專(zhuān)利名稱：利用柵極感應(yīng)漏極漏電流的快閃存儲(chǔ)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種快閃存儲(chǔ)器(flash memory)，特別是涉及一種利用柵極感應(yīng)漏極漏電流(gate induced drain leakage-GIDL)的快閃存儲(chǔ)器。
在1980年末期，半導(dǎo)體工業(yè)開(kāi)發(fā)了一種可電除且只讀存儲(chǔ)器(electricallyerasable PROM-EEPROM)，其成本低且密度高，因此開(kāi)創(chuàng)了存儲(chǔ)器市場(chǎng)的新紀(jì)元。而“快閃”(flash)一詞是指它可以在短時(shí)間內(nèi)，比如1秒鐘抹除整個(gè)存儲(chǔ)器陣列的方式。典型的快閃存儲(chǔ)器是通過(guò)熱電子(hotelectron)射向漏極邊緣來(lái)執(zhí)行編碼(programming)，而以富勒-諾得亥姆隧道(Fowler-Nordheimtunneling)效應(yīng)穿透源極來(lái)達(dá)到抹除(erasing)的目的。
因?yàn)榇嫒肟扉W存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元內(nèi)數(shù)據(jù)不會(huì)因電源的中斷而消失，不需周期性地重新再補(bǔ)充，所以快閃存儲(chǔ)器是屬于非揮發(fā)性存儲(chǔ)器。大部分現(xiàn)有的快閃存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元中只存儲(chǔ)一位元，換句話說(shuō)，存儲(chǔ)單元內(nèi)存儲(chǔ)的不是“1”就是“0”。


圖1為現(xiàn)有一種快閃存儲(chǔ)單元的剖視圖，此存儲(chǔ)單元包括由雙堆疊的多晶硅所形成的浮柵101(floating gate)和控制柵103(control gate)。源極區(qū)施加一偏壓Vs，利用兩次的離子植入以形成n-基極與n+結(jié)構(gòu)，而n+結(jié)構(gòu)形成于n-基極之中。在源極區(qū)內(nèi)的n+結(jié)構(gòu)一般是植入磷，其劑量約為1×1014個(gè)原子/cm2。而漏極區(qū)的n+結(jié)構(gòu)是施以一偏壓Vd及植入砷，其劑量約為1×1016個(gè)原子/cm2。一般來(lái)說(shuō)，漏極側(cè)邊不具有輕摻雜的漏極區(qū)結(jié)構(gòu)，以避免靠近漏極側(cè)邊的電場(chǎng)降低，導(dǎo)致在編碼過(guò)程中熱電子的減少，造成編碼速度的降低。而隧道氧化層(tunnel oxide)形成于基底與浮柵101之間，通常隧道氧化層的厚度約為80-120埃。
如圖1所示，其快閃存儲(chǔ)單元的編碼操作是通過(guò)通道熱電子注射(channelhot electron injection)來(lái)執(zhí)行。在編碼操作的過(guò)程中，加入一偏壓使漏極的電壓Vd為7伏特，加入一偏壓使控制柵的電壓Vcg為9-12伏特，以及源極的電壓Vs為接地。而在編碼操作的過(guò)程中，熱電子射向浮柵101中，而其一缺點(diǎn)為通道熱電子注射的效率低，只有少部分的熱電子射向浮柵101中，造成在編碼的過(guò)程中具有相對(duì)大的功率損耗。另外，需要較大的偏壓來(lái)達(dá)到編碼的目的。
在抹除的操作過(guò)程中，利用F-N隧道效應(yīng)穿透源極側(cè)邊來(lái)達(dá)到抹除的目的。在抹除的過(guò)程中，加入一偏壓使漏極的電壓Vd為0伏特，加入一偏壓使源極的電壓Vs為9-12伏特，以及加入一偏壓使控制柵的電壓Vcg為-9-0伏特。因此跨過(guò)隧道氧化層(tunnel oxide)于浮柵101和n-基極的源極重疊部分之間具有一強(qiáng)的電場(chǎng)。浮柵101中的電子將隧道進(jìn)入源極n+結(jié)構(gòu)而被移除。
然而，依上所述，現(xiàn)有的快閃存儲(chǔ)單元需要加入相對(duì)大的偏壓于存儲(chǔ)單元的各個(gè)接點(diǎn)(terminals)，導(dǎo)致相對(duì)高的能量損耗。因此開(kāi)發(fā)低電壓和低功率損耗的快閃存儲(chǔ)單元的操作是必須的。
