschen als auch beim Lesen verringert.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektrisch programmierbaren nichtflüchtigen Speicher auf Basis eines Schwellwert veränderbaren MOSFET so zu gestalten, dass eine Skalierbarkeit dieser Speicher möglich ist und gleichzeitig die Spannungen beim Schreiben und Löschen als auch beim Lesen verringert werden.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Die Lösung der Aufgabe ist, dass gemäß der vorliegenden Erfindung die Ladung speichernde Schicht ein Dielektrikum mit der allgemeinen Formel HfO_xN_y aufweist. Die Top- und die Bottom-Schicht des Dielektrikums bestehen weiterhin aus Siliziumdioxid. Die Aufgabe dieser Schichten ist es, die Speicherschicht vollkommen zu isolieren, so dass die Leckströme weniger als 10^–15 A/cm² betragen. Das ist notwendig, da wenn die Leckstromdichten höher als circa 10^–15 A/cm² betragen, vollständiger Ladungs- und damit Datenverlust zu beobachten ist. Die Feldstärken des erfindungsgemäßen nichtflüchtigen Speichers liegen bei 1 bis 2 MV/cm am Bottomoxid bei V_gate = 0 Volt. Die erfindungsgemäße Ladung speichernde Schicht weist eine spezifische Kapazität des gesamten Dielektrikums, die der bisherigen Si₃N₄-Schicht sehr ähnlich ist und circa 300 nF/cm² entspricht, auf. Bei dieser spezifischen Kapazität wird eine in Si₃N₄ getrappte Ladung von 600 nC/cm² benötigt, falls sich die Ladung etwa in der Mitte der Si₃N₄-Schicht befindet. Die Ladungsträgerdichte der erfindungsgemäßen Schicht ist mit einer Si₃N₄-Schicht bei einer Dicke von 10 nm vergleichbar und beträgt 4·10¹² 1/cm² bzw. 4·10¹⁸ 1/cm³. Das durch diese Ladung bei Gatespannung von 0 Volt im Bottomoxid erzeugte Feld beträgt 1 bis 2 MV/cm.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schicht ist, dass der Abstand zwischen dem Leitungsband und dem Trapzustand, im Nachfolgenden auch als Bindungsenergie bezeichnet, größer ist als 1 eV, wie in der herkömmlichen Si₃N₄-Schicht. Der Vorteil einer höheren Bindungsenergie ist, dass der Ladungseinfang bzw. die Anregung der Elektronen ins Leitungsband, insbesondere bei erhöhten Temperaturen unwahrscheinlicher wird. Bei SONOS-Speichern wird damit Ladungsverlust von der Ladung speichernden Schicht in das Substrat verhindert bzw. bei NROM-Speichern, wird der laterale Strom verhindert, der auch zu Datenverlusten führt.
Die elektrischen Felder in der Ladung speichernden Schicht sind proportional zur Ladungsdichte in der Ladung speichernden Schicht, die normalerweise unabhängig von sonstigen Eigenschaften immer bei ca. 4·10¹² 1/cm² liegt, um die gewünschte Schwellwertverschiebung von 2 V zu erhalten. Die elektrischen Felder in der Ladung speichernden Schicht sind aber umgekehrt proportional zur Dielektrizitätskonstante ε der Ladung speichernden Schicht. Wenn also ε erhöht wird, so sinkt die Feldstärke und somit sämtliche Ströme. Wenn also wie im vorliegenden Fall ε der erfindungsgemäßen Schicht um einen Faktor 3 erhöht wird, so sinken bei gleicher Schwellwertverschiebung die Feldstärke der Ladung speichernden Schicht um einen Faktor 3. Das bedeutet, dass sämtliche Ströme in der Ladung speichernden Schicht um viele Größenordnungen sinken.
Ein weiterer Vorteil von erhöhtem ε ist, dass bei der angenommenen konstant gehaltenen Schichtdichte der Ladung speichernden Schicht die Kapazität steigt und damit der Spannungsabfall über der Schicht beim Programmieren sinkt.
