專利名稱：一種具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的tn-sonos存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域，尤其涉及一種具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的TN-SONOS存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域，閃存是非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)中的一種，傳統(tǒng)閃存利用浮動(dòng)?xùn)艠O作為電荷存儲(chǔ)單元，但隨著閃存技術(shù)的不斷發(fā)展，存儲(chǔ)密度不斷增大，浮動(dòng)?xùn)艠O之間的距離減小，相鄰浮動(dòng)?xùn)艠O的存儲(chǔ)電荷之間會(huì)產(chǎn)生相互影響，對浮柵閃存技術(shù)而言，這就阻礙了存儲(chǔ)密度的增加。而SONOS (硅-二氧化硅-氮化硅-二氧化硅-硅)存儲(chǔ)器采用絕緣的電荷捕捉層來取代浮動(dòng)?xùn)艠O，完全避免了存儲(chǔ)電荷之間的相互影響，同時(shí)它還以其獨(dú)特的ONO結(jié)構(gòu)，使得閃存具有穩(wěn)定性好、可靠性高、低功耗、抗輻照能力強(qiáng)以及易與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，研究成果層出不窮，因此被認(rèn)為是最具潛力的高密度存儲(chǔ)器技術(shù)。另外，與 其他嵌入式非易失性存儲(chǔ)器(NVM)技術(shù)相比，SONOS工藝所需的掩膜較少，具有更高的性價(jià)比；該技術(shù)還繼承了閃存技術(shù)幾十年積累的成果，具有可靠性好、集成度高和與基底CMOS工藝兼容的特點(diǎn)；同時(shí)其ONO結(jié)構(gòu)的特殊性及離散電荷存儲(chǔ)等技術(shù)，使得SONOS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的存儲(chǔ)器單元及可靠性能不斷提高，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。圖IA所示為現(xiàn)有技術(shù)的SONOS型非易失性存儲(chǔ)器單元的橫截面示意圖。其結(jié)構(gòu)包括襯底10，源極漏極11，多晶硅柵極12，在柵極和襯底之間的介電疊層13，以及邊墻14。其中，存儲(chǔ)器的介電疊層13的放大圖IB中自上而下分別為阻擋層(SiO2) 130，電荷捕獲層(Si3N4) 131，隧穿層(SiO2) 132?，F(xiàn)有“S0N0S”型存儲(chǔ)器是指將單一介質(zhì)和單一結(jié)構(gòu)作為隧穿層的非易失性存儲(chǔ)器器件，其結(jié)構(gòu)從下到上依次為硅襯底、二氧化硅隧穿層、氮化硅電荷存儲(chǔ)層、二氧化硅電荷阻擋層和柵。SONOS存儲(chǔ)器采用常用的偏壓技術(shù)，以電子FN隧穿的方式進(jìn)行寫入，同時(shí)采用空穴FN隧穿或者電子逃離陷阱的方式進(jìn)行擦除。隨著存儲(chǔ)器技術(shù)的不斷發(fā)展，為使擦除速度可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用，隧穿氧化層的厚度必須小于30A，然而，若采用這樣的厚度，氮化硅存儲(chǔ)層中的抗擦寫能力和數(shù)據(jù)保持能力都會(huì)降低，從而影響存儲(chǔ)器的可靠性。若采用較厚的隧穿層，擦除操作所需的大電場就會(huì)使電子從柵極經(jīng)過阻擋層注入到電荷捕捉層中，柵電子的注入會(huì)中和空穴的注入量，從而造成擦除飽和，如果擦除飽和過大，則完全不能實(shí)現(xiàn)電荷的擦除。所以傳統(tǒng)SONOS的隧穿層逐漸無法同時(shí)滿足數(shù)據(jù)寫入擦除速度和數(shù)據(jù)靜態(tài)保持特性這對矛盾的要求因?yàn)樗泶佣趸韬駝t難以滿足對數(shù)據(jù)寫入擦除的速度的要求，隧穿層二氧化硅薄則難以滿足對數(shù)據(jù)靜態(tài)保持特性的要求。