專利名稱：Sonos存儲(chǔ)單元及其操作方法、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)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種SONOS存儲(chǔ)單元及其操作方法、SONOS存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
通常用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器，易失性存儲(chǔ)器容易在電源中斷時(shí)丟失數(shù)據(jù)，而非易失性存儲(chǔ)器即使在電源中斷時(shí)仍可保持其數(shù)據(jù)。目前非易失性存儲(chǔ)器已廣泛地應(yīng)用于移動(dòng)通信系統(tǒng)或者存儲(chǔ)卡中。目前，非易失性存儲(chǔ)單元可以由浮柵結(jié)構(gòu)或者SONOS (Silicon Oxide NitrideOxide Semiconductor)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。S0N0S存儲(chǔ)器具有娃-氧化層-氮化層-氧化層-娃 結(jié)構(gòu)，具體的包括一層隧穿氧化層、一層氮化硅層及一層阻擋氧化層。S0N0S存儲(chǔ)器通常采用溝道熱電子注入(Channel Hot Electron Injection, CHE)效應(yīng)或F-N隧穿效應(yīng)(FNtunneling)將電荷(通常是電子)通過(guò)隧穿氧化層注入到氮化硅層，并被氮化硅層中的電荷陷阱俘獲，從而引起器件單元閥值電壓的改變，達(dá)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的效果。與含浮柵結(jié)構(gòu)的器件不同，存儲(chǔ)在氮化硅層中的電荷是分離的，這樣降低了對(duì)隧穿氧化層厚度及缺陷密度的要求，有利于存儲(chǔ)器尺寸的縮減，因此S0N0S存儲(chǔ)器是目前深亞微米節(jié)點(diǎn)閃存發(fā)展的一個(gè)重要方向。圖I為現(xiàn)有技術(shù)中S0N0S結(jié)構(gòu)的示意圖，如圖I所示，現(xiàn)有技術(shù)的S0N0S結(jié)構(gòu)包括襯底10 ;位于所述襯底10上的隧穿介質(zhì)層11、電荷捕獲層12和頂部介質(zhì)層13，其中，隧穿介質(zhì)層11的材料為氧化硅，電荷捕獲層12的材料為氮化硅，頂部介質(zhì)層13的材料為氧化硅，所述隧穿介質(zhì)層11、電荷捕獲層12和頂部介質(zhì)層13構(gòu)成了 0N0(oxide-nitride-oxide)的疊層結(jié)構(gòu)；位于所述頂部介質(zhì)層13上的柵極14 ;位于所述襯底10內(nèi)、所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)的源極15和漏極16。圖I所示的S0N0S存儲(chǔ)器一種工作原理為S0N0S器件為N型器件，在進(jìn)行編程操作時(shí)，在柵極14上施加正向電壓(通常為5V左右)，在襯底10、源極15和漏極16上施加相同的負(fù)向電壓(通常為-5V)，此時(shí)溝道中的電子將因F-N隧穿效應(yīng)穿過(guò)隧穿介質(zhì)層11，并存儲(chǔ)于電荷捕獲層12中，從而完成編程操作過(guò)程。在進(jìn)行擦除操作時(shí)，在柵極14上施加負(fù)向電壓(通常為-5V)，在襯底10、源極15和漏極16上施加相同的正向電壓(通常為5V)，這樣，電荷捕獲層12中的電子將隧穿穿過(guò)隧穿介質(zhì)層11進(jìn)入襯底10中，從而完成擦除操作。圖I所示的S0N0S存儲(chǔ)器另一種工作原理為S0N0S器件為N型器件，在進(jìn)行編程操作時(shí)，在柵極14上施加正向電壓(通常為10V左右)，在漏極16上施加一低電壓(通常為5V左右)，P型襯底10和源極15偏置為0V。此時(shí)溝道中的電子將因溝道熱電子注入效應(yīng)穿過(guò)隧穿介質(zhì)層11，并存儲(chǔ)于電荷捕獲層12中，從而完成編程操作過(guò)程。在進(jìn)行擦除操作時(shí)，在柵極14上施加負(fù)向電壓(通常為-10V)，在襯底10、源極15和漏極16上施加相同的正向偏置電壓(通常為0V)，這樣，電荷捕獲層12中的電子將隧穿穿過(guò)隧穿介質(zhì)層11進(jìn)入襯底10中，從而完成擦除操作。
但是上述SONOS存儲(chǔ)器中，或者每個(gè)存儲(chǔ)單元只能存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)，使SONOS存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量較低；或者在編程操作時(shí)需要消耗較大的電流，無(wú)法實(shí)現(xiàn)低功耗編程?，F(xiàn)有技術(shù)中有許多關(guān)于SONOS存儲(chǔ)器的專利以及專利申請(qǐng)，例如公開號(hào)為CN102097491A的中國(guó)專利申請(qǐng)中公開的SONOS及其形成方法，然而該專利申請(qǐng)中也沒(méi)有給出解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問(wèn)題是提供一種可實(shí)現(xiàn)低功耗編程，且在每個(gè)SONOS存儲(chǔ)單元中可以存儲(chǔ)兩位數(shù)據(jù)的SONOS存儲(chǔ)單元、SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法及SONOS存儲(chǔ)器，以有效地降低編程功耗，提高SONOS存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種SONOS存儲(chǔ)單元，包括P型襯底；位于所述P型 襯底內(nèi)的N阱；位于所述N阱上的疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)由下至上依次包括隧穿介質(zhì)層、電荷捕獲層和頂部介質(zhì)層；位于所述頂部介質(zhì)層上的柵極；位于所述N阱內(nèi)、在所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)且均為P型摻雜的源極和漏極。