Die erfindungsgemäße Schicht ist insbesondere der bisher benutzten Si₃N₄-Schicht überlegen, da die Elektronen bei erhöhten Temperaturen in der Schicht nicht wandern, so dass ein Ladungsverlust nicht stattfindet. Die Ladung speichernde Schicht gemäß der Erfindung weist eine Tragdichte auf, die der Tragdichte einer Si₃N₄-Schicht ähnlich ist, die Ladungsträger sind aber auf einem Energie-Niveau gebunden, das tiefer liegt als in der Si₃N₄-Schicht, da die Dielektrizitätskonstante der erfindungsgemäßen Schicht höher ist als bei einer Si₃N₄-Schicht (ungefähr 7). Die dadurch erzielten Vorteile sind, dass die Detrap-Wahrscheinlichkeit in der Speicherschicht als auch die Tunnelwahrscheinlichkeit von der Speicherschicht über das Tunneloxid ins Substrat verringert wird. Der weitere Vorteil ist, dass bei der gleichen Schwellwertverschiebung und bei der gleichen Gesamtkapazität das elektrische Feld in der Speicherschicht um den Faktor der Erhöhung der Dielektrizitätskonstante niedriger als bei der Si₃N₄-Schicht liegt und dadurch die Ladung weniger beweglich ist. Die Höhe der Dielektrizitätskonstante macht ebenfalls eine Verringerung der Dicke und damit eine erhöhte spezifische Kapazität des Dielektrikums möglich, so dass eine Verringerung der Programmier- und Lesespannung erreicht werden kann.
In einer besonderen Ausführungsform hat sich gezeigt, dass die besten Ergebnisse mit einem Hafniumoxidnitrid der allgemeinen Formel HfO_xN_y erreichet werden, wenn das Verhältnis von x:y zwischen 1 und 1:0,6 beträgt. In diesem Fall beträgt die Dielektrizitätskonstante von Hafniumoxidnitrid circa 20 und ist circa dreimal so hoch wie die Dielektrizitätskonstante von Si₃N₄. Dadurch ist die Tragdichte wesentlich größer und die Tiefe des Traps höher als in Si₃N₄.
Insbesondere für die Ladung speichernde Schicht mit dieser Struktur kann eine erhebliche Verringerung der Programmier- und Lesespannung erzielt werden, da das elektrische Feld in der Speicherschicht kleiner ist. Da die Tragtiefe in dieser Schicht höher liegt als bei Si₃N₄ ist eine geringere Detrap- und Tunnelwahrscheinlichkeit zu beobachten.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der nachstehenden Figuren erläutert.
1 zeigt die Ladung speichernde Schicht eines herkömmlichen SONOS-Speichers;
2 zeigt die Ladung speichernde Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
Der 2 ist zu entnehmen, dass die Ladung speichernde Schicht gemäß der Erfindung dieselbe (negative) Ladung aufweist wie eine Si₃N₄-Schicht, und dass sich die Ladung in der Mitte der Ladung speichernden Schicht befindet. Beide Schichten, die in den 1 und 2 dargestellt wurden, weisen die selbe spezifische Kapazität von circa 400 nF/cm² auf. Die gestrichelten Linien markieren Trap-Niveaus für Elektronen und Löcher. Die rechte und die linke Elektrode sind auf gleichem Potential angelegt, so dass die angelegte Gatespannung 0 Volt ist. In diesen Vergleichsfiguren ist eine elektrische Spannung für die HfON-Schicht um ein Faktor 3 niedriger als bei der Si₃N₄-Schicht.

Claims

Elektrisch programmierbarer nichtflüchtiger Speicher auf Basis eines Schwellwert veränderbaren MOSFET, bei dem eine Ladung in einer Schicht gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung speichernde Schicht eine Verbindung der allgemeinen Formel HfO_xN_y aufweist.
Nichtflüchtiger Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante der Ladung speichernden Schicht etwa 20 beträgt.
Nichtflüchtiger Speicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Kapazität der Ladung speichernden Schicht etwa 400 nF/cm² beträgt.
Nichtflüchtiger Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Top- und Bottomoxid aus Siliziumdioxid besteht.
Verfahren zur Herstellung eines elektrisch programmierbaren nichtflüchtigen Speichers auf Basis eines Schwellwert veränderbaren MOSFET, bei dem eine Ladung in einer Schicht gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladung speichernde Schicht eine Verbindung der allgemeinen Formel HfO_xN_y aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrizitätskonstante der Ladung speichernden Schicht circa 20 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Kapazität eines Gesamtdielektrikums zwischen 300 nF/cm² und 500 nF/cm² liegt.