包括纳米浮栅的非易失性存储设备及制造该设备的方法
【专利说明】包括纳米浮栅的非易失性存储设备及制造该设备的方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求于2013年12月19日提交的申请号为N0.10-2013-0159736的韩国专利申请的优先权，其在此通过引用被全部并入本文中。
技术领域
[0003]本发明的各种实施例涉及一种包括纳米浮栅的非易失性存储器，以及制造该非易失性存储器的方法。
【背景技术】
[0004]对于闪存、一类非易失性存储设备的需求在移动设备和数字工业领域迅猛地增长，诸如在移动电话、MP3播放器、数码相机、通用串行总线(USB)等。
[0005]目前被商业化的与NAND闪存设备基于晶体管阈值电压的变化来运行。在阈值电压上的变化由浮栅的电荷存储状态引发。该浮栅总体上由多晶硅形成并可以被充电或放电。然而，浮栅中的非均匀多晶硅增加了设备的阈值电压的可变性以及高至大约5到1V的运行电压需要大量的能量消耗。同样地，当按比例缩小时，蚀薄的绝缘层会导致浮栅的电荷泄漏到通道中。由于其会导致存储数据的丢失所以这是一个非常严重的问题。
[0006]为解决这些问题并获得高的可靠性，稳定地保持电荷、消耗更少电能、以高速运行、以及具有高的积合度(integrat1n)，专利号为N0.8,093，129的美国专利公开了一种纳米浮栅存储设备(NFGM)，其通过形成纳米级粒子的浮栅来制造(其可以随纳米粒子被简单提及)。该浮栅仅为存储电荷的存储节点。
[0007]由于彼此之间未电连接的纳米粒子存储电荷，该纳米浮栅存储设备可以最小化由蚀薄的绝缘层导致的数据遗失的可能性并获得优越的数据保持性能。同样地，该纳米浮栅存储设备可以被按比例缩小以降低电力消耗以及，由于其适合于执行程序和/或通过直接在低电压上开通通道以删除操作，其运行速率可以被显著提升。然而，由于该纳米浮栅存储设备仅仅使用单一的晶体管，其具有很多有利的方面，包括可以获得高的结合度的能力。
[0008]然而，该纳米浮栅存储设备具有以下缺点。其很难在所需要的区域密集地形成纳米粒子，该控制栅的下部不允许在阈值电压上发生太多变化。同样地，在纳米粒子尺寸上的广泛分布会导致宽阈值电压分布，其弱化了设备的再生性和可靠性。
【发明内容】
[0009]各种实施例针对一种包括纳米浮栅的非易失性存储设备，其可以按比例缩小以获得低的电力消耗同时具有优越的运行稳定性、再生性、以及可靠性，同时针对一种制造该非易失性存储设备的方法。
[0010]在一个实施例中，非易失性存储设备包括:用于在衬底上面进行电荷的充电和放电的浮栅，其中该浮栅包括:在衬底上面形成且包括被结合在金属离子上的连接基团的连接层；以及在该连接层上面由金属离子形成的金属纳米粒子。
[0011]该非易失性存储设备可以进一步包括:在衬底和浮栅之间插入的隧穿绝缘层；在浮栅上面形成的栅绝缘层；以及在栅绝缘层上面形成的控制栅。
[0012]该连接基团可以被有机分子结合到衬底的表面上。
[0013]该浮栅可以进一步包括无机氧化物和/或被结合到金属纳米粒子的表面的电介质有机材料。
[0014]该浮栅可以进一步包括一种或多种被结合到金属离子或金属纳米粒子的有机表面活性剂。
[0015]该有机表面活性剂可以为含氮的有机材料或含硫的有机材料。
[0016]该有机表面活性剂可以包括不同种类的第一有机材料和第二有机材料。该第一有机材料可以为含氮的有机材料或含硫的有机材料，以及该第二有机材料可以为基于催化剂的相变有机材料。
[0017]该金属纳米粒子可以具有大约0.5到3.0nm的平均粒子直径。
[0018]该金属纳米粒子可以具有大约±20%或更小的粒子半径标准差。
[0019]该连接层可以为在衬底上面形成的有机分子的自组装(self-assembled)单分子层O
[0020]该连接层可以为具有选自以下群组的至少一个官能团的硅烷化合物层:胺基(-NH2)、羧基(-COOH)、以及硫醇基(-SH)。
[0021]连接基团的每个可以包括:被结合到衬底表面的第一功能基团；被结合到金属离子的第二功能基团；以及用于使该第一功能基团和该第二功能基团相互联接的链式基团。
[0022]该金属纳米粒子可以选自以下粒子:金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子、金属氮化物纳米粒子、金属碳化物纳米粒子、以及金属间化合物纳米粒子。
[0023]该金属纳米粒子可以相互分离地设置以形成单层(在厚度上为一个金属纳米粒子的层)。
[0024]该浮栅可以具有垂直多重堆叠(mult1-stack)结构，其中连接层和由金属纳米粒子形成的纳米粒子层被交替地和重复地堆叠。
