專利名稱：具有sonos結構的非易失性存儲器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明一般性涉及非易失性存儲器，更具體涉及具有多晶硅-氧 化物-氮化物-氧化物半導體(SONOS)結構的改進擦除速度的非易 失性存儲器及其制造方法。
背景技術：
根據(jù)加工技術，非易失性半導體存儲器大致可以分為浮柵系列 (NVSM)和其中兩種或多種介電層兩層或三層層疊的金屬絕緣半導 體系列(MIS)。
浮柵系列通過采用勢阱來實現(xiàn)存儲特性。浮柵系列的代表性實例 是已被廣泛用作快閃電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)的 EPROM隧道氧化物(ETO)結構。MIS系列通過采用存在于介電層 本體、介電層-介電層界面和介電層-半導體界面處的勢阱來實現(xiàn)存儲 功能。MIS系列的代表性實例是金屬/多晶硅氧化物氮化物氧化物半導 體(MONOS/SONOS )，其已被廣泛用作快閃EEPROM。
SONOS與普通快閃存儲器的區(qū)別在于就結構而言，在普通的快 閃存儲器中電荷存儲在浮柵中，而在SONOS中電荷存儲在氮化物層 中。
此外，在普通的快閃存儲器中，利用多晶硅形成浮柵。因此，如 果多晶硅中存在任何缺陷，則電荷保留時間顯著降低。相反，在SONOS 中，使用氮化物層代替上述多晶硅。因此，在加工過程中對缺陷的敏 感性相對低。
此外，在快閃存儲器中，在浮柵下形成厚度約70 A的隧道氧化物。 這對于實現(xiàn)低電壓和高速運行受到限制。但是，在SONOS中，直接 在氮化物層下形成隧道氧化物。因而可以實現(xiàn)具有較低電壓、較低功 率和高速運行的存儲器。
下面，參考圖l描述具有SONOS結構的普通快閃存儲器。
參考圖1,在半導體襯底10上順序形成隧道氧化物層11、氮化物 層12、氧化物阻擋層13、多晶硅層14和柵電極15。然后通過蝕刻過 程形成字線圖案。
在具有SONOS結構的快閃存儲器中，不能對絕緣層施加不同的 電場(E-場)，這是因為不能將同一 E-場施加到阻擋層13(即絕緣層)、 氮化物層12 (用于存儲電荷)和隧道氧化物層11的整個復合層上。
在這種情況下，如果對柵電極15施加電壓以擦除存儲在氮化物層 12中的電荷，則存儲在氮化物層12中的電荷通過穿過隧道氧化物層 11的Fowler-Nordheim ( F-N )隧道電流轉移到半導體村底10,然后 被擦除。但是，由于對氮化物層12上的氧化物阻擋層13施加同一E-場，因此電荷穿過氧化物阻擋層13從柵電極15轉移到氮化物層12， 然后被再次編程，從而降低擦除速度。
為了防止在擦除操作時從柵電極15注入電荷，在柵電極15中使 用高功函的材料。但是，這種方法在提高擦除速度方面有局限性。

發(fā)明內容
因此，本發(fā)明致力于解決上述問題，提供了一種能夠提高單元擦除 速度的具有SONOS結構的非易失性存儲器的制造方法，其中在SONOS 結構的電荷捕獲層與阻擋絕緣層之間形成導電層，使得當對柵極施加電 壓時，該導電層執(zhí)行電荷分配，并通過控制阻擋絕緣層的有效氧化物厚 度(ETO )和電荷捕獲層及隨道絕緣層的ETO來對阻擋絕緣層、電荷捕 獲層和隨道絕緣層施加所需的電壓。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種非易失性存儲器，其包括 在半導體襯底上形成的隧道絕緣層、在隧道絕緣層上形成的電荷捕l^、
在電荷捕獲層上形成的阻擋柵、在阻擋柵上形成的阻擋絕緣層和在阻擋 絕緣層上形成的柵電極。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供一種非易失性存儲器的制造 方法，其包括在半導體襯底上形成隧道絕緣層；在隧道絕緣層上形成電
荷捕獲層；在電荷捕獲層上形成阻擋柵；在阻擋柵上形成阻擋絕緣層； 和在阻擋絕緣層上形成柵電極。


圖1是具有SONOS結構的普通快閃存儲器的截面圖； 圖2 ~ 7是舉例說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的非易失性存儲器的制造方 法的截面圖。