為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明還提供一種上述SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，包括在所述SONOS存儲(chǔ)單元的N阱、柵極、源極和漏極施加操作電壓?？蛇x地，所述操作方法包括編程方法，所述編程方法包括在所述N阱施加第一偏置電壓，在所述柵極上施加第一編程電壓，在所述源極上施加第二編程電壓，在所述漏極上施加第三編程電壓；其中，所述第一偏置電壓、第二編程電壓、第三編程電壓均小于所述第一編程電壓?？蛇x地，所述第一編程電壓為正向編程電壓，所述第二編程電壓為負(fù)向編程電壓，所述第三編程電壓大于所述負(fù)向編程電壓且小于或者等于第一偏置電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近源極部分的編程操作?？蛇x地，所述正向編程電壓為3V飛V，所述負(fù)向編程電壓為-4疒-7V，并且所述正向編程電壓與所述負(fù)向編程電壓之間的電壓差為9V 13V;所述第一偏置電壓和所述第三編程電壓均為0V?？蛇x地，所述第一編程電壓為正向編程電壓，所述第三編程電壓為負(fù)向編程電壓，所述第二編程電壓大于所述負(fù)向編程電壓且小于或者等于第一偏置電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近漏極部分的編程操作?？蛇x地，所述正向編程電壓為3V飛V，所述負(fù)向編程電壓為-4疒-7V，并且所述正向編程電壓與所述負(fù)向編程電壓之間的電壓差為9V 13V;所述第二編程電壓和第一集偏置電壓均為OV?？蛇x地，所述操作方法包括擦除方法，所述擦除方法包括在所述柵極上施加負(fù)向擦除電壓，在所述源極、漏極和N阱上施加相同的正向擦除電壓?？蛇x地，所述正向擦除電壓為3V 7V，所述負(fù)向擦除電壓為-4疒-7V，并且所述正向擦除電壓與所述負(fù)向擦除電壓之間的電壓差為9V 14V?？蛇x地，所述操作方法包括讀取方法，所述讀取方法包括在所述柵極上施加選通電壓，在所述N阱上施加第二偏置電壓，在所述源極上施加第一讀取電壓，在所述漏極上施加第二讀取電壓。
可選地，所述選通電壓、第二偏置電壓與第一讀取電壓均為正向讀取電壓且電壓值相同，所述第二讀取電壓小于所述正向讀取電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近源極部分的讀取操作?？蛇x地，所述正向讀取電壓為I. 6V^2V ;所述第二讀取電壓為0V?？蛇x地，所述選通電壓、第二偏置電壓與第二讀取電壓均為正向讀取電壓且電壓值相同，所述第一讀取電壓小于所述正向讀取電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近漏極部分的讀取操作?？蛇x地，所述正向讀取電壓為I. 6V^2V ;所述第一讀取電壓為0V。本發(fā)明還提供一種SONOS存儲(chǔ)器，包括由SONOS存儲(chǔ)單元組成的存儲(chǔ)陣列以及外圍電路；所述SONOS存儲(chǔ)單元包括P型襯底；位于所述P型襯底內(nèi)的N阱；位于所述N阱上 的疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)由下至上依次包括隧穿介質(zhì)層、電荷捕獲層和頂部介質(zhì)層；位于所述頂部介質(zhì)層上的柵極；位于所述N阱內(nèi)、在所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)且均為P型摻雜的源極和漏極；所述SONOS存儲(chǔ)單元的柵極與字線相連；所述SONOS存儲(chǔ)單元的源極和漏極分別與不同的位線相連；所述外圍電路分別與所述字線、位線以及SONOS存儲(chǔ)單元的N阱相連，用于提供各種操作電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元的各種操作?？蛇x地，所述SONOS存儲(chǔ)單元中的電荷捕獲層為氮化硅、二氧化鉿或二氧化鈦的一種。可選地，所述外圍電路包括編程電壓提供單元、擦除電壓提供單元和讀取電壓提供單元；所述編程電壓提供單元用于向SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供第一偏置電壓；向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的所述字線提供第一編程電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線提供第二編程電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線提供第三編程電壓；所述擦除電壓提供單元用于向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的字線提供負(fù)向擦除電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線、SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線以及SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供相同的正向擦除電壓；所述讀取電壓提供單元用于向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的字線提供選通電壓，向SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供第二偏置電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線提供第一讀取電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線提供第二讀取電壓。