專利名稱：具有多重閘極絕緣層的非揮發(fā)性存儲器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種非揮發(fā)性存儲器組件；特別是有關(guān)于一種具有多重閘極絕緣層構(gòu)造的非揮發(fā)性存儲器組件。
背景技術(shù)：
使用于微處理器的半導體存儲器組件通常為揮發(fā)性的。在電源供應(yīng)中斷時，儲存于此存儲器組件的數(shù)據(jù)會完全流失。一種解決方法是使用分開的備用供應(yīng)電源或備用存儲器，例如一電池電源或電容儲存器。另一解決方法是使用非揮發(fā)性存儲器組件。此非揮發(fā)性存儲器組件于電源供應(yīng)中斷時，儲存的數(shù)據(jù)并不會流失。
現(xiàn)有的非揮發(fā)性存儲器組件是屬電荷捕捉裝置。其具體例子包括金屬-氮化物-氧化物-半導體(MNOS)存儲器組件、硅-氮化物-氧化物-半導體(SNOS)存儲器組件及硅-氧化物-氮化物-氧化物-半導體(SONOS)存儲器組件。
典型的金屬-氮化物-氧化物-半導體(MNOS)存儲器組件如圖1所示。金屬-氮化物-氧化物-半導體(MNOS)存儲器組件1包括一半導體基底10、形成于半導體基底10中的一源極/汲極11、位于一對源極/汲極11之間的一通道區(qū)12、形成于通道區(qū)12上方的一二氧化硅層13、形成于二氧化硅層13上的一氮化硅層14及形成于氮化硅層14上的一鋁閘極15。
此金屬-氮化物-氧化物-半導體(MNOS)存儲器組件1于執(zhí)行寫入操作時，一正電壓是施予在閘極上，以使一電場橫跨上述四疊層(10、13、14、15)，進而于半導體基底10的表面產(chǎn)生熱電子。此些熱電子將進行佛勒-諾罕(Fowler-Nordheim)穿透效應(yīng)或直接穿透效應(yīng)(direct tunneling)，穿越二氧化硅層13，而被捕捉于二氧化硅層13與氮化硅層14之間的界面。
執(zhí)行清除操作時，一負電壓是施予在閘極上，使陷于上述二層界面間的電子可進行反方向的佛勒-諾罕(Fowler-Nordheim)穿透效應(yīng)或反方向的直接穿透效應(yīng)(directtunneling)，穿越二氧化硅層13，進入半導體基底10。這樣，電子從二氧化硅層13與氮化硅層14之間的界面射出。
執(zhí)行寫入操作時，雖然大多數(shù)的熱電子是被捕捉于二氧化硅層13與氮化硅層14之間的界面，但少數(shù)的熱電子傾向于穿入氮化硅層14。穿入氮化硅層14的熱電子造成非必要的電場。即使未有電壓施予在閘極上，此非必要的電場會趨使陷于二氧化硅層13與氮化硅層14之間的界面的電子，通過反方向穿透效應(yīng)穿越二氧化硅層13而逐漸射出。此一現(xiàn)象使二氧化硅層13與氮化硅層14之間界面的數(shù)據(jù)電子不易被捕捉于此界面，或使此類型的存儲器組件無法長時間儲存數(shù)據(jù)。
為了改善金屬-氮化物-氧化物-半導體(MNOS)存儲器組件1的電荷占留特性(charge retention)，于是有多晶硅-氮化物-氧化物-半導體(SNOS)存儲器組件產(chǎn)生。此多晶硅-氮化物-氧化物-半導體(SNOS)存儲器組件是以低壓化學氣相沉積法沉積氮化物層，并采用氫氣回火(hydrogen annealing)方式以提高氮化物層與氧化物層之間的界面特性。此多晶硅-氮化物-氧化物-半導體(SNOS)存儲器組件的占留特性是隨著氮化物層厚度的減少而提高。但當?shù)飳雍穸葴p少時，同時增進了閘極電極的空穴射出效應(yīng)。為了解決此一問題，是在閘極電極與氮化物層之間形成一頂部氧化物層，因此發(fā)展出多晶硅-氧化物-氮化物-氧化物-半導體(SONOS)存儲器組件。
