專利名稱：非易失性內(nèi)存及其制作工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非易失性內(nèi)存及其制作工藝。
非易失性內(nèi)存(nonvolatile memory)的應(yīng)用已日趨普遍，例如電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)，按塊擦除存儲(chǔ)器(Flash memory)等即是。
請(qǐng)參見

圖1。常見的非易失性內(nèi)存的結(jié)構(gòu)有浮動(dòng)?xùn)叛趸?FLOTOX)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，其基本上是在控制柵極21與基極(substrate)25之間施加一足以使氧化層產(chǎn)生Fowler-Nordheim(F-N)穿隧效應(yīng)的電壓，通過電子自汲極24經(jīng)穿隧氧化層26(tunneling oxide)穿隧至浮動(dòng)?xùn)艠O22內(nèi)，提升臨界電壓，以達(dá)到抹除(erase)數(shù)據(jù)的目的。并且可以將電子從復(fù)晶硅浮動(dòng)?xùn)艠O22中穿過隧穿氧化層26吸到汲極24中，以降低晶體管的臨界電壓，達(dá)到寫入數(shù)據(jù)的目的。
請(qǐng)參見圖2。另一種SONOS非易失性存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)原理與上述相近，在柵極71下方有二層氧化層74，75及一層氮化物層73。當(dāng)寫入程序(program)數(shù)據(jù)的時(shí)候，在柵極71與井區(qū)(well)72間加一高電壓，從井區(qū)72吸附電子至氮化物層(Nitride)73，而在抹除(erase)時(shí)，則可將柵極71接地，施與井區(qū)72(well)一高電壓，使空穴(holes)注入氮化物層(Nitride)73與電子產(chǎn)生電性中和的效果。這樣則可通過改變臨界電壓Vt(threshold voltage)達(dá)到寫入/抹除存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的目的。
在非易失性內(nèi)存中，條件最惡劣的存儲(chǔ)單元(cell)通常扮演重要的角色。只要它失效(fail)，整個(gè)內(nèi)存就失效。也就是說，只要有一個(gè)存儲(chǔ)單元其存儲(chǔ)時(shí)間(retention time)或持久力(endurance)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，則整個(gè)芯片(chip)就提早失效。
一般而言，F(xiàn)LOTOX存儲(chǔ)元件失效的主要原因在于穿隧氧化層的品質(zhì)。若其品質(zhì)不良，則浮動(dòng)?xùn)胖袩o法儲(chǔ)存電荷，這樣將造成數(shù)據(jù)的流失。而穿隧氧化層的缺陷(defect)往往隨機(jī)出現(xiàn)，故為了提高儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的正確性，常使用多個(gè)FLOTOX存儲(chǔ)元件儲(chǔ)存單一數(shù)據(jù)。
請(qǐng)參見圖3。以Q-cell為例(請(qǐng)參見范庫等人[41]，SEEQ 1988，電氣及電子工程師學(xué)會(huì)許可(with permission of IEEE)，其一個(gè)存儲(chǔ)單元是由二串聯(lián)存儲(chǔ)元件11所組成。其原理主要利用感應(yīng)放大器(sense Amplifier)作為分壓的判別，除非二個(gè)串聯(lián)組件都失效(fail)，不然數(shù)據(jù)依然正確。借此雖可提高數(shù)據(jù)正確性，但是存儲(chǔ)單元尺寸(cell size)較大。
而如何通過結(jié)合傳統(tǒng)的FLOTOX結(jié)構(gòu)與SONOS結(jié)構(gòu)，使之具有如圖1的高可靠度度且同時(shí)又能降低組件的大小，是為本發(fā)明所關(guān)注者。
本發(fā)明的目的是提供一種具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)的非易失性內(nèi)存及其制作工藝，可以實(shí)現(xiàn)提供寬廣的寫入/抹除臨界電壓差(write/erase threshold voltage window)；延長非易失性存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)時(shí)間及持久力；提升可靠度及減少組件體積；增加抗輻射的作用；制造過程與傳統(tǒng)FLOTOX制作工藝相近。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明一方面的非易失性內(nèi)存，其特點(diǎn)是它包括一半導(dǎo)體基板；一氧化層/氮化物層/氧化層(ONO)的復(fù)合介電層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一浮動(dòng)?xùn)?，是形成于所述氧化?氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層上；以及一控制柵，是形成于所述浮動(dòng)?xùn)派稀?br> 其中，所述半導(dǎo)體基板是為一源極及汲極已成型的基板，具一通道(channel)，位于其源極及汲極之間，而所述ONO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)即形成于所述源極及汲極已成型的基板的通道(Channel)上與所述浮動(dòng)?xùn)胖g。
ONO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的第一氧化層是形成于所述半導(dǎo)體基板上，其氮化物層是形成于所述第一氧化層上，另外第二氧化層則形成于所述氮化物層上。