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案至少具有以下優(yōu)點(diǎn)在本發(fā)明技術(shù)方案的操作方法中，采用帶對(duì)帶隧穿引起的熱電子注入效應(yīng)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)地編程操作，在這種編程操作方式中，P型SONOS存儲(chǔ)單元的柵極被施加正向編程電壓，而源極(或漏極)被施加負(fù)向編程電壓，此時(shí)在柵極與源極之間以及源極與N阱之間(或者柵極與漏極之間以及漏極與N阱之間)會(huì)形成一較大電場(chǎng)，從而在源極(或漏極)的耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，電子在源極(或漏極)與N阱之間橫向電場(chǎng)的作用下加速向溝道端移動(dòng)，其中的某些電子在此過(guò)程中獲得足夠的能量，并在柵極與源極(或者柵極與漏極)之間縱向電場(chǎng)的作用下穿過(guò)隧穿介質(zhì)層進(jìn)入到電荷捕獲層中。采用這種方式，電子可以被定位注入到靠近SONOS存儲(chǔ)單元源端或漏端一段狹窄的區(qū)域內(nèi)，因而可以在SONOS存儲(chǔ)單元的近源極端和近漏極端分別存儲(chǔ)兩位數(shù)據(jù)，在同樣尺寸下可以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，提高了存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。
本發(fā)明技術(shù)方案中，所述SONOS存儲(chǔ)單元具有N阱，在所述N阱的兩側(cè)形成有P型摻雜的源極和漏極。這樣，在進(jìn)行編程操作時(shí)就可以在源極或漏極上施加負(fù)向電壓，同時(shí)在柵極上施加較小的正向電壓，且正向電壓與負(fù)向電壓的絕對(duì)值均小于等于7V，可以避免在外圍電路中使用高壓器件，從而進(jìn)一步降低了工藝復(fù)雜度，減小了存儲(chǔ)器芯片的尺寸。本發(fā)明技術(shù)方案的操作 方法中，在對(duì)所述SONOS存儲(chǔ)單元進(jìn)行編程操作時(shí)，其源極和漏極之間的溝道處于關(guān)斷狀態(tài)，所述溝道中沒(méi)有電流通過(guò)，因此可以降低存儲(chǔ)單元編程時(shí)的功耗，進(jìn)而降低整個(gè)存儲(chǔ)器的功耗。本發(fā)明技術(shù)方案中，SONOS存儲(chǔ)單元陣列使用虛地結(jié)構(gòu)，即存儲(chǔ)陣列中沒(méi)有獨(dú)立的接地源線。在進(jìn)行編程或讀取操作時(shí)，與SONOS存儲(chǔ)單元源極相連的位線和與SONOS存儲(chǔ)單元漏極相連的位線互為接地源線。例如，對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元源端進(jìn)行編程或讀取操作時(shí)，與漏端相連的位線可作為接地源線，反之亦然(如圖3所示)。采用這種結(jié)構(gòu)可以節(jié)省存儲(chǔ)陣列的布線面積，提高器件存儲(chǔ)密度。


圖I是現(xiàn)有技術(shù)中SONOS結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2是本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)器中SONOS存儲(chǔ)單元的剖面示意圖；圖3是本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)單元陣列的版圖布局示意圖；圖4和圖5是本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)單元的編程方法的示意圖；圖6是本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)單元的擦除方法的示意圖；圖7和圖8是本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)單元的讀取方法的示意圖。
具體實(shí)施例方式正如背景技術(shù)中所述，傳統(tǒng)的N型SONOS存儲(chǔ)器或者只能在一個(gè)ONO結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致較低的存儲(chǔ)密度；或者無(wú)法實(shí)現(xiàn)低電流編程而導(dǎo)致較大的編程功耗。本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)器的所述SONOS存儲(chǔ)單元包括P型襯底；位于所述P型襯底內(nèi)的N阱；位于所述N阱上的疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)由下至上依次包括隧穿介質(zhì)層、電荷捕獲層和頂部介質(zhì)層；位于所述頂部介質(zhì)層上的柵極；位于所述N阱內(nèi)、在所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)且進(jìn)行P型摻雜的源極和漏極。