專利名稱：一種具有雙層電介質電荷捕獲層的dc-sonos存儲器及其制備方法
技術領域：
本發明涉及半導體電荷捕捉存儲器領域，尤其涉及一種具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器及其制備方法。
背景技術：
在半導體存儲器領域，閃存是非易失性存儲器技術中的一種，傳統閃存利用浮動柵極作為電荷存儲單元，但隨著閃存技術的不斷發展，存儲密度不斷增大，浮動柵極之間的距離減小，相鄰浮動柵極的存儲電荷之間會產生相互影響，對浮柵閃存技術而言，這就阻礙了存儲密度的增加。而SONOS (硅一二氧化硅一氮化硅一二氧化硅一硅)存儲器采用絕緣的電荷捕捉層來取代浮動柵極，完全避免了存儲電荷之間的相互影響，同時它還以其獨特的ONO結構，使得閃存具有穩定性好、可靠性高、低功耗、抗輻照能力強以及易與標準CMOS工藝兼容等特點被認為是最具潛力的高密度存儲器技術。另外，與其他嵌入式非易失性存儲器(NVM)技術相比，SONOS制備工藝所需的掩膜較少，具有更高的性價比；該技術還繼承了閃存技術幾十年積累的成果，具有可靠性好、集成度高和與基底CMOS工藝兼容的特點；同時其ONO結構的特殊性及離散電荷存儲等技術，使得SONOS技術能夠實現的存儲器單元及可靠性能不斷提高。圖1A所示為現有技術的SONOS型非易失性存儲器的橫截面示意圖。其結構包括襯底1，源端漏端2，柵極3，在柵極和襯底之間的介電疊層4，以及邊墻5。其中，如圖1B所示存儲器的介電疊層4中自上而下分別為電荷阻擋層(SiO2)4-1，電荷捕獲層(Si3N4)4-2，隧穿層(SiO2) 4-3。現有“S0N0S”型存儲器是指電荷捕獲層為單一介質和單一結構的非易失性存儲器器件，存儲器的結構從下到上依次為硅襯底、二氧化硅隧穿層、氮化硅電荷存儲層(電荷捕獲層)、二氧化硅電荷阻擋層 和柵極。在室溫下，傳統SONOS存儲器的電荷丟失主要由P/E循環在隧穿層二氧化硅中引入的缺陷引起；隨著工作溫度的升高，這一因素的影響逐漸下降，電荷捕獲層氮化娃中的空穴垂直輸運和空穴堆積成為傳統SONOS存儲器的電荷丟失的主要因素。在高溫(大于等于250攝氏度)惡劣環境下存在對數據保持有著極高要求的特殊存儲裝置。傳統SONOS器件因其單一的電荷捕獲層結構而無法提供足夠的數據保持性能。本發明克服了現有技術的電荷捕獲層為單一結構的局限，提出了一種具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器，通過改變器件結構提高存儲器的數據保持特性，有利于獲得在工作條件較惡劣下仍保持較高數據保持特性的SONOS非易失性存儲器。同時，本發明存儲器的兩層電荷捕獲層分別通過LPCVD和PECVD兩種方法制備得到，下層的氮化硅使用LPCVD工藝淀積而成，薄膜質量高，可以改善器件的擦寫速度及抗擦寫能力；上層的氮化硅使用PECVD工藝淀積而成，缺陷密度增加，有利于電荷的捕獲；因此改進了本發明DC-SONOS型非易失性存儲器的性能。
發明內容
本發明提出了一種具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器，包括
半導體襯底，包括具有溝道表面的溝道，以及與所述溝道鄰近的源端和漏端；
柵極；
介于所述柵極和所述溝道表面之間的介電疊層；以及 位于所述柵極及介電疊層兩側的邊墻；
其中，所述介電疊層包括
隧穿層，與所述溝道表面接觸；
疊加于所述隧穿層上方的電荷捕獲層；所述電荷捕獲層為雙層電介質的復合結構；· 疊加于所述電荷捕獲層上方的阻擋層，與所述柵極接觸。其中，所述電荷捕獲層包括