圖8是舉例說明在本發(fā)明實施方案的器件中形成E-場的概念示意圖。
具體實施例方式
下面，參考相關附圖描述本發(fā)明的具體實施方式
。
圖2 ~ 7是舉例說明根據(jù)本發(fā)明實施方案的非易失性存儲器的制備方
法的截面圖。
參考圖2，在半導體襯底100上順序形成隧道絕緣層101和電荷 捕獲層102。隧道絕緣層101優(yōu)選采用SK)2形成，電荷捕獲層102優(yōu) 選采用SyNf4形成。優(yōu)選各個隧道絕緣層101和電荷捕獲層102的厚度 都為2A 500A。此外，隧道絕緣層101優(yōu)選通過濕氧化法或自由基 氧化法形成，電荷捕獲層102優(yōu)選通過原子層沉積法(ALD)、等離子 增強ALD法(PE-ALD)或化學氣相沉積法(CVD )然后實施快速熱 退火過程(RTA)而形成。
參考圖3，在包括電荷捕獲層102的整個表面上順序形成阻擋柵 103和阻擋絕緣層104。阻擋柵103采用導電材料形成。導電材料是指 多晶硅、金屬或多晶硅與金屬二者。阻擋絕緣層104優(yōu)選采用Si02形 成。阻擋絕緣層104優(yōu)選采用具有高介電常數(shù)的氧化物層形成，例如 A1203、 Hf02、 Zr03、含Al203-Hf02的混合物、SrTi03、 La203或 (Ba,Sr)Ti03。
此外，阻擋絕緣層104優(yōu)選采用通過原子層沉積法(ALD)、等離 子增強ALD法(PE-ALD )或化學氣相沉積法(CVD )的自由基氧化 法形成，并優(yōu)選隨后實施快速熱退火過程(RTA )。還優(yōu)選地，在200 ~
1000'C的優(yōu)選沉積溫度下形成優(yōu)選2 A~500 A厚度的阻擋絕緣層 104。然后，在高于沉積溫度的溫度下進行熱退火(RTA)。快速熱退 火過程(RTA)優(yōu)選采用氧化氣體，以TC ~ 100。C/秒的速率階梯式升 溫。在這種情況下，可以使用SiN層替代阻擋絕緣層104。
參考圖4，在包括阻擋絕緣層104的整個表面上形成用作掩模的 多晶硅覆蓋層105。
參考圖5，在多晶硅覆蓋層105上形成接觸掩模106。實施使用接 觸掩模106的蝕刻過程以形成開口 107,通過該開口在部分區(qū)域處暴 露出阻擋柵103,在該區(qū)域中形成延伸穿過阻擋絕緣層到達阻擋柵的 源極選擇晶體管和漏極選擇晶體管。在這種情況下，暴露出阻擋柵103 的開口 107可以暴露出阻擋柵的預定區(qū)域或源極和漏極選擇晶體管的 整個區(qū)域。接觸掩模106優(yōu)選采用氮化物層、氧化物層、無定形碳、 光刻膠等形成。
參考圖6，在剝除接觸掩模106之后，形成多晶硅層108以完全 間隙填充開口 107。在包括多晶硅層108的整個表面上順序形成金屬 層109和硬掩模層110。優(yōu)選釆用鴒、硅化鎢、氮化鎢、Ru、 Ir、 Ru02、 Ir02、 Pt等形成金屬層109。硬掩模110優(yōu)選采用氮化物層或氧化物 層形成，或者可以通過在形成氮化物層之前插入氧化物層形成。在形 成源極和漏極選擇晶體管的區(qū)域中，電壓電源通過開口 107連接到阻 擋柵103。因而，可以降低浮層的厚度。
參考圖7,實施蝕刻過程以順序和部分蝕刻硬掩模110、金屬層 109、多晶硅層108、多晶硅覆蓋層105、阻擋絕緣層104、阻擋柵103、 電荷捕獲層102和隧道絕緣層101,從而形成存儲單元的柵極圖案和 源極和漏極晶體管的柵極圖案。將多晶硅層108和金屬層109限定為 柵電極120。槺電極120通過開口 107連接到阻擋柵103。
圖8是示出在本發(fā)明的實施方案的器件中形成E-場的概念示意圖。
參考圖8，如果將柵電壓Vg施加到存儲單元的柵極上，則電莊根 據(jù)阻擋絕緣層104的電容與隧道絕緣層101和電荷捕獲層102的電容 之間的比率進行分配。其可用下列等式表示。
E3=V3/T3=C*V/[C3*T3
(厚度)T = Tl(隧道絕緣層)+ T2(電荷捕獲層)+ T3(阻擋絕緣層)
1/C=(1/C1+1/C2+1/C3): Cl(隧道絕緣層電容)、C2(電荷捕獲層電容)、C3(阻擋絕緣層 電容)
