(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体物質及び前記誘電体物質内に埋め込まれたナノ領域を含み、
前記誘電体物質及び前記ナノ領域の原子成分は、Ｌａ、Ｏ、及び金属を含み、
前記誘電体物質の原子成分は前記ナノ領域の原子成分と同一であり、
前記ナノ領域の密度は前記誘電体物質の密度より低く、
前記誘電体物質の酸素濃度は前記ナノ領域の酸素濃度より高いことを特徴とする層。
【請求項２】
前記金属は、ＨｆとＡｌのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の層。
【請求項３】
前記誘電体物質はＬａＨｆＯ3を含み、前記ナノ領域はＬａＨｆＯ3-X（ここで、３＞ｘ＞０）を含むことを特徴とする請求項１に記載の層。
【請求項４】
前記誘電体物質はＬａＡｌＯ3を含み、前記ナノ領域はＬａＡｌＯ3-X（ここで、３＞ｘ＞０）を含むことを特徴とする請求項１に記載の層。
【請求項５】
前記ナノ領域の直径は１０Å乃至５０Åであることを特徴とする請求項１に記載の層。
【請求項６】
前記層の厚さは５０Å乃至３００Åであることを特徴とする請求項５に記載の層。
【請求項７】
電荷保存ゲート構造内に位置する複数の誘電体層を含み、
前記誘電体層のうち少なくとも一つは、誘電体物質及び前記誘電体物質に埋め込まれたナノ領域を含み、
前記誘電体物質及び前記ナノ領域の原子成分は、Ｌａ、Ｏ、及び金属を含み、
前記誘電体物質の原子成分は前記ナノ領域の原子成分と同一であり、
前記誘電体物質の密度は前記ナノ領域の密度より高く、
前記誘電体物質の酸素濃度は前記ナノ領域の酸素濃度より高いことを特徴とするメモリセル。
【請求項８】
前記金属は、Ｈｆ及びＡｌのうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項７に記載のメモリセル。
【請求項９】
前記少なくとも一つの誘電体層は、前記電荷保存ゲート構造の電荷トラップ層であることを特徴とする請求項７に記載のメモリセル。
【請求項１０】
前記ナノ領域の直径は１０Å乃至５０Åであることを特徴とする請求項７に記載のメモリセル。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの誘電体層の厚さは５０Å乃至３００Åであることを特徴とする請求項１０に記載のメモリセル。
【請求項１２】
前記複数の誘電体層は、トンネリング層及び電荷トラップ層を含み、前記ナノ領域は前記電荷トラップ層に埋め込まれることを特徴とする請求項７に記載のメモリセル。
【請求項１３】
前記複数の誘電体層は、トンネリング層、電荷トラップ層及びブロッキング層を含み、前記ナノ領域は前記電荷トラップ層及び前記ブロッキング層のうち少なくとも一つに埋め込まれることを特徴とする請求項７に記載のメモリセル。
【請求項１４】
物質層を蒸着するステップと、
前記物質層をアーニリングして、前記アーニリングされた物質層内にナノ領域を形成するステップと、を含み、
前記アーニリングされた物質層は、誘電体物質及び前記誘電体物質に埋め込まれた前記ナノ領域を含み、
前記誘電体物質及び前記ナノ領域の原子成分は、Ｌａ、Ｏ、及び金属を含み、
前記誘電体物質の原子成分は前記ナノ領域の原子成分と同一であり、
前記ナノ領域の密度は前記誘電体物質の密度より低く、
前記ナノ領域の酸素濃度は前記誘電体物質の酸素濃度より低いことを特徴とする層形成方法。
【請求項１５】
前記アーニリングは８５０℃乃至１０００℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項１４に記載の層形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体物質に関し、さらに詳細には、ナノ領域埋め込み誘電体物質に関するもので、誘電体物質は、例えばメモリセルのゲート構造に利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
電荷トラップフラッシュメモリのトラップ層内に、金属が含まれた「ナノ結晶」または「ナノドット」を埋め込むことにより、電荷トラップフラッシュメモリの動作性能を向上させることができる。本発明の技術分野でよく知られているように、ナノ結晶またはナノドットは電荷をトラッピングすることに有効であり、互いに物理的に分離されて電荷漏れを減少させる機能的な長所を有する。実際に、そのような素子は「深い」電荷トラップを生成する向上しれたエネルギ障壁を表す。幾つかの例は酸化シリコン層内に金属（例えば、ＷＮ）または金属酸化物（例えば、ＨｆＯ２）のナノ領域を埋め込むことを含む。