圖2所示是為一典型的多晶硅-氧化物-氮化物-氧化物-半導體(SONOS)存儲器組件2，它包括一半導體基底20、形成于半導體基底20中的一源極/汲極21、位于一對源極/汲極21之間的一通道區(qū)22、形成于通道區(qū)22上方的一底部二氧化硅層23、形成于底部二氧化硅層23上的一中間氮化硅層24、形成于中間氮化硅層24上的一頂部二氧化硅層25及形成于頂部二氧化硅層25上的一多晶硅閘極26。借助電子佛勒-諾罕(Fowler-Nordheim)穿透效應(yīng)，電子從半導體基底20穿入中間氮化硅層24，以執(zhí)行寫入操作；而借助空穴佛勒-諾罕(Fowler-Nordheim)穿透效應(yīng)，空穴從多晶硅閘極26穿入中間氮化硅層24，以執(zhí)行清除操作。以佛勒-諾罕(Fowler-Nordheim)穿透效應(yīng)執(zhí)行寫入操作的一主要缺點是必須施加高電場。此一施加的高電場對元件的可靠度(reliability)及耐久性(endurance characteristic)有非常重要的影響。以佛勒-諾罕(Fowler-Nordheim)穿透效應(yīng)執(zhí)行寫入操作也需要花較長時間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種具有多重閘極絕緣層的非揮發(fā)性存儲器組件，其中電子與空穴對于底部氮化硅層皆具有低能障，以提供高效率的熱載子射出以執(zhí)行數(shù)據(jù)的寫入與清除操作；可提高儲存于中間氮化硅層的電子數(shù)據(jù)的占留特性；以及其中氮化硅層的高介電常數(shù)可使本發(fā)明存儲器組件縮小化。
根據(jù)以上所述的目的，根據(jù)本發(fā)明一方面的多層結(jié)構(gòu)，其特點是它包括一半導體層；一第一氮化硅層，是形成于該半導體層上，該第一氮化硅層具有一第一厚度；一第二氮化硅層，是形成于該第一氮化硅層上，該第二氮化硅層具有一第二厚度；一第三氮化硅層，是形成于該第二氮化硅層上，該第三氮化硅層具有一第三厚度；以及一導電性層，是形成于該第三氮化硅層上，當一電場施予在該半導體層與該導電性層之間時，熱載子是從該半導體層直接穿越該第一氮化硅層并被捕捉于該第二氮化硅層內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明另一方面的具有多層閘極絕緣層的非揮發(fā)性半導體存儲器組件，其特點是它包括具有一第一導電性的一半導體基底；具有電性與該第一導電性相反的一第二導電性的一源極/汲極，該源極/汲極是位于該半導體基底的一表面上；一通道區(qū)，是位于該源極與該汲極之間的該半導體基底的該表面上；一第一氮化硅層，是形成于該通道區(qū)上方；一第二氮化硅層，是形成于該第一氮化層上；一第三氮化硅層，是形成于該第二氮化硅層上；以及一閘極，是形成于該第三氮化硅層上，當一電場施予在該閘極與該汲極之間時，熱載子是從該半導體基底直接穿越該第一氮化硅層并被捕捉于該第二氮化硅層內(nèi)。
為更清楚理解本發(fā)明的目的、特點和優(yōu)點，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細說明。


圖1是一現(xiàn)有的MNOS類非揮發(fā)性存儲器組件的截面示意圖；圖2是一現(xiàn)有的SONOS類非揮發(fā)性存儲器組件的截面示意圖；圖3是本發(fā)明的一SNNNS類非揮發(fā)性存儲器組件的截面示意圖；以及圖4是配合圖3的閘極結(jié)構(gòu)的電子及空穴能障示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種具有新閘極結(jié)構(gòu)的一非揮發(fā)性半導體存儲器組件。此閘極結(jié)構(gòu)包含互相堆棧的三層同材質(zhì)絕緣層。第一絕緣層是形成于一半導體基底上及一第二絕緣層是形成第一絕緣層上。一第三絕緣層是形成于第二絕緣層上及供作閘極的一導電性層是形成于第三絕緣層上。本發(fā)明的非揮發(fā)性存儲器組件可以是N通道非揮發(fā)性存儲器晶體管組件或P通道非揮發(fā)性存儲器晶體管組件。