而在對(duì)上述SONOS存儲(chǔ)單元進(jìn)行編程操作時(shí)，在所述N阱施加第一偏置電壓，在所述柵極上施加第一編程電壓，在所述源極上施加第二編程電壓，在所述漏極上施加第三編程電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述SONOS存儲(chǔ)單元的編程操作；其中，所述第一偏置電壓、第二編程電壓、第三編程電壓均小于所述第一編程電壓。通過(guò)本發(fā)明的方法可以在實(shí)現(xiàn)低功耗編程的同時(shí)，在單個(gè)SONOS存儲(chǔ)單元中寫入兩位數(shù)據(jù)，從而大大提高了本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)能力。為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)的說(shuō)明。在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的具體實(shí)施方式
的限制。
圖2示出了本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)器中SONOS存儲(chǔ)單元的剖面示意圖。參考圖2，所述SONOS存儲(chǔ)單元包括P型襯底100 ;位于所述P型襯底100內(nèi)的N阱110 ;位于所述N阱上的疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)由下至上依次包括隧穿介質(zhì)層140、電荷捕獲層150和頂部介質(zhì)層160 ;位于所述頂部介質(zhì)層160上的柵極170 ;位于所述N阱110內(nèi)、在所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)且進(jìn)行P型摻雜的源極120和漏極130。所述SONOS存儲(chǔ)單元的源極120和漏極130分別對(duì)應(yīng)連接不同的位線；柵極170對(duì)應(yīng)連接字線。另外，所述SONOS存儲(chǔ)單元中的電荷捕獲層150的材料可以為氮化硅、二氧化鉿或二氧化鈦等電荷捕獲材料中的一種，其不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。圖3示出了本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)器的俯視示意圖。為了說(shuō)明簡(jiǎn)單，圖3中僅顯示相鄰的少數(shù)幾個(gè)存儲(chǔ)單元，但是本發(fā)明對(duì)此不做限制，在實(shí)際應(yīng)用中，所述SONOS存儲(chǔ)器包括的存儲(chǔ)單元的數(shù)量較多。圖3所示的SONOS存儲(chǔ)陣列中，斜線填充部分表示擴(kuò)散層，虛線部分表示金屬層， 圓形部分表示接觸孔。結(jié)合參考圖2和圖3，位線BLO、BL2、BL4和BL6分別對(duì)應(yīng)連接圖2中所示SONOS存儲(chǔ)單元的源極120，位線BL1、BL3、BL5和BL7分別對(duì)應(yīng)連接圖2中所示SONOS存儲(chǔ)單元的漏極130 ;字線WL(TWL2連接圖2中所示SONOS存儲(chǔ)單元的柵極170。 SONOS存儲(chǔ)器中的外圍電路(圖中未示出)分別對(duì)應(yīng)連接所述字線WL(TWL2、所述位線BL(TBL7以及SONOS存儲(chǔ)單元中的N阱110。具體地，所述外圍電路與N阱可以通過(guò)接觸孔進(jìn)行連接，其為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，在此不再贅述。所述外圍電路用于提供各種操作電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元的各種操作。具體地，所述外圍電路可以包括編程電壓提供單元、擦除電壓提供單元和讀取電壓提供單元。所述編程電壓提供單元用于向SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供第一偏置電壓；向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的所述字線提供第一編程電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線提供第二編程電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線提供第三編程電壓。所述擦除電壓提供單元用于向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的字線提供負(fù)向擦除電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線、SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線以及SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供相同的正向擦除電壓。所述讀取電壓提供單元用于向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的字線提供選通電壓，向SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供第二偏置電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線提供第一讀取電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線提供第二讀取電壓。本發(fā)明技術(shù)方案提供了一種上述SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法。所述操作方法包括在所述SONOS存儲(chǔ)單元的N阱、柵極、源極和漏極施加操作電壓。具體地，所述操作方法包括編程方法、擦除方法和讀取方法中的至少一種。以下再結(jié)合上述SONOS存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)對(duì)本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法做進(jìn)