しかしながら、ナノ結晶またはナノドットを含むトラップ層の形成は、比較的に複雑であり、高いコストと努力を必要とする。更に、ナノ結晶またはナノドットが互いに十分分離されるようにするためには、前記形成工程の間、非常に注意しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、ナノ領域が埋め込まれた誘電体物質を含み、優れた電荷保存能力を有するメモリ装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記目的を達成すべく、本発明の態様によれば、誘電体物質及び前記誘電体物質内に埋め込まれたナノ領域を含み、前記誘電体物質の原子成分は前記ナノ領域の原子成分と同一であり、前記ナノ領域の密度は前記誘電体物質の密度より低いことを特徴とする層が提供される。
【０００５】
本発明の他の態様によれば、酸素を含む誘電体物質及び前記誘電体物質に埋め込まれた酸素を含むナノ領域を含み、前記誘電体物質の酸素濃度は前記ナノ領域の酸素濃度より高いことを特徴とする層が提供される。
【０００６】
本発明のまた他の態様によれば、電荷保存ゲート構造内に位置する複数の誘電体層を含み、前記誘電体層のうち少なくとも一つは、酸素を含む誘電体物質及び前記誘電体物質に埋め込まれた酸素を含むナノ領域を含み、前記誘電体物質の酸素濃度は前記ナノ領域の酸素濃度より高いことを特徴とするメモリセルが提供される。
【０００７】
本発明のまた他の態様によれば、電荷保存ゲート構造内に位置する複数の誘電体層を含み、前記誘電体層のうち少なくとも一つは、誘電体物質及び前記誘電体物質に埋め込まれたナノ領域を含み、前記誘電体物質の原子成分は前記ナノ領域の原子成分と同一であり、前記誘電体物質の密度は前記ナノ領域の密度より高いことを特徴とするメモリセルが提供される。
【０００８】
本発明のまた他の態様によれば、酸素を含む物質層を蒸着するステップと、前記物質層をアーニリングして前記物質層内にナノ領域を形成するステップと、を含み、前記ナノ領域は前記アーニリングされた物質層の酸素濃度より低い酸素濃度を有することを特徴とする層形成方法が提供される。
【０００９】
本発明のまた他の態様によれば、物質層を蒸着するステップと、前記物質層をアーニリングして、前記アーニリングされた物質層内にナノ領域を形成するステップと、を含み、前記ナノ領域の密度は前記アーニリングされた物質層の密度より低いことを特徴とする層形成方法が提供される。 
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ナノ領域が埋め込まれた誘電体層を含むことにより、優れた電荷保存能力を有するメモリ装置を提供することができる。また、金属ナノ領域を含む電荷保存層は高い誘電率を有するので、動作速度を向上させることができる。従って、優れた特性を有する素子を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施の形態を説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるのではない。
【００１２】
理解を容易にし、重複を避けるために、図面において同一参照符号は同一または類似の構成要素を示す。また、添付の図面は多数の断面図を含むが、その断面図が必ずしも一定する比率で描かれなければならないのではなく、図示された層の相対的な厚さは明確性のために誇張されることができる。更に、ある層が他の層の「上」に形成されると記載された場合、それが前記他の層上に直接的に形成されるか、またはそれらの間に一つ以上の第３の層が存在することもできることを意味する。逆に、ある層が他の層の「上に直接的に」形成されると記載された場合、第３の層や構成要素が存在しないことを意味する。構成要素間の関係を説明するために使用される他の用語も、そのような方式で解釈されるべきである。（例えば、「間に」-「間に直接的に」、「隣接して」-「直接的に隣接して」、「連結された」−「直接的に連結された」等）
【００１３】