本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷，提出一種具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的TN-SONOS存儲(chǔ)器，解決了現(xiàn)有SONOS技術(shù)中數(shù)據(jù)寫入擦除速度和數(shù)據(jù)靜態(tài)保持特性這對矛盾，改善SONOS非易失性存儲(chǔ)器的性能，同時(shí)還可應(yīng)用于高質(zhì)量和極小的存儲(chǔ)器裝置中
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明在SONOS型非易失性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的新型TN-SONOS非易失性存儲(chǔ)器。本發(fā)明不僅可以利用高介電常數(shù)材料的優(yōu)點(diǎn)來增進(jìn)隧穿層效能，還獲得較薄的復(fù)合介電隧穿層，較薄的厚度在一定電壓下可在隧穿層中獲得較大的電場，在降低高速擦寫操作所需的電場的同時(shí)還不引起擦除飽和。同時(shí)由于本發(fā)明存儲(chǔ)器在隧穿層采用了氮氧化硅，寫入擦除過程中載流子對隧穿層所產(chǎn)生的缺陷、陷阱和界面態(tài)減少，存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)保留特性和抗擦寫能力都非常好。復(fù)合介電隧穿層還具有U型導(dǎo)帶勢壘，有利于寫入或擦除時(shí)載流子的隧穿，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)保持特性和擦除速度這一對矛盾的性能指標(biāo)的調(diào)節(jié)操作。本發(fā)明所提供的具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的TN-SONOS非易失性存儲(chǔ)器，其特征在于，包括
半導(dǎo)體襯底，包括具有溝道表面的溝道，以及與所述溝道相鄰的源端和漏端；
柵極；以及 介于所述柵極和所述溝道表面之間的介電疊層；
其中，所述介電疊層包括
隧穿層，與所述溝道表面接觸；
疊加于所述隧穿層上方的電荷捕獲層；
疊加于所述電荷捕獲層上方的阻擋層，與所述柵極接觸。其中，所述隧穿層為三層電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合介質(zhì)隧穿層，包括與該溝道表面接觸的第一層，其成分為氮氧化硅SiONw，其中X的值為O. I到3，厚度為5-20A ;鄰近該第一層的第二層，其成分為Si3N4,厚度為5-20A ;鄰近該第二層的第三層,其成分為氮氧化娃SiONw，其中J的值為O. I到3，厚度為5-40A。其中，所述復(fù)合介質(zhì)隧穿層中第一層和第三層的厚度可以根據(jù)氮和氧的比例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。本發(fā)明中“TN-S0N0S”是指Tunnel Nitride-SONOS型存儲(chǔ)器，是將復(fù)合氮基介質(zhì)結(jié)構(gòu)“氮氧化硅-氮化硅-氮氧化硅”作為隧穿層的存儲(chǔ)器。本發(fā)明基于SONOS非易失性存儲(chǔ)器，提出了一種新型的具有復(fù)合隧穿層的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，其中的復(fù)合隧穿層由SiON(x)、Si3N4、SiON(y)依序疊加而成，其中x、y分別表示SiONw層與SiONw層中氮和硅的比例。對于底部SiONw層，其與Si襯底界面鍵合牢固，在寫入擦除過程中減少了界面態(tài)，提高了抗擦寫能力；氮的加入還減少了缺陷，降低了缺陷輔助隧穿造成的漏電流，提高了數(shù)據(jù)保留特性；同時(shí)較低的勢壘高度，有利于寫入/擦除過程中載流子的直接隧穿。對于中間的SiN層，其厚度非常薄，電荷陷阱完全可以忽略；較低的勢壘高度，還提高了載流子在寫入/擦除過程中的直接隧穿。