與所述隧穿層接觸的第一層電介質，其成分為Si3N4，厚度為1-30A ；
鄰近所述第一層的第二層電介質，其成分為SiN，厚度為1-50A。本發明還提出了一種所述的DC-SONOS存儲器的制備方法，在所述半導體襯底上方干氧氧化形成所述隧穿層，再于所述隧穿層上方形成所述電荷捕獲層，采用LPCVD工藝于所述電荷捕獲層上方形成阻擋層，再采用LPCVD工藝在所述阻擋層上方形成柵極，在所述柵極兩側形成邊墻，最后自對準離子注入形成源端和漏端。其中，電荷捕獲層中第一層電介質采用PECVD工藝于300-500°C溫度下淀積制備而成，第二層電介質采用LPCVD工藝于500-900°C溫度下淀積制備而成。本發明“DC-SONOS”是指Double Capture-SONOS型存儲器，是將雙層介質結構“四
氮化三娃-氮化娃”作為電荷捕獲層的存儲器。本發明在現有的SONOS型非易失性存儲器器件結構的基礎上提出了一種具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器。本發明不僅對雙層電介質電荷捕獲層采用不同的制造工藝，還能獲得更好的數據保持特性，使得器件能夠在惡劣的環境條件下工作。同時，傳統的SONOS存儲器中，當其氮化硅電荷捕獲層厚度小于7nm以后，其數據保留特性和對載流子的捕獲能力都隨電荷捕獲層厚度的減小而降低，當氮化硅電荷捕獲層厚度降到大約3nm時，其數據保留特性和對載流子的捕獲率幾乎可以忽略。本發明通過采用雙層電介質電荷捕獲層，提聞了存儲器數據保留特性和對載流子的捕獲能力。本發明在SONOS型非易失性存儲器器件結構的基礎上提出了針對電荷捕獲層結構的改進技術，即具有雙層電介質電荷捕獲層結構的DC-SONOS非易失性存儲器。與現有技術相比，本發明具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器克服了傳統SONOS存儲器在高溫等惡劣環境工作時數據保持特性不足的問題。傳統SONOS器件電荷捕獲層的制備中只采用了 LPCVD方法，具有雙層電介質復合電荷捕獲結構，兩層電荷捕獲層分別通過LPCVD和PECVD兩種方法制備得到，下層的氮化硅使用LPCVD淀積而成，薄膜質量高，可以改善器件的擦寫速度及抗擦寫能力；而上層的氮化硅使用PECVD淀積而成，缺陷密度增加，有利于電荷的捕獲；因此改進了本發明DC-SONOS型非易失性存儲器的性能。同時，本發明復合電荷捕獲層中兩層氮化硅之間的界面存在較多缺陷，有利于更多電荷的存儲，同時抑制高溫下空穴的垂直輸運，可以減緩電荷泄露，提高器件的數據保持特性。
圖1A為傳統SONOS型非易失性存儲器的橫截面示意圖。圖1B為傳統SONOS型非易失性存儲器中介電疊層的放大示意圖。圖2為本發明具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器。其中，圖2A為本發明存儲器的橫截面示意圖，圖2B為本發明存儲器中介電疊層的放大示意圖。
具體實施例方式結合以下具體實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的保護內容不局限于以下實施例。在不背離發明構思的精神和范圍下，本領域技術人員能夠想到的變化和優點都被包括在本發明中，并且以所附的權利要求書為保護范圍。如圖2所示，1-半導體襯底，2-源端和漏端，3-柵極，5-邊墻，6-本發明DC-S0N0S型存儲器的介電疊層，6-1介電疊層中的阻擋層,6-2介電疊層中的復合電荷捕獲層，6-2a復合電荷捕獲層中的第一層電介質，6-2b復合電荷捕獲層中的第二層電介質，6-3介電疊層中的隧穿層。 