通過注入若干電子于ONO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)可記錄一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。當(dāng)然，若干電子是注入ONO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的氮化物層。而通過注入若干空穴于ONO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)可抹除(erase)所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。同理，若干空穴是注入ONO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的氮化物層。
當(dāng)然，浮動(dòng)?xùn)艠O(floating gate)及所述控制柵極(control gate)之間包括一介電層。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明另一方面提出一種非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特點(diǎn)是，它包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基板；形成一氧化層/氮化物層/氧化層(ONO)的復(fù)合介電層于所述半導(dǎo)體基板上；形成一浮動(dòng)?xùn)艠O于所述氧化層/氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層上；以及形成一控制柵極于所述浮動(dòng)?xùn)艠O上。
本發(fā)明由于形成一ONO復(fù)合介電層在半導(dǎo)體基板通道及浮動(dòng)?xùn)胖g，可使非易失性內(nèi)存的尺寸縮小并提高可靠度。
為更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1是現(xiàn)有的非易失性內(nèi)存的結(jié)構(gòu)；
圖2是現(xiàn)有的SONOS結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是現(xiàn)有的二個(gè)存儲(chǔ)元件的存儲(chǔ)單元的示意圖；圖4是本發(fā)明在FLOTOX結(jié)構(gòu)中寄生一ONO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖5是本發(fā)明配合表一及表二的電路圖；圖6(a)至圖6(e)是本發(fā)明制作工藝過程的示意圖；圖7是另一種適用于本發(fā)明的FLOTOX結(jié)構(gòu)的示意圖。
在圖1中，若將斜線部份的厚氧化層23置換為氧化層/氮化物層/氧化層(ONO)(Oxide/Nitride/Oxide)的復(fù)合介電層，則于Flotox存儲(chǔ)單元中形成一SONOS存儲(chǔ)單元。這樣則可得1.寬廣的寫入/抹除臨界電壓差(write/erase threshold voltage window)。
2.存儲(chǔ)時(shí)間(retention time)及持久力(endurance)可以延長。
3.增加抗輻射的作用。
在圖4中，將ONO復(fù)合介電層31形成在半導(dǎo)體基板25及浮動(dòng)?xùn)艠O22之間。ONO復(fù)合介電層31包括氧化層51，53及氮化物層52，其事實(shí)上為一存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以通過電子/空穴注入氮化物層52的方式，達(dá)到寫入/抹除數(shù)據(jù)的目的。這樣一來，當(dāng)ONO復(fù)合介電層31與浮動(dòng)?xùn)艠O22用來儲(chǔ)存相同數(shù)據(jù)時(shí)，一方面可具有圖3優(yōu)點(diǎn)，提高可靠度，另一方面亦可達(dá)縮小組件體積的效果。
若另外加一個(gè)步驟，使源極端的穿隧氧化層加厚，則其源極與相鄰存儲(chǔ)單元(adjacent cell)可共享。電路如圖5所示。
表一為圖5的一操作條件，所示的數(shù)值只為一參考值，可以利用調(diào)整耦合比(Coupling ratio)加以改變，并非一成不變。
同時(shí)可以調(diào)整ONO復(fù)合介電層的大容量氧化層(bulk oxide)厚度及浮動(dòng)?xùn)艠O(floating gate)的穿隧氧化層(tunneling oxide)使其操作電壓(operationvoltage)大致相同。
圖4中的非易失性存儲(chǔ)器的制造方法如下(a)如圖6(a)，首先于半導(dǎo)體基板上形成氧化層/氮化物層/氧化層(ONO)(Oxide/Nitride/Oxide)復(fù)合介電層。第一氧化層51厚度為20-50，氮化物層52形成于第一氧化層51的上，接著形成第二氧化層53，厚約50。
(b)如圖6(b)，接著置一氮化物隔墊(Spacer)54，并施行離子植入(implantation)。
(c)如圖6(c)，接著形成一濕氧化層55(wet oxide)。
(d)如圖6(d)，接著去除氮化物隔墊(Nitride Spacer)54，并沉積穿隧氧化層56，厚約80~150。
(e)如圖6(e)，最后依序形成浮動(dòng)?xùn)艠O22，介電層(dielectric)57，控制柵(control gate)21。
本發(fā)明主要的特點(diǎn)在于一、傳統(tǒng)Flotox結(jié)構(gòu)中的厚氧化層部份以O(shè)NO復(fù)合介電層代替。
二、此外，若利用適當(dāng)?shù)慕泳€，此存儲(chǔ)單元可作為多態(tài)(multi-state)使用(將ONO復(fù)合介電層，浮動(dòng)?xùn)欧謩e寫入程序(program))。
三、其次，本發(fā)明亦適用于如圖7所示的另一種Flotox結(jié)構(gòu)。同理，圖7的flotox結(jié)構(gòu)，亦可于厚氧化層23部份，形成一ONO復(fù)合介電層，即可達(dá)到改進(jìn)的效果。