本發(fā)明將根據(jù)以下一具體實施例進行詳細說明。本發(fā)明所提供具有多晶硅-氮化硅-氮化硅-氮化硅-半導體(SNNNS)多層結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器組件3，如圖3所示。一半導體基底包含有一P型硅基底30。一對互相隔開一段距離的N+埋入擴散區(qū)形成于P型硅基底30中，以供作源極/汲極31。一N通道32是位于源極/汲極31之間的P型硅基底30中。具有厚度約40～100埃的一第一氮化硅層33形成于N通道32上方。具有厚度約40～100埃的一第二氮化硅層34形成于第一氮化硅層33上。具有厚度約40～100埃的一第三氮化硅層35形成于第二氮化硅層34上。一導電性層，例如一多晶硅層36，形成于第三氮化硅層35上。第二氮化硅層34是供作一電荷捕捉層(charge trapping layer)，而第一氮化硅層33及第三氮化硅層35是供作穿透層(tunneling layers)。
借助汲極端的通道熱電子射出經(jīng)過底部穿透層，即第一氮化硅層33，進入中間捕捉層，即第二氮化硅層34，執(zhí)行本發(fā)明的多晶硅-氮化硅-氮化硅-氮化硅-半導體(SNNNS)類非揮發(fā)性存儲器組件3的數(shù)據(jù)寫入操作。本發(fā)明的數(shù)據(jù)寫入操作執(zhí)行步驟如下施予第一操作電壓于多晶硅層36與硅基底30之間以打開N通道32，及施予第二操作電壓于汲極端31與源極端31之間，以誘發(fā)一電流及產(chǎn)生熱電子。這些熱電子是通過第一氮化硅層33射入第二氮化硅層34。較佳地，第一操作電壓約為6～10伏特、第二操作電壓約為2.5～5伏特及硅基底30與源極皆接地。借助佛勒-諾罕(Fowler-Nordheim)通道冷空穴效應(yīng)執(zhí)行本發(fā)明多晶硅-氮化硅-氮化硅-氮化硅-半導體(SNNNS)類非揮發(fā)性存儲器組件3的數(shù)據(jù)清除操作；它是由N通道32射出冷空穴穿經(jīng)第一氮化硅層33進入第二氮化硅層34。本發(fā)明的數(shù)據(jù)清除操作條件如下施予一正偏壓(positive bias)于硅基底30及一負偏壓(negative bias)于多晶硅層36，以產(chǎn)生佛勒-諾罕(Fowler-Nordheim)通道冷空穴通過第一氮化硅層33穿入第二氮化硅層34。較佳地，多晶硅層36的偏壓為約-6～10伏特及硅基底30的偏壓為約0～5伏特。
圖4是電子與空穴相對于第一氮化硅層33的能障示意圖。供作底部穿透層的第一氮化硅層33提供給電子的能障約2.1電子伏特，它低于二氧化硅層提供給電子的約3.2電子伏特的能障。第一氮化硅層33提供給空穴的能障約1.9伏特，其也低于二氧化硅層提供給空穴的約4.8電子伏特的能障。據(jù)此，本發(fā)明的多晶硅-氮化硅-氮化硅-氮化硅-半導體(SNNNS)類非揮發(fā)性存儲器組件3使用第一氮化硅層33供作底部穿透層，對于數(shù)據(jù)的寫入與清除操作，可提供高效率的熱載子射出。此外，第一氮化硅層33具有高介電常數(shù)，有利于本發(fā)明的存儲器組件的縮小化，以降低數(shù)據(jù)寫入與清除操作的操作電壓。本發(fā)明的多晶硅-氮化硅-氮化硅-氮化硅-半導體(SNNNS)類非揮發(fā)性存儲器組件3的功率消耗也可降低。