図１は、本発明の一実施の形態による層を概略的に示す図である。図１を参照すれば、前記層は複数のナノドット１００２（また、ここではナノ領域と称する）が埋め込まれた誘電体物質１００１を含む。後で詳しく説明されるように、前記誘電体物質の原子成分はナノ領域の原子成分と同一である。また、前記ナノ領域１００２の原子密度は前記誘電体物質１００１の原子密度より低いことができる。ここで、「原子密度」（または単に「密度」）は単位領域当たり原子の総個数を意味する。選択的に、または更に、前記誘電体物質１００１及び前記ナノ領域１００２が酸素を含む場合、前記誘電体物質１００１内の酸素濃度が前記ナノ領域１００２内の酸素濃度より高いことができる。前記誘電体物質１００１の厚さ（即ち、図１での垂直長さ）は例えば、５０Å乃至３００Åであり得る。前記ナノ領域１００２の直径は、例えば、１０Å乃至５０Åであり得る。
【００１４】
後述される実施の形態では、前記誘電体物質１００１及び前記ナノ領域１００２の原子成分が両方ともランタン（Ｌａ）、酸素（Ｏ）、及びハフニウム（Ｈｆ）またはアルミニウム（Ａｌ）のような金属を含む例が提示される。例えば、前記誘電体層１００１はＬａＨｆＯ３（またはＬａＡｌＯ３）を含むことができ、前記ナノ領域１００２はＬａＨｆＯ３-ｘ（またはＬａＡｌＯ３-ｘ）を含むことができる。ここで、ｘは３より小さく０より大きい。
【００１５】
以下、図１に図示された層の製造について図２を参照して説明する。図２の例において、ＬａＡｌＯ３物質内に埋め込まれたＬａＡｌＯ３−ｘナノ領域を含む層が形成される。
【００１６】
先ず、ＬａＡｌＯ３層２０００が、例えば約５０Å乃至約３００Åの厚さで形成される。
【００１７】
前記ＬａＡｌＯ３層２０００は、例えばＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成されることができる。ＡＬＤの場合、ＬａソースはＬａ（ｉＰｒＣｐ）３であり、Ａｌソースはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）であり、基板温度は約３５０℃乃至５００℃（例えば、４５０℃）であり得る。ＰＶＤの場合、チャンバ圧力は約３乃至２０ｍＴｏｒｒ、基板温度は約２５℃乃至５００℃、目標電力は約５０乃至３００Ｗａｔｔｓ、アルゴン流速は２０乃至４０ｓｃｃｍ、そしてＯ２流速は約１乃至１０ｓｃｃｍである得る。ＰＶＤターゲットの一例は、（Ｏ２を含むか又は含まない）ＬａＡｌＯ３単結晶ターゲットである。他の例は、Ｏ２を有するＬａＡｌターゲットまたはＯ２を有する分離されたＬａ及びＡｌターゲットを含む。
【００１８】
次に、ＰＤＡ（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｎｅａｌ）工程を行って前記ＬａＡｌＯ３層内にＬａＡｌＯ３-ｘナノ領域（３＞ｘ＞０）を形成し、これによって図２に概略的に図示された層２００１を定義する。すなわち、前記ＬａＡｌＯ３-ｘナノ領域の酸素濃度は前記ＬａＡｌＯ３層の酸素濃度より低い。また、前記ＬａＡｌＯ３-ｘナノ領域の原子密度は前記ＬａＡｌＯ３層の原子密度より低い。
【００１９】
一例として、前記ＰＤＡ工程は、Ｎ２、Ｈ２及びＡｒのうち少なくとも一つの雰囲気で、約３０秒乃至１８０秒の間、約８００℃乃至１０００℃、好ましくは８５０℃乃至１０００℃で行われるＲＴＡ（ｒａｐｉｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｎｅａｌ）であり得る。
図３は、約３０秒間９５０℃でＰＤＡを行った後のＬａＡｌＯ３層のＨＡＡＤＦ（ｈｉｇｈ  ａｎｇｌｅ  ａｎｎｕｌａｒ  ｄａｒｋ  ｆｉｅｌｄ）写真である。図３の領域「１」と領域「２」から獲得されたＥＤＸスペクトルが図４Ａ及び図４Ｂにそれぞれ図示されている。
【００２０】
図４Ａに示されたＬａ：Ａｌ：Ｏのカウント比は約２０：２０：１０であり、図４Ｂに示されたＬａ：Ａｌ：Ｏのカウント比は約３０：３０：３０である。したがって、領域「１」の原子密度が領域「２」の原子密度より低いことが分かる。また、領域「１」の酸素濃度は領域「２」の酸素濃度より低い。したがって、前記ＥＤＸスペクトルから図３の領域「１」でナノ領域の存在を確認することができる。
【００２１】
また、ＰＤＡから形成されるナノ領域の存在は、写真によって視覚的に確認することができる。図５Ａは、ＰＤＡが行われない場合、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層５０２上に形成されたＬａＡｌＯ３層５０１のＨＡＡＦＤ写真を示し、図５Ｂは、８００℃でＰＤＡが行われた場合、前記酸化シリコン（ＳｉＯ２）層５０２上に形成された前記ＬａＡｌＯ３層５０１のＨＡＡＦＤ写真を示す。図５Ａ及び図５Ｂの両方でナノ領域は視覚的に認知されない。