一步說(shuō)明。在對(duì)圖2所示的SONOS存儲(chǔ)單元進(jìn)行編程操作時(shí)，在所述N阱110上施加第一偏置電壓，在所述柵極170上施加第一編程電壓，在所述源極120上施加第二編程電壓，在所述漏極130上施加第三編程電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述SONOS存儲(chǔ)單元的編程操作。其中，所述第一偏置電壓、第二編程電壓、第三編程電壓均小于所述第一編程電壓。
具體地，參考圖4，在所述N阱110上施加的第一偏置電壓以及在漏極130上施加的第三編程電壓均為OV ;在所述柵極170上施加的第一編程電壓為正向編程電壓Vpp ;在所述源極120上施加的第二編程電壓為負(fù)向編程電壓Vnn。其中，所述正向編程電壓Vpp為3疒6V ;所述負(fù)向編程電壓Vnn為-4疒-7V，并且所述正向編程電壓Vpp與所述負(fù)向編程Vnn電壓之間的電壓差為9V 13V。在具體實(shí)施例中，取所述正向編程電壓Vpp為6V，所述負(fù)向編程電壓Vnn為-6V。這時(shí)，源-襯(N阱)耗盡區(qū)內(nèi)形成從N阱指向源極的橫向電場(chǎng)，柵極170與源極120之間形成柵極指向源極的縱向電場(chǎng)。源極120與柵極170重 疊部分下方的源端耗盡區(qū)內(nèi)會(huì)因帶對(duì)帶隧穿效應(yīng)產(chǎn)生空穴-電子對(duì)，電子e在橫向電場(chǎng)的作用下加速向溝道端移動(dòng)，某些電子在此過(guò)程中獲得足夠的能量，并在縱向電場(chǎng)的作用下穿過(guò)隧穿介質(zhì)層140，被電荷捕獲層150所捕獲，從而最終存儲(chǔ)于所述電荷捕獲層150中靠近所述源極120的位置(如圖4中所示的bitl)。至此，完成了對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近源極120部分的編程操作。需要說(shuō)明的是，在上述編程方法中，所述第一偏置電壓(即施加在N阱上的OV電壓)大于第二編程電壓(負(fù)向編程電壓Vnn)，且等于第三編程電壓(即施加在漏極130上的OV電壓)，但是其不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，在其他實(shí)施例中，還可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置所述第一偏置電壓和第三編程電壓，例如，可以將第一偏置電壓設(shè)置為大于第三編程電壓以增加編程效率，同時(shí)，這種設(shè)置也增大了 SONOS器件閾值電壓的絕對(duì)值，有助于防止編程即將結(jié)束時(shí)因電子注入電荷捕獲層150而導(dǎo)致SONOS器件源漏間的穿通效應(yīng)。再參考圖5，在所述N阱110上施加的第一偏置電壓以及在源極120上施加的第二編程電壓均為OV ;在所述柵極170上施加的第一編程電壓為正向編程電壓Vpp ;在所述漏極130上施加的第三編程電壓為負(fù)向編程電壓Vnn。其中，所述正向編程電壓Vpp為3V飛V ；所述負(fù)向編程電壓Vnn為-4疒-7V，并且所述正向編程電壓Vpp與所述負(fù)向編程Vnn電壓之間的電壓差為9V 13V。在具體實(shí)施例中，取所述正向編程電壓Vpp為6V，所述負(fù)向編程電壓Vnn為-6V。與圖4所示的編程原理與類似，在圖5所示的編程方法中，在柵極170與漏極130之間的縱向電場(chǎng)以及N阱110與漏極130之間的橫向電場(chǎng)的共同作用下，所述漏極130耗盡區(qū)中產(chǎn)生的電子e將穿過(guò)隧穿介質(zhì)層140，并被電荷捕獲層150所捕獲，從而最終存儲(chǔ)于所述電荷捕獲層150中靠近所述漏極130的位置(如圖5中所示的bit2)。至此，完成了對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近漏極130部分的編程操作。同樣地，在圖5所示的編程方法中，所述第一偏置電壓大于第三編程電壓(負(fù)向編程電壓Vnn)，且等于第二編程電壓(即均為0V)，但是其不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，在其他實(shí)施例中，還可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置所述第一偏置電壓和第二編程電壓，例如，可以將第一偏置電壓設(shè)置為大于第二編程電壓以增加編程效率，同時(shí)，這種設(shè)置也增大了 SONOS器件閾值電壓的絕對(duì)值，有助于防止編程即將結(jié)束時(shí)因電子注入電荷捕獲層150而導(dǎo)致SONOS器件源漏間的穿通效應(yīng)。圖4 圖5所示的編程方法中，采用帶對(duì)帶隧穿引起的熱電子注入(Band to Bandtunneling induced Hot Electron Injection, BTBTHE)效應(yīng)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)地編程操作。