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于一半導(dǎo)體基底的快閃存儲(chǔ)單元，其可改善現(xiàn)有快閃存儲(chǔ)單元操作的高電壓及高功率消耗的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，即提供一種快閃存儲(chǔ)單元，適用于一半導(dǎo)體基底中，該快閃存儲(chǔ)單元包括一p井，形成于該基底中；一柵極結(jié)構(gòu)，形成于該p井上方，該柵極結(jié)構(gòu)包括一控制柵及一浮柵，且通過(guò)一薄的介電層將該浮柵與該控制柵和該半導(dǎo)體基底電隔離；一n-基極，鄰接該柵極結(jié)構(gòu)的一第一邊緣且延伸至該柵極結(jié)構(gòu)之下，位于該基底中；一p+結(jié)構(gòu)，該p+結(jié)構(gòu)形成于該n-基極之中且鄰接于該柵極結(jié)構(gòu)的該第一邊緣；以及一n+結(jié)構(gòu)，該n+結(jié)構(gòu)與該柵極結(jié)構(gòu)的一第二邊緣相鄰且位于該基底中。此結(jié)構(gòu)可通過(guò)產(chǎn)生自p+結(jié)構(gòu)表面的帶對(duì)帶隧道增強(qiáng)型熱電子(band-to-band tunnelingenhanced hot electrons)，來(lái)執(zhí)行存儲(chǔ)單元的編碼操作。而抹除是利用F-N隧道穿透n-基極區(qū)域來(lái)達(dá)成的。
為了讓本發(fā)明的上述目的、特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下面特舉一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說(shuō)明，附圖中圖1為現(xiàn)有一種快閃存儲(chǔ)單元的剖視圖；圖2為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，一種快閃存儲(chǔ)單元的剖視圖；圖3為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，一種快閃存儲(chǔ)單元編碼方法的剖視圖；圖4為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，一種快閃存儲(chǔ)單元抹除操作的剖視圖；圖5為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，一種快閃存儲(chǔ)單元讀取操作的剖視圖。
請(qǐng)參照?qǐng)D2，其為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例，包括一種n通道快閃存儲(chǔ)單元201的剖面示意圖。快閃存儲(chǔ)單元201包括形成于半導(dǎo)體基底上方的一控制柵203和一浮柵205。浮柵205被一絕緣的介電層包圍，其典型的材料比如為二氧化硅。而浮柵204與基底的表面可通過(guò)一層薄的柵氧化層來(lái)隔離，其優(yōu)選厚度約為50-100埃左右?？刂茤?03和浮柵205的形成大致與現(xiàn)有的圖1類(lèi)似，所以在此不再多做贅述。
針對(duì)本實(shí)施例中的n通道快閃存儲(chǔ)單元201而言，一深n井形成于一p型半導(dǎo)體基底中，其形成的方法例如利用傳統(tǒng)的擴(kuò)散或離子植入的技術(shù)。而深n井優(yōu)選的深度約為3微米，優(yōu)選的摻雜濃度約為1×1015個(gè)原子/cm3。
一p井形成于深n井之中，其形成的方法例如利用傳統(tǒng)的擴(kuò)散或離子植入的技術(shù)。p井優(yōu)選的深度約為1.5微米，優(yōu)選的摻雜濃度約為1×1016個(gè)原子/cm3。而控制柵203和浮柵205形成于p井的上方。
一n+結(jié)構(gòu)形成于控制柵203和浮柵205的側(cè)邊源極區(qū)內(nèi)，其自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)于控制柵203和浮柵205的邊緣的源極區(qū)內(nèi)。此n+結(jié)構(gòu)形成的方法例如利用離子植入的技術(shù)，其優(yōu)選的深度約為0.3微米，優(yōu)選的摻雜(優(yōu)選的摻雜比如為砷離子)濃度約為1×1020個(gè)原子/cm3。