對于頂部的SiON(y)。其與電荷存儲(chǔ)層界面鍵合牢固，不僅減少了載流子隧穿過程中產(chǎn)生的界面損傷，還降低了勢壘高度，提高了擦除速率和操作窗口。與用單一介質(zhì)作為隧穿層的傳統(tǒng)SONOS存儲(chǔ)器相比，該結(jié)構(gòu)具有U型導(dǎo)帶隧穿勢壘，在高電場下，能帶發(fā)生傾斜，產(chǎn)生較大的空穴隧穿電流，在低電場下，較大的ONO勢壘阻止了載流子的直接隧穿，均衡了存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)保持特性與擦除速度這一對相互制約的參數(shù)指標(biāo)；同時(shí)其在相等的隧穿電流下具有更厚的隧穿層，提高了數(shù)據(jù)保留特性；缺陷、陷阱和界面態(tài)的減少，提高了抗擦寫能力，降低了閾值電壓的漂移。


圖IA為傳統(tǒng)SONOS型非易失性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖。圖IB為圖IA所示傳統(tǒng)存儲(chǔ)器中介電疊層部分的放大示意圖。圖2為本發(fā)明具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的TN-SONOS存儲(chǔ)器。其中圖2A為本發(fā)明存儲(chǔ)器的橫截面示意圖，圖2B為本發(fā)明存儲(chǔ)器中介電疊層部分的放大示意圖。圖3為傳統(tǒng)SONOS型非易失性存儲(chǔ)器柵極和溝道間介電疊層的能帶示意圖。圖4為本發(fā)明具有復(fù)合介質(zhì)隧穿層的TN-SONOS存儲(chǔ)器中隧穿層的能帶示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明提出的具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的新型TN-SONOS非易失性存儲(chǔ)器作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。需要說明的是，附圖均采用非常簡化的形式，僅用于方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。如圖2A、2B所示，本發(fā)明提供的一種具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的新型TN-SONOS非易失性存儲(chǔ)器，包括襯底20，襯底兩端的源極漏極21，柵極22，在柵極22和襯底20之間的介電疊層23，以及邊墻24。所述存儲(chǔ)器的介電疊層23中自上而下分別為阻擋層230，電荷捕獲層231，復(fù)合隧穿層232。所述復(fù)合隧穿層232中自上而下分別為第三層232a，該層包含氮氧化硅SiONw，其中J的值為O. I到3 ;第二層232b，其成分包含Si3N4 ;第一層232c，其成分包含氮氧化硅SiONw，其中X的值為O. I到3。和傳統(tǒng)SONOS型非易失性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)的橫截面示意1A、1B相比，本發(fā)明提供的一種新型TN-SONOS型非易失性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)的主要差異在于隧穿層，傳統(tǒng)SONOS型非易失性存儲(chǔ)器器件結(jié)構(gòu)中的隧穿層使用了簡單的單一結(jié)構(gòu)和單一介質(zhì)SiO2，而本發(fā)明提供的具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的非易失性存儲(chǔ)器中使用了 SiON(y)-Si3N4-SiON(X)的復(fù)合介質(zhì)隧穿層。實(shí)施例I