因此，在現(xiàn)有技術中，E-場是由層疊材料的介電常數(shù)決定的。而 在本發(fā)明中，E-場可以通過控制層疊層的電容而不是介電常數(shù)得到控 制。因此，施加到柵極的電壓Vg通過阻擋柵103得到分配，從而使 得施加到阻擋絕緣層104上的電壓相對低，而施加到電荷捕獲層102 和隧道絕緣層上的電壓相對高。因而可以改善擦除性能。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，導電層在電荷捕獲層和阻擋絕緣層之間 形成。因此，當將電壓施加到柵極上時，導電層起到電壓分配的作用。 因此，可以通過控制阻擋絕緣層的有效氧化物厚度(EOT)與電荷捕 獲層和隧道絕緣層的EOT來對阻擋絕緣層、電荷捕獲層和隧道絕緣層 施加所需的電壓。因此，可以改善單元擦除速率。
盡管已經(jīng)參考不同的實施方案進行了前面的描述，但只要不偏 離本發(fā)明的宗旨和范圍，本領域技術人員可以對本發(fā)明進行改變和 修正。
權利要求
1.一種非易失性存儲器，包含在半導體襯底上形成的隧道絕緣層；在隧道絕緣層上形成的電荷捕獲層；在電荷捕獲層上形成的阻擋柵；在阻擋柵上形成的阻擋絕緣層；和在阻擋絕緣層上形成的柵電極。
2. 權利要求1的非易失性存儲器，其中所述柵電極與所述阻擋柵通 過開口相連接。
3. 權利要求1的非易失性存儲器，其中所述柵電極由包括多晶硅、 金屬或多晶硅與金屬兩者的導電材料形成。
4. 一種制備非易失性存儲器的方法，包括 在半導體襯底上形成隧道絕緣層；在隧道絕緣層上形成電荷捕獲層； 在電荷捕獲層上形成阻擋柵； 在阻擋柵上形成阻擋絕緣層；和 在阻擋絕緣層上形成柵電極。
5. 權利要求4的方法，其進一步包括蝕刻部分阻擋絕緣層，以暴露 出其中將形成源極選擇晶體管和漏極選擇晶體管的阻擋柵，從而形成 從中暴露出阻擋柵的開口。
6. 權利要求4的方法，其包括分別形成厚度為2A ~ 500A的隧道絕 緣層、電荷捕獲層和阻擋絕緣層。
7. 權利要求4的方法，其包括通過濕氧化法或自由基氧化法形成隧 道絕緣層。
8. 權利要求4的方法，其中所述阻擋柵由包括多晶硅、金屬或多晶 硅與金屬兩者的導電材料形成。
9. 權利要求4的方法，其包括形成具有高介電常數(shù)的氧化層的阻擋 絕緣層。
10. 權利要求9的方法，其中所述具有高介電常數(shù)的氧化層選自 A1203、 Hf02、 Zr03、含Al203-Hf02的混合物、SrTi03、 La203、 (Ba，Sr)Ti03。
11. 權利要求9的方法，其包括通過原子層沉積法(ALD)、等離子體 增強化學氣相沉積法(PE-ALD)或化學氣相沉積法(CVD)以及隨 后的快速熱退火過程(RTA)來形成阻擋絕緣層。
12. 權利要求ll的方法，其包括在200。C 1000'C的沉積溫度下形成 阻擋絕緣層。
13. 權利要求12的方法，其包括通過高于所述沉積溫度的溫度下的包 括rC/秒~ 100'C/秒的階梯升溫速率的RTA過程來形成阻擋絕緣層。
14. 權利要求4的方法，其包括用SiN層替代所述阻擋絕緣層。
15. 權利要求5的方法，其包括通過使用蝕刻掩模的蝕刻過程來形成 所述開口，其中所述蝕刻掩模使用氮化物層、氧化物層、無定形碳或 光刻膠形成。
16. 權利要求4的方法，其包括利用多晶硅層或通過在多晶硅層上層 疊金屬層來形成柵電極。
17. 權利要求16的方法，包括使用選自鎢、硅化鎢、氮化鎢層、Ru、 Ir、 Ru02、 Ir02和Pt的材料來形成金屬層。
全文摘要
一種具有SONOS結構的非易失性存儲器及其制備方法，其中在SONOS結構的電荷捕獲層與阻擋絕緣層之間形成導電層。因此，當對柵極施加電壓時，導電層發(fā)生電壓分配。因而，可以通過控制阻擋絕緣層的有效氧化物厚度(EOT)以及控制電荷捕獲層和隧道絕緣層的EOT從而對阻擋絕緣層、電荷捕獲層和隧道絕緣層施加所需的電壓。因此，可以改善單元的擦除速度。
文檔編號H01L29/40GK101101925SQ20071008697
公開日2008年1月9日 申請日期2007年3月27日 優(yōu)先權日2006年7月5日
發(fā)明者嚴在哲 申請人:海力士半導體有限公司