另外值得一提的是，本發(fā)明所提出數(shù)組(array)的結(jié)構(gòu)，是為一或非(NOR)存儲(chǔ)單元。所列的操作條作(operation condition)可以通過改變穿隧氧化層及ONO復(fù)合介電層各層的厚度或其形狀(耦合比，coupling ratio)加以調(diào)整，并非加以限定。
關(guān)于ONO復(fù)合介電層，其中穿隧氧化層的厚度約為20~60，氮物層厚度約為20~100，厚氧化層的厚度約為20~500。
另外，關(guān)于存儲(chǔ)單元的操作，亦可分別操作浮動(dòng)?xùn)?floating gate)、SONOS結(jié)構(gòu)，例如先操作SONOS部份再操作floating gate部份。O/N/O(20/85/50)其操作電壓可通過改變氮化物層及厚氧化層的厚度改變的。SONOS及floating gate的操作條件如表二、表三所示。
由上述的圖解及說明可知，本發(fā)明的新穎性在于形成一ONO復(fù)合介電層在半導(dǎo)體基板通道及浮動(dòng)?xùn)胖g，進(jìn)步性則是通過結(jié)構(gòu)上的改變，達(dá)到縮小尺寸及增加可靠度等效用。
表一
表二SONOS操作條件
表三浮動(dòng)?xùn)艠O的操作條件
權(quán)利要求
1.一種非易失性內(nèi)存，其特征在于，它包括一半導(dǎo)體基板；一氧化層/氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一浮動(dòng)?xùn)?，是形成于所述氧化?氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層上；以及一控制柵，是形成于所述浮動(dòng)?xùn)派稀?br> 2.如權(quán)利要求1所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述半導(dǎo)體基板為一源極及汲極已成型的基板。
3.如權(quán)利要求2所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述源極及汲極已成型的基板具有一通道，所述通道是位于其源極及汲極之間。
4.如權(quán)利要求3所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是形成于所述源極及汲極已成型的基板的通道上與所述浮動(dòng)?xùn)胖颉?br> 5.如權(quán)利要求4所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括一第一氧化層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一氮化物層，是形成于所述第一氧化層上；以及一第二氧化層，是形成于所述氮化物層上。
6.如權(quán)利要求1所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)通過注入若干電子于氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以記錄一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
7.如權(quán)利要求6所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述ONO存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是包括一第一氧化層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一氮化物層，是形成于所述第一氧化層上；以及一第二氧化層，是形成于所述氮化物層上。
8.如權(quán)利要求7所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述氮化物層是用以注入所述若干電子于氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以記錄所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
9.如權(quán)利要求6所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)更通過注入若干空穴于氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以抹除所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
10.如權(quán)利要求9所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括一第一氧化層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一氮化物層，是形成于所述第一氧化層上；以及一第二氧化層，是形成于所述氮化物層上。
11.如權(quán)利要求10所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述氮化物層用以注入所述若干空穴于氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以抹除所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
12.如權(quán)利要求1所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述浮動(dòng)?xùn)艠O及所述控制柵極之間包括一介電層。
13.如權(quán)利要求1所述的非易失性內(nèi)存，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括一第一氧化層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一氮化物層，是形成于所述第一氧化層上；以及一第二氧化層，是形成于所述氮化物層上。