[0025]在另一实施例中，非易失性存储设备包括:用于在衬底上面进行电荷充电和放电的浮栅，其中该浮栅包括:在衬底上面形成的电介质材料粒子载体以及在被结合到金属离子的电介质材料粒子载体的表面上的连接基团；以及由该金属离子构成的金属纳米粒子。
[0026]非易失性存储设备可以进一步包括:在该衬底和该浮栅之间插入设置的隧穿绝缘层；在该浮栅上面形成的栅绝缘层；以及在该栅绝缘层上面形成的控制栅。
[0027]该电介质材料粒子载体可以形成单层(厚度为一个电介质材料粒子载体)或多层载体层(厚度上为多个电介质材料粒子载体)。
[0028]该连接基团的每个可以包括选自以下群组的官能团:被结合到金属离子上的胺基(-NH2)、羧基(-COOH)、以及硫醇基(-SH)。
[0029]该浮栅可以进一步包括无机氧化物和被结合到金属纳米粒子的表面的电介质有机材料中的至少一个。
[0030]该浮栅可以进一步包括被结合到金属离子或金属纳米粒子上的一种或多种有机表面活性剂。
[0031]该有机表面活性剂可以为含氮有机材料或含硫有机材料。
[0032]该有机表面活性剂可以包括不同种类的第一有机材料和第二有机材料，以及该第一有机材料可以为含氮有机材料或含硫有机材料，以及该第二有机材料可以为基于催化剂的相变有机材料。
[0033]该金属纳米粒子可以具有大约0.5到3.0nm的平均粒子直径。
[0034]该金属纳米粒子可以具有大约±20%或更小的粒子半径标准差。
[0035]该金属纳米粒子可以被选自以下群组:金属纳米粒子、金属氧化物纳米粒子、金属氮化物纳米粒子、金属碳化物纳米粒子、以及金属互化物纳米粒子。
[0036]在另一实施例中，用于制造非易失性存储设备的方法包括:在衬底上面形成隧穿绝缘层；以及在隧穿绝缘层上面形成用于电荷的充电和放电的浮栅，其中浮栅的形成包括:在该隧穿绝缘层上面形成包括连接基团的连接层；在连接层上面形成金属离子；以及形成由金属离子构成的金属纳米粒子。
[0037]该金属纳米粒子可以通过该金属离子的还原和生长而形成。
[0038]该金属纳米粒子的形成可以包括向该金属离子施加能量。
[0039]该方法可以进一步包括在施加能量之前或之中提供一种或多种有机表面活性剂。
[0040]该方法可以进一步包括向形成的金属纳米粒子提供无机氧化物和/或电介质有机材料中的至少一个。
[0041]该连接层可以通过向该衬底的表面提供连接基团溶液形成。
[0042]该连接层可以通过使用含有连接基团的气体的原子层沉积(ALD)法形成。
[0043]该连接层可以包括选自以下群组的一个官能团:胺基(-NH2)、羧基(-COOH)，以及硫醇基(-SH)。
[0044]金属离子的形成可以包括向连接基团应用金属前体。
[0045]该金属离子的形成可以包括提供金属前体溶液，其中该金属前体被溶解，或向连接基团提供气相金属前体。
[0046]该能量可以选自以下能量的至少一项:热能、化学能、光能、震荡能、离子束能、电子束能，以及福射能。
[0047]在另一实施例中，用于制造非易失性存储设备的方法包括:在衬底上面形成隧穿绝缘层；以及在该隧穿绝缘层上面形成用于电荷的充电和放电的浮栅，其中浮栅的形成包括:形成电介质材料粒子载体，其包括在隧穿绝缘层上面的电介质材料粒子载体的表面上的连接基团；在连接层上形成金属离子；以及形成由金属离子形成的纳米粒子。
[0048]包括连接基团的电介质材料粒子载体的形成可以包括通过将电介质材料粒子载体和连接基团与溶剂混合以形成溶液来制备载体材料，以及将载体材料涂覆衬底或者在该衬底上沉积载体材料。
[0049]该金属纳米粒子可以通过金属离子的还原和生长而形成。
[0050]金属纳米粒子的形成可以包括向金属离子施加能量。
[0051]该方法可以进一步包括在施加能量之前或之中提供一种或多种有机表面活性剂。
[0052]该方法可以进一步包括提供无机氧化物和/或电介质有机材料的至少一个至金属纳米粒子。
[0053]连接基团的每一个可以包括选自以下群组的官能团:被结合到单个金属离子的胺基(-NH2)、羧基(-COOH)、以及硫醇基(-SH)。
[0054]金属离子的形成可以包括向连接基团提供金属前体。
[0055]金属离子的形成可以包括提供金属前体溶液至连接基团，其中金属前体被溶解，或向连接基团提供气相金属前体。
[0056]该能量可以选自以下能量的至少一项:热能、化学能、震荡能、离子束能、电子束能，以及福射能。
【附图说明】
[0057]图1为示出了总体非易失性存储设备的部分存储单元结构的剖视图。
[0058]图2A到2E为示出了根据本发明的第一实施例形成纳米浮栅的方法的剖视图。