如圖2所示，本發明具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器，包括半導體襯底1，其上具有溝道表面的溝道，及與所述溝道鄰近的源端和漏端2 ;柵極3 ;介于柵極3和溝道表面之間的介電疊層6 ;以及分別位于柵極3及介電疊層6兩側的一對邊墻5，邊墻5與源端2、漏端2連接。其中，介電疊層包括隧穿層6-3，與溝道表面接觸；疊加于隧穿層6-3上方的電荷捕獲層6-2 ;電荷捕獲層6-2為雙層電介質的復合結構；疊加于電荷捕獲層6-2上方的阻擋層6-1，與所述柵極3接觸。其中，電荷捕獲層6-2包括與隧穿層接觸的第一層電介質6_2a，其成分為Si3N4,厚度為1-30A ;鄰近第一層的第二層電介質6-2b，其成分為SiN，厚度為1-50A。與傳統SONOS型非易失性存儲器相比，本發明具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器的新穎之處在于復合電荷捕獲層6-2。傳統SONOS型非易失性存儲器器件結構中使用了簡單的Si3N4，而本發明提供的新穎結構SONOS型非易失性存儲器器件使用了 Si3N4和SiN的雙層復合介質的電荷捕獲層。實施例1 :
本實施例提供一種本發明存儲器的具體制備方法。首先提供半導體襯底I，然后在襯底上方干氧氧化形成一層SiO2，該層厚度為54A，為隧穿層6-3。之后再先后使用LPCVD技術形成20A的Si3N4，即為第一層電介質6_2a。再在其上方使用PECVD技術形成一層SiN，即為第二層電介質6-2b，厚度為40 A，這兩層共同組成復合電荷捕獲層6-2。再使用LPCVD技術在電荷捕獲層上方形成一層60A的Si02阻擋層6-1。然后在其上方用LPCVD形成柵極3，并在柵極3兩側形成邊墻5。最后自對準離子注入形成源端和漏端2。本發明的DC-SONOS存儲器在實際使用中，當有偏壓時，載流子從硅襯底經過二氧化硅隧穿層注入到氮化硅層中，其中載流子首先被隧穿層二氧化硅與電荷捕捉層氮化硅之間所形成的表面陷阱所捕獲，然后再將剩下的載流子注入到電荷捕捉層中，由于電荷捕捉層中的陷阱電荷的數量較多，大部分的載流子都存儲在電荷捕捉層中，表面陷阱所捕獲的載流子幾乎可以忽略。在本發明DC-SONOS存儲器的雙層電介質復合電荷捕獲結構中，下層的氮化硅使用LPCVD淀積而成，薄膜質量高，可以改善器件的擦寫速度及抗擦寫能力；而上層的Si3N4氮化硅使用PECVD淀積而成，PECVD技術制造氮化硅時所需溫度較低，厚度不受任何限制，氮化硅中還可能含有少量的氫雜質，氮化硅的理想配比也不會像LPCVD的結果那樣理想，因此缺陷密度增加，有利于電荷的捕獲；同時，與傳統存儲器中單層氮化硅相比，本發明中兩層氮化硅之間的界面存在較多缺陷，這就大大增加了載流子的捕獲能力和載流子的存儲能力。無偏壓時，載流子很難越過二氧化硅隧穿層的勢壘高度，陷阱輔助隧穿成為主要的漏電機制，陷阱輔助隧穿的陷阱大多數淺的表面陷阱，而兩層氮化硅所引進的陷阱都是深陷阱，載流子的陷阱輔助隧穿很困難，抑制了高溫下載流子的垂直輸運，可以減緩電荷泄露，提高器件的數據保持特性。與傳統SONOS型非易失性存儲器相比，本發明具有雙層電介質電荷捕獲層，該結構增加了有效陷阱密度，其陷阱數提高了 5倍左右，載流子的存儲量也增加了 3倍，操作窗口也增大了大約IV。對于傳統的SONOS存儲器，操作窗口大于O. 