【００２２】
図５Ｃは、約３０秒間約９５０℃でＰＤＡを行った後のＨＡＡＦＤ写真を示す。この場合、ナノ領域５０３は視覚的に認知可能であり、それぞれ約１０Å乃至約５０Åの直径を有する。また、図示されたように、前記ナノ領域５０３は互いに十分分離されている。
以下、図６Ａ乃至図６Ｄを参照して本発明の一実施の形態によるＣＴＦ（ｃｈａｒｇｅ  ｔｒａｐ  ｆｌａｓｈ）装置の製造について説明する。
【００２３】
先ず、図６Ａを参照すれば、シリコン基板２００の表面上にトンネリング層２１０及び絶縁層２２０を順に形成する。
【００２４】
前記トンネリング層２１０は一般的に誘電体物質（例えば、酸化シリコン）で形成され、例えば約５Å乃至５０Åの厚さを有することができる。
【００２５】
本実施の形態で、前記絶縁層２２０はＬａＡｌＯ３で形成され、例えば５０Å乃至３００Åの厚さを有することができる。
【００２６】
前記絶縁層２２０は、好ましくＡＬＤ（ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＰＶＤ（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成される。ＡＬＤの場合、ＬａソースはＬａ（ｉＰｒＣｐ）３であり、Ａｌソースはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）であり、基板温度は約３５０℃乃至５００℃（例えば、４５０℃）であり得る。ＰＶＤの場合、チャンバ圧力は約３乃至２０ｍＴｏｒｒ、基板温度は約２５℃乃至５００℃、目標電力は約５０乃至３００Ｗａｔｔｓ、アルゴン流速は約２０乃至４０ｓｃｃｍ、そしてＯ２流速は約１乃至１０ｓｃｃｍであり得る。ＰＶＤターゲットの一例は（Ｏ２を含むか又は含まない）ＬａＡｌＯ３単結晶ターゲットである。他のターゲットの例はＯ２を有するＬａＡｌターゲットまたはＯ２を有する分離されたＬａ及びＡｌターゲットを含む。
【００２７】
図６Ｂを参照すれば、ＰＤＡ（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｎｅａｌ）工程を行って前記絶縁層２２０内にナノ領域２２５を形成し、これによって電荷保存層２２７を定義する。本実施の形態で、前記ナノ領域２２５はＬａＡｌＯ３-ｘ（３＞ｘ＞０）領域である。すなわち、前記ナノ領域２２５の酸素濃度は前記絶縁層２２０の酸素濃度より低く、また、前記ナノ領域２２５の原子密度は前記絶縁層２２０の原子密度より低い。一例として、前記ＰＤＡ工程は、Ｎ２、Ｈ２、及びＡrのうち少なくとも一つの雰囲気で、約３０秒乃至１８０秒間約８００℃乃至１０００℃で行われるＲＴＡ（ｒａｐｉｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ａｎｎｅａｌ）であり得る。
【００２８】
図６Ｃを参照すれば、前記電荷保存層２２７上に電極層２４０が形成される。前記電極層２４０はポリシリコン及び／または一つ以上の金属物質で形成されることができる。
次に、図６Ｄを参照すれば、前記電極層２４０、前記電荷保存層２２７、及び前記トンネリング層２１０をパターニングしてゲート構造（ここでは、電荷保存ゲートと称する）を定義する。図示されたように、本実施の形態の前記電荷保存ゲートは、ゲート電極２４０ａ、電荷保存層２２７ａ、及びトンネリング層２１０ａを含む。前記電荷保存層２２７ａは、前記ナノ領域２２５が埋め込まれた誘電体物質層２２０ａを含む。その後、前記ゲート構造を注入マスクとしてソース／ドレイン領域２５０を形成する。
【００２９】
動作時、酸素が不足し、密度の低いナノ領域２２５は前記電荷保存ゲート内における電荷のトラッピングに有効に利用されることができる。
図７は、電荷トラップ層とゲート電極の間にブロッキング層が位置するまた他の実施の形態を示す端面図である。
【００３０】
特に、図７を参照すれば、ソース／ドレイン領域１５０の間に基板１００のチャンネル領域が定義される。電荷保存ゲート構造が前記チャンネル領域上に位置し、トンネリング層１１０、電荷トラップ層１２７、ブロッキング層１３０及びゲート電極１４０を含む。前記ブロッキング層１３０は、例えば酸化シリコンのような絶縁物質で形成される。上述した実施の形態によって形成されることができる前記電荷トラップ層１２７は、誘電体物質層１２０に埋め込まれたナノ領域１２５を含む。