通過(guò)上述方法電子可以被定位注入到SONOS存儲(chǔ)單元電荷捕獲層150中靠近源極120或漏極130位置處狹窄的一段區(qū)域內(nèi)，因而可以在SONOS存儲(chǔ)單元中實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這樣在同樣尺寸的存儲(chǔ)器中可以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，從而提高了存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。在現(xiàn)有技術(shù)中施加的編程電壓通常為IOV左右，與該高壓(10V)相適應(yīng)地，需要在存儲(chǔ)器中制作耐高壓的器件，從而限制了存儲(chǔ)器尺寸的縮小。而上述編程方法中，所述柵極170上施加的正向編程電壓Vpp為3V飛V ;源極120或漏極130上施加的負(fù)向編程電壓Vnn為-4疒-7V，因此在本發(fā)明的SONOS存儲(chǔ)器中不再需要制造高壓器件，從而可以簡(jiǎn)化工藝流程，進(jìn)一步減小存儲(chǔ)器的尺寸。另外，在上述編程方法中，所述SONOS存儲(chǔ)單元在編程時(shí)源極120和漏極130之間的溝道始終處于關(guān)斷狀態(tài)，也就是說(shuō)，所述源極120和漏極130之間的溝道中不會(huì)有電流通過(guò)，因此可以降低存儲(chǔ)單元在編程操作時(shí)的功耗。圖6示出了本發(fā)明SONOS存儲(chǔ)單元的擦除方法的示意圖。參考圖6，在所述柵極170上施加負(fù)向擦除電壓Vn，在所述源極120、漏極130和N阱110上施加相同的正向擦除電壓Vp，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述SONOS存儲(chǔ)單元的擦除操作。具體地，所述正向擦除電壓Vp為3V 7V， 所述負(fù)向擦除電壓Vn為-4疒-7V，并且所述正向擦除電壓Vp與所述負(fù)向擦除電壓Vn之間的電壓差為9V 14V。在具體例子中，所述正向擦除電壓Vp為6V，所述負(fù)向擦除電壓Vn為-6V，此時(shí)所述正向擦除電壓Vp與所述負(fù)向擦除電壓Vn之間的電壓差為12V。這樣，所述N阱110、源極120、漏極130上的電壓相同，其與柵極170之間形成一強(qiáng)電場(chǎng)，在該強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，原先存儲(chǔ)于電荷捕獲層150中的電子e將通過(guò)FN隧穿效應(yīng)經(jīng)由隧穿介質(zhì)層140被拉出，此時(shí)，原先靠近源極120的bitl和靠近漏極130的bit2中的數(shù)據(jù)被全部擦除。本發(fā)明還提供了一種SONOS存儲(chǔ)單元的讀取方法，包括在所述柵極上施加選通電壓，在所述N阱上施加第二偏置電壓，在所述源極上施加第一讀取電壓，在所述漏極上施加第二讀取電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述SONOS存儲(chǔ)單元的讀取操作。讀取操作時(shí)位線的選擇與編程操作時(shí)位線的方向是相反的。具體地，參考圖7，在所述柵極170上施加選通電壓，在所述N阱110上施加第二偏置電壓，在所述源極120上施加第一讀取電壓，其中，所述選通電壓、第二偏置電壓以及第一讀取電壓的電壓值相同，均為Vcc，其電壓值可以為I. 6V^2V ;在所述漏極上施加第二讀取電壓0V。在施加上述電壓后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近源極120處的bitl的讀取操作。在進(jìn)行讀取操作時(shí)，讀取結(jié)果取決于SONOS存儲(chǔ)單元電荷捕獲層中靠近源極或漏極位置是否存有捕獲電荷。具體地，繼續(xù)參考圖7，當(dāng)施加圖7所示的各種電壓之后，靠近源極120上方的電荷捕獲層150中存有捕獲電子時(shí)，SONOS器件的閾值電壓的絕對(duì)值降低，成為一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)的PMOS管，因而會(huì)在漏極130上讀到一個(gè)較大的負(fù)電流，其絕對(duì)值大于預(yù)設(shè)的參考電流閾值，此時(shí)靠近源極120的bitl處數(shù)據(jù)為“0”;反之，若靠近源極120上方的電荷捕獲層150中沒(méi)有捕獲電子時(shí)，SONOS器件的閾值電壓的絕對(duì)值增加，成為一個(gè)關(guān)斷狀態(tài)的PMOS管，因而在漏極130上讀到的電流將小于預(yù)設(shè)的參考電流閾值，此時(shí)靠近源極120的bitl處數(shù)據(jù)為“I”。需要指出的是，此時(shí)無(wú)論SONOS存儲(chǔ)單元靠近漏極130上方的電荷捕獲層150中是否存有捕獲電子都不會(huì)對(duì)漏極130讀取電流造成很大的影響，因?yàn)椴东@電子只分布在靠近漏極130附近狹窄的一段區(qū)域內(nèi)，且讀取操作時(shí)漏極130的耗盡區(qū)會(huì)貫穿這一狹窄的電荷捕獲區(qū)域。