14.一種非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，它包括下列步驟提供一半導(dǎo)體基板；形成一氧化層/氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層于所述半導(dǎo)體基板上；形成一浮動(dòng)?xùn)艠O于所述氧化層/氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層上；以及形成一控制柵極于所述浮動(dòng)?xùn)艠O上。
15.如權(quán)利要求14所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述半導(dǎo)體基板為一源極及汲極已成型的基板。
16.如權(quán)利要求15所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述源極及汲極已成型的基板具有一通道，所述通道是位于其源極及汲極之間。
17.如權(quán)利要求16所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是形成于所述源極及汲極已成型的基板的通道上與所述浮動(dòng)?xùn)胖g。
18.如權(quán)利要求17所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括一第一氧化層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一氮化物層，是形成于所述第一氧化層上；以及一第二氧化層，是形成于所述氮化物層上。
19.如權(quán)利要求14所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是通過注入若干電子于氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以記錄一數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
20.如權(quán)利要求19所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括一第一氧化層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一氮化物層，是形成于所述第一氧化層上；以及一第二氧化層，是形成于所述氮化物層上。
21.如權(quán)利要求20所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氮化物層用以注入所述若干電子于氧化層/氮化物層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以記錄所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
22.如權(quán)利要求19所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)還通過注入若干空穴于氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以抹除所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
23.如權(quán)利要求22所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括一第一氧化層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一氮化物層，是形成于所述第一氧化層上；以及一第二氧化層，是形成于所述氮化物層上。
24.如權(quán)利要求23所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氮化物層是用以注入所述若干空穴于氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)以抹除所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
25.如權(quán)利要求14所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述浮動(dòng)?xùn)艠O及所述控制柵極之間包括一介電層。
26.如權(quán)利要求14所述的非易失性內(nèi)存的制作工藝，其特征在于，所述氧化層/氮化物層/氧化層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)包括一第一氧化層，是形成于所述半導(dǎo)體基板上；一氮化物層，是形成于所述第一氧化層上；以及一第二氧化層，是形成于所述氮化物層上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非易失性內(nèi)存及其制作工藝,非易失性內(nèi)存包括:一半導(dǎo)體基板;一氧化層/氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層,形成于所述半導(dǎo)體基板上;一浮動(dòng)?xùn)?形成于所述氧化層/氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層上;以及一控制柵,形成于所述浮動(dòng)?xùn)派稀Ｆ渲谱鞴に囀怯趥鹘y(tǒng)的浮動(dòng)?xùn)叛趸さ膬?nèi)存結(jié)構(gòu)中,加入一氧化層/氮化物層/氧化層的復(fù)合介電層,使改進(jìn)后的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)同時(shí)兼具高可靠度與高存儲(chǔ)密度的效果。
文檔編號(hào)H01L21/8242GK1385903SQ0111962
公開日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2001年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月16日
發(fā)明者周國煜 申請(qǐng)人:華邦電子股份有限公司