[0059]图3A到3D为描述了用于根据本发明的第二实施例形成纳米浮栅的方法的剖视图。
【具体实施方式】
[0060]在下文中，根据本发明的实施例的包括纳米浮栅的纳米浮栅存储设备及其制造方法将参考附图进行详细描述。然而，本发明将以不同的形式体现并不受到此处提出的实施例限制。不如说，这些实施例被提供以便本发明将彻底并完整地，以及将完全向本技术领域内的技术人员传达本发明的保护范围。此外，附图不需要按比例绘制以及，在某些情况下，该比例将会被夸大以便于清楚地阐述本实施例的特征。贯穿整个说明书，在本发明的各个附图以及实施例中的相似被标记的部件与附图标记直接对应。
[0061]应当容易理解的是，在本说明书中的“上”和“上面”的意思应当以最宽泛的方式解释以使“上”不仅仅意味着“直接位于其上”还意味着中间零件或其之间的层“上”，以及“上面”不仅仅意味着直接的上方还意味着中间零件或其之间的层的上方。还要注意的是，在本说明书中，“连接/联接”指一个组件与另一个组件不仅直接相连而且可以通过中间组件与另一组件相连。此外，单数形式可以包括复数形式，并反之亦然，只要其没有特别在一个句子中提及。
[0062]除非另有说明，在此使用的所有术语，包括技术的或科学的术语，具有符合本发明的技术领域内技术人员可以理解的相同含义。在这个文件中，当其可能使本发明的主题模糊不清时，已知的功能和构造的详细说明将被省略。
[0063]图1为示出了主要的非易失性存储设备的部分存储单元结构的剖视图。
[0064]参考图1，诸如硅氧化物层的隧穿绝缘层13在硅衬底11上面形成。纳米浮栅20可以在隧穿绝缘层13上面形成。该纳米浮栅20包括单层的(一个纳米粒子的厚度)或多层的(多个纳米粒子的厚度)纳米粒子21。该纳米浮栅20可以包括环绕纳米粒子21的绝缘材料22。浮栅绝缘层30在纳米浮栅20上面形成以及控制栅40在该栅绝缘层30上面形成。
[0065]该隧穿绝缘层13、纳米浮栅20、栅绝缘层30、以及控制栅40可以在衬底11上面组成图案以形成一个栅堆叠。源极12A和漏极12B可以在栅堆叠的侧部上的衬底11中形成。
[0066]按照本发明的实施例的非易失性存储设备包括改进的纳米浮栅。该改进的纳米浮栅包括极细的纳米粒子并在高密度上具有相同的尺寸。此后，该改进的纳米浮栅的结构的特征以及用于形成该改进的纳米浮栅的方法被详细描述。然而，按照本发明的实施例的改进的纳米浮栅不局限于图1中所示的简单堆叠的存储单元。换句话说，当本发明的技术被用于已知的三维结构的存储单元时，纳米浮栅的位置和形状可以不同并且纳米浮栅和相邻元件的上下部分也可以不同。具体地说，该隧穿绝缘层和源/漏极，其为电池元件，可以被设置在该纳米浮栅的侧部上。根据本发明的实施例的纳米浮栅可以被应用于具有围绕纳米浮栅的电荷充电或放电的元件或材料的纳米浮栅。
[0067]当未彼此电连接纳米粒子21在包括纳米浮栅20的非易失性存储设备中存储电荷，由隧穿绝缘层13的磨损导致的数据遗失被最小化。同样地，由于包括纳米浮栅20的非易失性存储设备可以具有优越的数据保留性能，其可以按比例缩小以减少电量消耗并执行程序以及通过在低电压上直接的隧穿而删除操作以及该非易失性存储设备的运行可以被明显改进。
[0068]【根据本发明的第一实施例的改进的纳米浮栅和其形成方法】
[0069]图2A到2E为示出了按照本发明的第一实施例形成纳米浮栅的方法的剖视图。
[0070]根据本发明的第一实施例，用于制造包括纳米浮栅的非易失性存储设备的方法可以包括将连接基团120A结合到衬底110(见图2A);将金属离子130结合到连接基团120A(见图2B和2C);以及通过施加能量在金属纳米粒子140中形成金属离子130 (见图2D)。同样地，用于制造包括纳米浮栅的非易失性存储设备的方法可以进一步包括向包括金属纳米粒子的结构提供电介质有机材料150 (见图2E)。同样地，制造包括纳米浮栅的非易失性存储设备的方法可以进一步包括在施加能量之前或施加能量的同时提供一种或多种有机表面活性剂。
[0071]图2A示出了被结合到制备好的衬底110上的连接基团120A。参考图2A，该衬底110可以具有带有用于结合到连接基团的官能团的表面层114。举例来说，该衬底110可以为具有作为表面层114的硅氧化物(S12)隧穿绝缘层的硅衬底112。
[0072]该衬底110可以为半导体衬底。该衬底110可以起到存储设备的组成部件的物理载体的作用，或该衬底110可以进一步包括物理承载该半导体衬底的承载衬底。此外，该半导体衬底可以用于形成包括通道的存储设备的组成部件的原材料。用于原材料的半导体衬底的非限定