另外，一n-基極結(jié)構(gòu)形成于p井之中，且于控制柵203和浮柵205側(cè)邊的漏極區(qū)內(nèi)。除此之外，n-基極結(jié)構(gòu)還延伸至浮柵205之下。而n-基極的形成方法例如進(jìn)行自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)植入n型摻雜(典型的摻雜為磷)，再通過(guò)熱擴(kuò)散的方式向旁邊擴(kuò)散至浮柵205之下來(lái)完成。此外，形成于n-基極中且自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)控制柵203和浮柵205側(cè)邊漏極區(qū)內(nèi)的p+結(jié)構(gòu)，其與n-基極都是利用相同的掩模，通過(guò)兩次的離子植入所形成的，而p+結(jié)構(gòu)優(yōu)選的深度約為0.3微米，優(yōu)選的摻雜(優(yōu)選的摻雜比如為硼離子)濃度約為1×1020個(gè)原子/cm3。n-基極結(jié)構(gòu)的優(yōu)選濃度約為0.7微米，優(yōu)選的摻雜濃度約為1×1017個(gè)原子/cm3。
利用傳統(tǒng)的技術(shù)制造快閃存儲(chǔ)單元201不同結(jié)構(gòu)的金屬內(nèi)連線。其中，源極連接線與n+結(jié)構(gòu)相連，漏極連接線與p+結(jié)構(gòu)相連，控制柵連接線與控制柵203相連。而Vs施加于n+結(jié)構(gòu)，Vd施加于p+結(jié)構(gòu)，Vcg施加于控制柵203。
由圖2中可看出形成于漏極區(qū)垂直的雙載子結(jié)構(gòu)(vertical bipolarstructure)，例如為p+/n-基極/p井雙載子。n-基極區(qū)域是快閃存儲(chǔ)單元的關(guān)鍵元件，第一個(gè)原因是因?yàn)樵谧x取的操作過(guò)程中，n-基極是當(dāng)作n通道快閃存儲(chǔ)單元201的漏極。第二，在編碼的過(guò)程中，n-基極可充當(dāng)隔離區(qū)，致使柵極感應(yīng)漏極漏電流所產(chǎn)生的熱電子通過(guò)電場(chǎng)的作用跑至浮柵中，而不會(huì)流向p井造成遺漏，以至于加快編碼的速度。第三，n-基極與浮柵重疊的部分提供了較小的耦合率(coupling ratio)，造成n-基極與浮柵之間的電場(chǎng)變大，加快了抹除操作的速度。另外，由于n-基極所摻雜濃度低于n+結(jié)構(gòu)，所以n-基極表面的柵極感應(yīng)漏極漏電流是可忽略的。
圖3至圖5為快閃存儲(chǔ)器操作的示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D3，其所繪示的是編碼操作過(guò)程中，施于快閃存儲(chǔ)單元201結(jié)構(gòu)與不同連接導(dǎo)線的電壓。此編碼的方法是基于帶對(duì)帶隧道加強(qiáng)熱電子的產(chǎn)生和F-N的隧道效應(yīng)，而在編碼的過(guò)程中，各個(gè)優(yōu)選的偏壓如下加一偏壓使Vd介于-Vcc與-2Vcc之間；n-基極呈浮置的狀態(tài)；加一偏壓使Vcg介于Vcc與2Vcc之間；Vs也是呈浮置的狀態(tài)；加一偏壓使Vpw介于0伏特與Vcc之間；加一偏壓使深n井為Vcc；加一偏壓使p型基底接地，而優(yōu)選的Vcc為2.5或3.3伏特。
在施加偏壓的條件下，通過(guò)帶對(duì)帶隧道效應(yīng)于浮柵205之下的p+結(jié)構(gòu)表面生成電子。假使跨越隧穿氧化層的電場(chǎng)非常大(大約為10MVcm-1)，則帶對(duì)帶隧道效應(yīng)所生成電子可以隧道隧穿氧化層，藉F-N隧道至浮柵205。而帶對(duì)帶隧道效應(yīng)所生成電子也會(huì)流至n-基極區(qū)域，通過(guò)所獲得的能量穿過(guò)接面電場(chǎng)且或離子化而產(chǎn)生熱電子。此熱電子可以克服阻障且利用控制柵203正偏壓的幫助射向浮柵205?？傊幋a的電流是由兩種機(jī)制所產(chǎn)生(1)電子從p+結(jié)構(gòu)通過(guò)F-N隧道直接進(jìn)入浮柵205，以及(2)熱電子從p+結(jié)構(gòu)穿透n-基極再射入浮柵205中。大部分在浮柵205所產(chǎn)生的電流機(jī)制是取決于施加在控制柵、p井及p+結(jié)構(gòu)的偏壓。