本實(shí)施例提供一種具體的本發(fā)明存儲(chǔ)器的制造方法。首先提供半導(dǎo)體襯底，然后在襯底上方在含氮?dú)獾姆諊懈裳跹趸纬梢粚覵iONw，其中X的值為I. 25，該層厚度為13A。然后使用LPCVD在SiONw上方形成一層Si3N4,厚度為20A。之后再使用LPCVD技術(shù)在Si3N4上形成一層SiONw，其中y的值為I. 65，厚度為35A。隧穿層形成完成之后再先后使用LPCVD技術(shù)形成60A的Si3N4電荷捕獲層和60A的Si02阻擋層。然后在其上方用LPCVD形成多晶硅柵極，并在柵極兩側(cè)形成邊墻結(jié)構(gòu)。最后自對準(zhǔn)離子注入形成源極和漏極區(qū)。圖3所示為傳統(tǒng)SONOS型非易失性存儲(chǔ)器柵極和溝道間介電疊層的能帶示意圖，二氧化硅的勢壘高度為3. lev。有偏壓時(shí)，載流子從硅襯底經(jīng)過二氧化硅隧穿層注入到氮化硅層中，它必須越過該勢壘高度才能進(jìn)入氮化硅存儲(chǔ)層中，因此該勢壘高度就限制了其數(shù)據(jù)的寫入擦除速率；無偏壓時(shí)，載流子很難越過該勢壘高度，陷阱輔助隧穿成為主要的漏電機(jī)制，當(dāng)隧穿層二氧化硅厚度d薄時(shí)，不應(yīng)穿越阻擋層的載流子在數(shù)據(jù)保持過程中所受阻擋作用小，載流子逃離陷阱的概率增大，漏電現(xiàn)象明顯，難以滿足對數(shù)據(jù)靜態(tài)保持特性的要求。
圖4所示為本發(fā)明較佳實(shí)施例的具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的TN-SONOS存儲(chǔ)器介電疊層中復(fù)合隧穿層的能帶示意圖。本發(fā)明存儲(chǔ)器的介電疊層中復(fù)合隧穿層具有U型導(dǎo)帶勢壘。在無偏壓時(shí)，復(fù)合隧穿層的勢壘高度h很大，載流子很難越過該勢壘逃離陷阱，漏電現(xiàn)象少，數(shù)據(jù)保持特性好；而在有偏壓時(shí)，能帶會(huì)發(fā)生傾斜，當(dāng)載流子從硅襯底經(jīng)過二氧化硅隧穿層注入到氮化硅層中時(shí)，由于中間Si3N4層的勢壘高度小于氮氧化硅層的勢壘高度，其不會(huì)阻礙載流子隧穿的進(jìn)行，數(shù)據(jù)寫入擦除的速度也得到了保證。因此，對于該復(fù)合介質(zhì)隧穿層結(jié)構(gòu)，較大的物理厚度和勢壘高度抑制了斷電情況下陷阱電荷的直接隧穿，提高了數(shù)據(jù)保留特性，同時(shí)其獨(dú)特的U型導(dǎo)帶勢壘保證了寫入擦除時(shí)載流子的有效隧穿，使得其具有很快的數(shù)據(jù)寫入擦除速度。另外一種現(xiàn)有的BE-SONOS結(jié)構(gòu)使用了結(jié)構(gòu)為SiO2-Si3N4 -SiO2的復(fù)合隧穿層。如前文所述，與將SiO2-Si3N4-SiO2結(jié)構(gòu)作為隧穿氧化層的BE-SONOS相比，本發(fā)明的非易失性存儲(chǔ)器中，復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的底部SiONw層和硅襯底界面鍵合牢固，在寫入擦除過程中減少了界面態(tài)，抗擦寫能力提高了 10倍，氮的加入還減少了缺陷，降低了缺陷輔助隧穿 造成的漏電流，在IOOk次寫入擦除和150度高溫烘烤I星期后，其還具有足夠的操作窗口，數(shù)據(jù)保留特性得到了很大提高；同時(shí)氮氧化硅層勢壘高度的減少，有利于寫入/擦除過程中載流子的直接隧穿，擦除速度提高了 10倍；頂部的SiONw與電荷存儲(chǔ)層相連，減少了載流子隧穿過程中產(chǎn)生的界面損傷，其對寫入.擦除過程中載流子的捕獲接近于0，使存儲(chǔ)器的捕獲效率接近于I。因此與本發(fā)明的TN-SONOS非易失性存儲(chǔ)器相比，現(xiàn)有的BE-SONOS結(jié)構(gòu)在性能和可靠性方面還存在很大的缺陷。尤其是當(dāng)尺寸更近一步縮小或3D結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器出現(xiàn)的時(shí)候，BE-SONOS存儲(chǔ)器由于底部二氧化硅與硅襯底之間的界面粗糙且尖刺很大，在不影響性能的條件下，二氧化硅厚度的減少在工藝實(shí)現(xiàn)上就變得非常困難；而本發(fā)明的復(fù)合隧穿層存儲(chǔ)器中底部氮氧化硅層和硅襯底之間不僅在界面粗超度和尖刺方面很理想，同時(shí)氮的加入還可以精確的控制氮氧化硅層的厚度，完全可以應(yīng)用于更小尺寸或3D結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器中，在未來存儲(chǔ)器中具有非常大的發(fā)展?jié)摿?。