供作頂部穿透層的第三氮化硅層35具有良好品質(zhì)及非常少的捕捉中心(traps)，熱電子將不容易穿入第三氮化硅層35。因此，可避免由于熱電子穿入及陷于第三氮化硅層35所引起的不必要電場。儲存于電荷捕捉層即第二氮化硅層34的電子數(shù)據(jù)的占留特性(retention characteristic)因此可獲得改善。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并非用以限定本發(fā)明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或等效替換，均應(yīng)包含在下述權(quán)利要求書所限定的專利申請范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多層結(jié)構(gòu)，其特征在于它包括一半導體層；一第一氮化硅層，是形成于該半導體層上，該第一氮化硅層具有一第一厚度；一第二氮化硅層，是形成于該第一氮化硅層上，該第二氮化硅層具有一第二厚度；一第三氮化硅層，是形成于該第二氮化硅層上，該第三氮化硅層具有一第三厚度；以及一導電性層，是形成于該第三氮化硅層上，當一電場施予在該半導體層與該導電性層之間時，熱載子是從該半導體層直接穿越該第一氮化硅層并被捕捉于該第二氮化硅層內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第一氮化硅層的該第一厚度約為40～100埃。
3.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第二氮化硅層的該第二厚度約為40～100埃。
4.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第三氮化硅層的第三厚度約為40～100埃。
5.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的導電性層包含多晶硅。
6.一種具有多層閘極絕緣層的非揮發(fā)性半導體存儲器組件，其特征在于，它包括具有一第一導電性的一半導體基底；具有電性與該第一導電性相反的一第二導電性的一源極/汲極，該源極/汲極是位于該半導體基底的一表面上；一通道區(qū)，是位于該源極與該汲極之間的該半導體基底的該表面上；一第一氮化硅層，是形成于該通道區(qū)上方；一第二氮化硅層，是形成于該第一氮化層上；一第三氮化硅層，是形成于該第二氮化硅層上；以及一閘極，是形成于該第三氮化硅層上，當一電場施予在該閘極與該汲極之間時，熱載子是從該半導體基底直接穿越該第一氮化硅層并被捕捉于該第二氮化硅層內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的組件，其特征在于，所述的第一導電性是為N型及P型導電性之一。
8.如權(quán)利要求6所述的組件，其特征在于，所述的第一氮化硅層的厚度約為40～100埃。
9.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第二氮化硅層的厚度約為40～100埃。
10.如權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的第三氮化硅層的厚度約為40～100埃。
全文摘要
一種具有多重閘極絕緣層的非揮發(fā)性存儲器組件,它包括形成于閘極與通道區(qū)域之間的一閘極絕緣層構(gòu)造。此閘極絕緣層構(gòu)造包括一頂部氮化硅層、一中間氮化硅層及一底部氮化硅層。當電場施予閘極與通道區(qū)域一側(cè)的汲極區(qū)時,熱載子從汲極區(qū)直接穿越底部氮化硅層以執(zhí)行寫入/清除的操作。從汲極區(qū)直接穿越底部氮化硅層的熱載子是被捕捉于中間氮化硅層。
文檔編號H01L27/112GK1423338SQ01143000
公開日2003年6月11日 申請日期2001年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月5日
發(fā)明者范左鴻, 盧道政, 潘正圣, 汪大軍 申請人:旺宏電子股份有限公司