5V就能正常工作，因此增加了的IV操作窗口大大地改善了存儲器數據保留特性，本發明存儲器在極其惡劣的120°C高溫環境下也具有超過10年的數據保持能力，同時由于載流子存儲量的增加，少量丟失的載流子與所存儲的總的載流子相比完全可以忽略，本發明存儲器的工作穩定性及抗擦寫能力均有所提高本發明存儲器可應用在一些對存儲器性能要求非常高的領域中。對于傳統SONOS型非易失性存儲器，雖然氮化硅電荷存儲存厚度大于7nm時具有比較理想的電荷捕獲能力，但是當其厚度不斷減小時其電荷捕獲能力急劇下降，數據保留特性也很低，當其厚度下降到3nm左右時其電荷捕獲能力和數據保留能力幾乎可以忽略。而同時隨著微電子技術的不斷發展，芯片集成度得不斷提高，對于存儲器來說其器件的橫向和縱向尺寸都不斷縮小，因此傳統SONOS器件無法克服隨著器件尺寸不斷減小所帶來的可靠性問題，而本發明的DC-SONOS存儲器在器件尺 寸不斷縮小時還具有非常好的數據保留特性和電荷捕獲能力，是未來存儲器發展的最佳選擇。
權利要求
1.一種具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器，其特征在于，包括 半導體襯底，包括具有溝道表面的溝道，以及與所述溝道鄰近的源端和漏端； 柵極； 介于所述柵極和所述溝道表面之間的介電疊層；以及 位于所述柵極及介電疊層兩側的邊墻； 其中，所述介電疊層包括 隧穿層，與所述溝道表面接觸； 疊加于所述隧穿層上方的電荷捕獲層；所述電荷捕獲層為雙層電介質的復合結構； 疊加于所述電荷捕獲層上方的阻擋層，與所述柵極接觸。
2.根據權利要求1所述的DC-SONOS存儲器，其特征在于，所述電荷捕獲層包括 與所述隧穿層接觸的第一層電介質，其成分為Si3N4，厚度為1-30A ； 鄰近所述第一層的第二層電介質，其成分為SiN，厚度為1-50A。
3.根據權利要求1或2所述的DC-SONOS存儲器的制備方法，其特征在于，在所述半導體襯底上方干氧氧化形成所述隧穿層，再于所述隧穿層上方形成所述電荷捕獲層，采用LPCVD工藝于所述電荷捕獲層上方形成阻擋層，再采用LPCVD工藝在所述阻擋層上方形成柵極，在所述柵極兩側形成邊墻，最后自對準離子注入形成源端和漏端；其中，所述電荷捕獲層中第一層電介質采用LPCVD工藝于500-900°C溫度下淀積制備而成，所述第二層電介質采用PECVD工藝于300-50(TC溫度下淀積制備而成。
全文摘要
本發明涉及半導體電荷捕捉存儲器領域，公開了一種具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS非易失性存儲器，包括具有溝道表面的溝道的半導體襯底，與溝道鄰近的源端和漏端；柵極；介于柵極和溝道表面之間的介電疊層；以及位于柵極及介電疊層兩側的邊墻。介電疊層包括與溝道表面接觸的隧穿層；疊加于隧穿層上方的電荷捕獲層；電荷捕獲層為雙層電介質的復合結構；疊加于電荷捕獲層上方的阻擋層，與柵極接觸。其中，電荷捕獲層包括與隧穿層接觸的第一層電介質，其成分為Si3N4，厚度為1-30 ；鄰近第一層的第二層電介質，其成分為SiN，厚度為1-50 。本發明具有雙層電介質電荷捕獲層的DC-SONOS存儲器改善了傳統SONOS非易失性存儲器的性能，提高存儲器的數據保持特性，有利于獲得在工作條件較惡劣下仍保持較高數據保持特性的存儲器。
文檔編號H01L29/51GK103066074SQ20111032289
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月21日 優先權日2011年10月21日
發明者石艷玲, 劉麗娟, 張順斌, 曹剛, 陳廣龍, 沈國飛, 張龍 申請人:華東師范大學, 上海華虹Nec電子有限公司