再參考圖8，在所述柵極170和N阱110上施加選通電壓，在所述源極120上施加第一讀取電壓0V，在所述漏極130上施加第二讀取電壓。其中，所述選通電壓與第二讀取電壓的電壓值相同，其均為Vcc，其電壓值可以為1.6V 2V。在施加上述電壓后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)靠近漏極130處的bit2的數(shù)據(jù)的讀取。圖8所示的讀取操作與圖7所示的讀取操作的原理相類似。具體地，當(dāng)施加圖8所示的各種電壓之后，靠近漏極130上方的電荷捕獲層150中存有捕獲電子時(shí)，SONOS器件的閾值電壓的絕對(duì)值降低，成為一個(gè)導(dǎo)通狀態(tài)的PMOS管，因而會(huì)在所述源極120上讀到一個(gè)較大的負(fù)電流，其絕對(duì)值大于預(yù)設(shè)的參考電流閾值，此時(shí)所述靠近漏極130的bit2處數(shù)據(jù)為“0”;反之，若靠近漏極130上方的電荷捕獲層150中沒(méi)有捕獲電子時(shí)，SONOS器件的閾值電壓的絕對(duì)值增加，成為一個(gè)關(guān)斷狀態(tài)的PMOS管，因而在源極120上讀到的電流將小于預(yù)設(shè)的參考電流閾值，此時(shí)所述靠近漏極130的bit2處數(shù)據(jù)為“I”。同樣，此時(shí)無(wú)論SONOS存儲(chǔ)單元靠近源極120上方的電荷捕獲層150中是否存有捕獲電子都不會(huì)對(duì)源極讀取電流造成很大的影響。
需要說(shuō)明的是，以上關(guān)于對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀取操作的各種電壓的設(shè)置僅為舉例說(shuō)明，其不應(yīng)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，在其他實(shí)施例中，還可以對(duì)選通電壓、第二偏置電壓、第一讀取電壓以及第二讀取電壓進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置。8所示的讀取方法中，施加在SONOS存儲(chǔ)單元上的電壓值較小，因此，在制造SONOS存儲(chǔ)器時(shí)，就不再需要制造額外的高壓器件，這樣就可以簡(jiǎn)化工藝，減小存儲(chǔ)器的尺寸。另一方面，圖疒圖8所示的操作中，所述SONOS存儲(chǔ)單元中源極120和漏極130之間的溝道始終處于關(guān)斷狀態(tài)，因此不會(huì)在其中形成電流，進(jìn)而可以減小存儲(chǔ)器讀取時(shí)的功耗。本發(fā)明雖然已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并不是用來(lái)限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動(dòng)和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種SONOS存儲(chǔ)單元，其特征在于，包括P型襯底；位于所述P型襯底內(nèi)的N阱；位于所述N阱上的疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)由下至上依次包括隧穿介質(zhì)層、電荷捕獲層和頂部介質(zhì)層；位于所述頂部介質(zhì)層上的柵極；以及位于所述N阱內(nèi)、在所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)且均為P型摻雜的源極和漏極。
2.—種權(quán)利要求I所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，包括在所述SONOS存儲(chǔ)單元的N阱、柵極、源極和漏極施加操作電壓。
3.如權(quán)利要求2所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述操作方法包括編程方法，所述編程方法包括在所述N阱施加第一偏置電壓，在所述柵極上施加第一編程電壓，在所述源極上施加第二編程電壓，在所述漏極上施加第三編程電壓；其中，所述第一偏置電壓、第二編程電壓、第三編程電壓均小于所述第一編程電壓。
4.如權(quán)利要求3所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述第一編程電壓為正向編程電壓，所述第二編程電壓為負(fù)向編程電壓，所述第三編程電壓大于所述負(fù)向編程電壓且小于或者等于第一偏置電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近源極部分的編程操作。
5.如權(quán)利要求4所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述正向編程電壓為3V飛V，所述負(fù)向編程電壓為-4疒-7V，并且所述正向編程電壓與所述負(fù)向編程電壓之間的電壓差為9V 13V ;所述第一偏置電壓和所述第三編程電壓均為0V。
6.如權(quán)利要求3所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述第一編程電壓為正向編程電壓，所述第三編程電壓為負(fù)向編程電壓，所述第二編程電壓大于所述負(fù)向編程電壓且小于或者等于第一偏置電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近漏極部分的編程操作。
7.如權(quán)利要求6所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述正向編程電壓為3V飛V，所述負(fù)向編程電壓為-4疒-7V，并且所述正向編程電壓與所述負(fù)向編程電壓之間的電壓差為9V 13V ;所述第二編程電壓和第一集偏置電壓均為0V。
8.如權(quán)利要求2所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述操作方法包括擦除方法，所述擦除方法包括在所述柵極上施加負(fù)向擦除電壓，在所述源極、漏極和N阱上施加相同的正向擦除電壓。
9.如權(quán)利要求8所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述正向擦除電壓為3V 7V，所述負(fù)向擦除電壓為-4疒-7V，并且所述正向擦除電壓與所述負(fù)向擦除電壓之間的電壓差為9V 14V。