值得注意的是，利用帶對(duì)帶隧道電子流編碼時(shí)，n-基極與p井因順向偏壓(forward bias)的關(guān)系，由一二極管電壓差使n-基極與p井具有相同的電壓。p+/n-基極結(jié)構(gòu)的逆偏壓(reverse bias)提供了很大的電場(chǎng)，而致使電子因撞擊引發(fā)離子化，產(chǎn)生帶對(duì)帶隧道熱電子。當(dāng)p井的摻雜濃度低于n-基極，也就是說(shuō)p井注射的效率很小時(shí)，p+/n-基/p井雙載子結(jié)構(gòu)的效應(yīng)即可被忽略。
此外，帶對(duì)帶熱電子機(jī)制本來(lái)只在p通道存儲(chǔ)單元中發(fā)生，但在本優(yōu)選實(shí)施例中，若以n-基極為漏極，則帶對(duì)帶熱電子流可應(yīng)用于n通道存儲(chǔ)單元的編碼中。
請(qǐng)參照?qǐng)D4，以快閃存儲(chǔ)單元的抹除操作為例。抹除操作的各個(gè)優(yōu)選的偏壓如下Vs呈浮置的狀態(tài)；加一偏壓使Vcg介于-Vcc與-2Vcc之間；加一偏壓使Vd介于Vcc與2Vcc之間；加一偏壓使p井為0伏特；加一偏壓使深n井為Vcc；而加一偏壓使p型基底接地。n-基極的電位(potential)通過(guò)p+/n-基極接面的順向偏壓而與p+結(jié)構(gòu)相同。當(dāng)p+結(jié)構(gòu)和n-基極與浮柵的耦合率非常小時(shí)，跨接隧道氧化層的浮柵205和p+/n-基極區(qū)域之間會(huì)產(chǎn)生很大的電場(chǎng)，引發(fā)F-N隧道效應(yīng)，浮柵205中的電子會(huì)穿隧至p+/n-基極區(qū)域而移除。
在抹除的操作過(guò)程中，位于漏極區(qū)的p+/n-基極/p井雙載子晶體管可能被開(kāi)啟，而在漏極區(qū)造成不預(yù)期的電流瞬間變換。因此可由n-基極輕摻雜的設(shè)計(jì)，以及在p+結(jié)構(gòu)和p井之間施加一偏壓，使n-基極產(chǎn)生缺乏(deplet)，而與p+結(jié)構(gòu)短接來(lái)消除雙載子的作用。
圖5為快閃存儲(chǔ)單元201讀取操作的示意圖。讀取操作的各個(gè)優(yōu)選的偏壓如下Vd大約為1.5伏特；Vcg大約為Vcc；Vs大約為0伏特；加一偏壓使p井為0伏特；n-基極呈浮置的狀態(tài)；加一偏壓使深n井為Vcc；加一偏壓使p型基底接地。在讀取操作的過(guò)程中，n-基極的電位為一低于Vd的二極管電壓差(一般約為0.5伏特)。此通道可能會(huì)反轉(zhuǎn)，也可能不會(huì)，這完全取決于浮柵內(nèi)凈電荷的存在與否，而讀取電流ir值的大小即表示快閃存儲(chǔ)單元201所存儲(chǔ)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。此時(shí)n-基極為浮置狀態(tài)，且p+/n-基極/p井雙載子晶體管在讀取的過(guò)程中可能被開(kāi)啟，因而造成不預(yù)期的漏電流發(fā)生，所以解決載子晶體管開(kāi)啟問(wèn)題的方法之一即是在讀取的操作過(guò)程中，將n-基極與p+結(jié)構(gòu)短接。
本發(fā)明的快閃存儲(chǔ)單元201具有下列許多特點(diǎn)(1)因帶對(duì)帶隧道熱電子的產(chǎn)生和F-N的隧道效應(yīng)，使得快閃存儲(chǔ)單元201的編碼速度大于單純以通道熱電子注射的編碼速度，這是由于帶對(duì)帶熱電子的注射效率遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的通道熱電子注射。此外，在編碼的過(guò)程中，帶對(duì)帶熱電子注射不需要大的通道電流，因此不但編碼的速度可以加快，而且編碼的過(guò)程中功率的消耗也可大大地降低。
(2)類(lèi)似于傳統(tǒng)在源極側(cè)邊發(fā)生F-N隧道效應(yīng)的抹除方式，本發(fā)明是通過(guò)F-N的隧道效應(yīng)穿透漏極區(qū)的p+結(jié)構(gòu)與n-基極，以達(dá)到更有效率且更低功率消耗的抹除模式。這是由于n-基極所摻雜的濃度低于傳統(tǒng)的n+接面，因此在抹除的過(guò)程中，帶對(duì)帶隧道效應(yīng)所造成的漏電流現(xiàn)象可被忽略。如此便可免除現(xiàn)有快閃存儲(chǔ)單元因源極側(cè)邊產(chǎn)生的柵極感應(yīng)漏極漏電流所造成的氧化層劣化，以及存儲(chǔ)單元尺寸受限的問(wèn)題。