【００３１】
次に、図８を参照して本発明の他の実施の形態を説明する。先ず、図８の左側を参照すれば、ソース／ドレイン領域５５０の間に基板５００のチャンネル領域が定義される。ゲート構造は前記チャンネル領域上に位置し、トンネリング層５１０、電荷トラップ層５２０、ブロッキング層５３０及びゲート電極５４０を含む。
【００３２】
本実施の形態で、ＰＤＡの場合、前記ブロッキング層５３０はナノ領域を形成するようになる物質で形成される。例えば、前記ブロッキング層５３０はＬａＨｆＯ３またはＬａＡｌＯ３で形成されることができる。前記ブロッキング層５３０を蒸着した後、ＰＤＡ工程が、例えば８００℃乃至１０００℃で行われて、前記ブロッキング層５３０内にナノ領域５３５を形成する。上述した実施の形態のように、前記ナノ領域５３５は酸素が不足する領域及び／または原子密度が低い領域である。実際に、前記ブロッキング層５３０はＰＤＡによって緻密化され、高誘電物質層として有効に利用されることができる。前記ＰＤＡは、前記ゲート構造をパターニングする前に、そして前記ソース／ドレイン領域５５０を形成する前に行われることができる。
【００３３】
上述した本発明の好ましい実施の形態は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形、及び変更が可能であり、このような置換、変更などは、特許請求の範囲に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施の形態によるナノ領域を含む誘電体物質を概略的に示す断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態によるＰＤＡ（ｐｏｓｔ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｎｅａｌ）前後の誘電体物質を概略的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態による層のＨＡＡＦＤ写真である。
【図４Ａ】図３の写真に含まれた領域のＥＤＸスペクトルを示すグラフである。
【図４Ｂ】図３の写真に含まれた領域のＥＤＸスペクトルを示すグラフである。
【図５Ａ】本発明の実施の形態によるＰＤＡの効果を説明するためのＨＡＡＦＤ写真である。
【図５Ｂ】本発明の実施の形態によるＰＤＡの効果を説明するためのＨＡＡＦＤイメージである。
【図５Ｃ】本発明の実施の形態によるＰＤＡの効果を説明するためのＨＡＡＦＤイメージである。
【図６Ａ】本発明の一実施の形態によるＣＴＦ装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｂ】本発明の一実施の形態によるＣＴＦ装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｃ】本発明の一実施の形態によるＣＴＦ装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｄ】本発明の一実施の形態によるＣＴＦ装置の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の他の実施の形態によるＣＴＦ装置を概略的に示す断面図である。
【図８】本発明の他の実施の形態によるＣＴＦ装置の製造方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００１  誘電体物質
１００２  ナノ領域
【図１】
0005552644.tif 000002
【図２】
0005552644.tif 000003
【図６Ａ】
0005552644.tif 000004
【図６Ｂ】
0005552644.tif 000005
【図６Ｃ】
0005552644.tif 000006
【図６Ｄ】
0005552644.tif 000007
【図７】
0005552644.tif 000008
【図８】
0005552644.tif 000009
【図３】
0005552644.tif 000010
【図４Ａ】
0005552644.tif 000011
【図４Ｂ】
0005552644.tif 000012
【図５Ａ】
0005552644.tif 000013
【図５Ｂ】
0005552644.tif 000014
【図５Ｃ】
0005552644.tif 000015