本發(fā)明存儲(chǔ)器中的復(fù)合介質(zhì)隧穿層結(jié)構(gòu)還可以通過對復(fù)合隧穿層底部和頂部氮氧化硅中氮氧比例的調(diào)節(jié)，來調(diào)節(jié)復(fù)合隧穿層中底部和頂部兩層的厚度，從而調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)保持特性和擦除速度這一對彼此矛盾的性能指標(biāo)。其中底部氮氧比例的調(diào)節(jié)是通過控制干氧氧化形成SiONw時(shí)氣氛中的氮?dú)獗壤齺韺?shí)現(xiàn)的，頂部氮氧比例的調(diào)節(jié)是通過用LPCVD方法形成SiONw時(shí)控制氧化氮的流量來實(shí)現(xiàn)的。在不同的氮氧比例下，通過寫入擦除速率和數(shù)據(jù)保留特性這兩項(xiàng)指標(biāo)來選取隧穿層底部和頂部每一層的最佳厚度。
權(quán)利要求
1.一種具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的TN-SONOS存儲(chǔ)器，其特征在于，包括 半導(dǎo)體襯底，包括具有溝道表面的溝道，以及與所述溝道鄰近的源端和漏端； 柵極；以及 介于所述柵極和所述溝道表面之間的介電疊層； 其中，所述介電疊層包括 隧穿層，與所述溝道表面接觸； 疊加于所述隧穿層上方的電荷捕獲層； 疊加于所述電荷捕獲層上方的阻擋層，與所述柵極接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的TN-SONOS存儲(chǔ)器，其特征在于，所述隧穿層為三層電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合介質(zhì)隧穿層，包括 與該溝道表面接觸的第一層，其成分為氮氧化硅SiONw，其中X的值為O. I到3，厚度為 5-20A ； 鄰近該第一層的第二層，其成分為Si3N4，厚度為5-20A ； 鄰近該第二層的第三層，其成分為氮氧化硅SiON(y)，其中y的值為O. I到3，厚度為5-40A。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TN-SONOS存儲(chǔ)器，其特征在于，所述復(fù)合介質(zhì)隧穿層中第一層和第三層的厚度可以根據(jù)氮和氧的比例進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體存儲(chǔ)器領(lǐng)域，公開了一種具有復(fù)合氮基介質(zhì)隧穿層的TN-SONOS存儲(chǔ)器，其包括半導(dǎo)體襯底，包括具有溝道表面的溝道，以及與所述溝道相鄰的源端和漏端；柵極；以及介于所述柵極和所述溝道表面之間的介電疊層。其中，所述介電疊層包括隧穿層，與所述溝道表面接觸；疊加于所述隧穿層上方的電荷捕獲層；疊加于所述電荷捕獲層上方的阻擋層，與所述柵極接觸。其中，所述隧穿層為三層電介質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的復(fù)合介質(zhì)隧穿層，包括與該溝道表面接觸的第一層，其成分為氮氧化硅SiON(x)；鄰近該第一層的第二層，其成分為Si3N4；鄰近該第二層的第三層，其成分為氮氧化硅SiON(y)。本發(fā)明改善了SONOS非易失性存儲(chǔ)器的性能，可應(yīng)用于高質(zhì)量和極小的存儲(chǔ)器裝置中。
文檔編號(hào)H01L27/115GK102820301SQ20111015344
公開日2012年12月12日 申請日期2011年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月9日
發(fā)明者石艷玲, 張順斌, 劉麗娟, 曹剛, 陳廣龍, 沈國飛, 陳贊棟, 周群, 李曦 申請人:華東師范大學(xué), 上海華虹Nec電子有限公司