另外，值得注意的是，本發(fā)明的快閃存儲(chǔ)單元201不能由導(dǎo)電型態(tài)及偏壓的轉(zhuǎn)換而自n通道快閃存儲(chǔ)單元變成p通道快閃存儲(chǔ)單元。這是因?yàn)殡姸吹淖⑸洳粌H會(huì)造成隧道氧化層的劣化，而且在氧化層介面的電洞能帶大于電子的能帶，其阻障較大，所以隧道的效率不佳，因此不常使用p通道快閃存儲(chǔ)單元。
雖然以上結(jié)合一優(yōu)選實(shí)施例揭露了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，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)，可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)視為附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種快閃存儲(chǔ)單元，適用于一半導(dǎo)體基底中，其特征在于，該快閃存儲(chǔ)單元包括一p井，形成于該基底中；一柵極結(jié)構(gòu)，形成于該p井上方，該柵極結(jié)構(gòu)包括一控制柵及一浮柵，且通過(guò)一薄的介電層將該浮柵與該控制柵和該半導(dǎo)體基底電隔離；一n-基極，鄰接該柵極結(jié)構(gòu)的一第一邊緣且延伸至該柵極結(jié)構(gòu)之下，位于該基底中；一p+結(jié)構(gòu)，該p+結(jié)構(gòu)形成于該n-基極之中且鄰接于該柵極結(jié)構(gòu)的該第一邊緣；以及一n+結(jié)構(gòu)，該n+結(jié)構(gòu)與該柵極結(jié)構(gòu)的一第二邊緣相鄰且位于該基底中。
2.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于，該n-基極的深度約為0.7微米，摻雜濃度約為1×1017個(gè)原子/cm3。
3.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于，該P(yáng)+結(jié)構(gòu)的深度約為0.3微米，摻雜濃度約為1×1020個(gè)原子/cm3。
4.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于，該n+結(jié)構(gòu)的深度約為0.3微米，摻雜濃度約為1×1020個(gè)原子/cm3。
5.如權(quán)利要求1所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于，該p+結(jié)構(gòu)與一電壓源Vd連接，該n+結(jié)構(gòu)與一電壓源Vs連接，以及該控制柵與一電壓源Vcg連接。
6.如權(quán)利要求5所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于，該p井形成于該p型底材中的一深n井內(nèi)，施加一電壓Vcc于該深n井，而該p型底材接地。
7.如權(quán)利要求6所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于，為了執(zhí)行寫(xiě)入的操作施加一偏壓使Vd變成Vcc，Vs呈浮置狀態(tài)，施加一偏壓使Vcg變成Vcc。
8.如權(quán)利要求6所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于，為了執(zhí)行抹除的操作施加一偏壓使Vd變成Vcc，Vs呈浮置狀態(tài)，施加一偏壓使Vcg變成-Vcc。
9.如權(quán)利要求6所述的存儲(chǔ)單元，其特征在于，為了執(zhí)行讀取的操作施加一偏壓使Vd變成1.5伏特，Vs接地，施加一偏壓使Vcg變成Vcc。
全文摘要
一種快閃存儲(chǔ)單元,包括形成于基底中的p井及形成于p井上方的柵極結(jié)構(gòu)。柵極結(jié)構(gòu)包括控制柵與浮柵,浮柵通過(guò)一層薄介電層與控制柵和半導(dǎo)體基底電隔離。n
文檔編號(hào)H01L29/788GK1252622SQ9811706
公開(kāi)日2000年5月10日 申請(qǐng)日期1998年12月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月22日
發(fā)明者季明華, 陳志民 申請(qǐng)人:世大積體電路股份有限公司