10.如權(quán)利要求2所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述操作方法包括讀取方法，所述讀取方法包括在所述柵極上施加選通電壓，在所述N阱上施加第二偏置電壓，在所述源極上施加第一讀取電壓，在所述漏極上施加第二讀取電壓。
11.如權(quán)利要求10所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述選通電壓、第二偏置電壓與第一讀取電壓均為正向讀取電壓且電壓值相同，所述第二讀取電壓小于所述正向讀取電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近源極部分的讀取操作。
12.如權(quán)利要求11所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述正向讀取電壓為I. 6V^2V ;所述第二讀取電壓為0V。
13.如權(quán)利要求10所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述選通電壓、第二偏置電壓與第二讀取電壓均為正向讀取電壓且電壓值相同，所述第一讀取電壓小于所述正向讀取電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元中靠近漏極部分的讀取操作。
14.如權(quán)利要求13所述的SONOS存儲(chǔ)單元的操作方法，其特征在于，所述正向讀取電壓為I. 6V^2V ;所述第一讀取電壓為0V。
15.一種SONOS存儲(chǔ)器，其特征在于，包括由SONOS存儲(chǔ)單元組成的存儲(chǔ)陣列以及外圍電路；所述SONOS存儲(chǔ)單元包括P型襯底；位于所述P型襯底內(nèi)的N阱；位于所述N阱上的疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)由下至上依次包括隧穿介質(zhì)層、電荷捕獲層和頂部介質(zhì)層；位于所述頂部介質(zhì)層上的柵極；位于所述N阱內(nèi)、在所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)且均為P型摻雜的源極和漏極；所述SONOS存儲(chǔ)單元的柵極與字線相連；所述SONOS存儲(chǔ)單元的源極和漏極分別與不同的位線相連；所述外圍電路分別與所述字線、位線以及SONOS存儲(chǔ)單元的N阱相連，用于提供各種操作電壓以實(shí)現(xiàn)對(duì)SONOS存儲(chǔ)單元的各種操作。
16.如權(quán)利要求15所述的SONOS存儲(chǔ)器，其特征在于，所述SONOS存儲(chǔ)單元中的電荷捕獲層為氮化硅、二氧化鉿或二氧化鈦的一種。
17.如權(quán)利要求15所述的SONOS存儲(chǔ)器，其特征在于，所述外圍電路包括編程電壓提供單元、擦除電壓提供單元和讀取電壓提供單元； 所述編程電壓提供單元用于向SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供第一偏置電壓；向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的所述字線提供第一編程電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線提供第二編程電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線提供第三編程電壓； 所述擦除電壓提供單元用于向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的字線提供負(fù)向擦除電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線、SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線以及SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供相同的正向擦除電壓； 所述讀取電壓提供單元用于向與SONOS存儲(chǔ)單元的柵極相連的字線提供選通電壓，向SONOS存儲(chǔ)單元的N阱提供第二偏置電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的源極相連的位線提供第一讀取電壓，向與SONOS存儲(chǔ)單元的漏極相連的位線提供第二讀取電壓。
全文摘要
SONOS存儲(chǔ)單元及其操作方法、SONOS存儲(chǔ)器。所述SONOS存儲(chǔ)單元包括P型襯底；位于所述P型襯底內(nèi)的N阱；位于所述N阱上的疊層結(jié)構(gòu)，所述疊層結(jié)構(gòu)由下至上依次包括隧穿介質(zhì)層、電荷捕獲層和頂部介質(zhì)層；位于所述頂部介質(zhì)層上的柵極；位于所述N阱內(nèi)、在所述疊層結(jié)構(gòu)兩側(cè)且均為P型摻雜的源極和漏極；所述方法包括在所述N阱施加第一偏置電壓，在柵極上施加第一編程電壓，在源極上施加第二編程電壓，在漏極上施加第三編程電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所述SONOS存儲(chǔ)單元的編程操作；其中，所述第一偏置電壓、第二編程電壓、第三編程電壓均小于所述第一編程電壓。本發(fā)明的SONOS存儲(chǔ)單元可實(shí)現(xiàn)低功耗編程，且在一個(gè)存儲(chǔ)單元中可存儲(chǔ)兩位數(shù)據(jù)，有效提高了其存儲(chǔ)容量。
文檔編號(hào)G11C16/06GK102709291SQ20121016170
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月22日
發(fā)明者張博, 莘海維 申請(qǐng)人:上海宏力半導(dǎo)體制造有限公司