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1、(10)申请公布号 CN 102832175 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 2 1 7 5 A *CN102832175A* (21)申请号 201210333709.4 (22)申请日 2012.09.11 H01L 21/8247(2006.01) (71)申请人上海华力微电子有限公司 地址 201210 上海市浦东新区张江高科技园 区高斯路568号 (72)发明人田志 顾经纶 (74)专利代理机构上海申新律师事务所 31272 代理人竺路玲 (54) 发明名称 一种改善SONOS结构器件性能的方法 (57) 摘要 本发明公开了一种改善SONOS。
2、结构器件性能 的方法，该SONOS结构包括衬底，隧穿介质层，电 荷存储层，阻挡介质层和导电层，衬底内包括源极 和漏极，隧穿介质层、电荷存储层、阻挡介质层和 导电层按顺序自下而上设置在衬底上，其中，采用 凸面SONOS结构设计，并使用缓变的氮化硅层组 成电荷存储层；本发明的有益效果是：形成凸面 SONOS结构，促使电场强度在不同层的分布不同， 可以提高编译和擦除的速度，同时抑制擦除饱和 对擦除速度的影响；缓变氮化硅层与隧穿氧化硅 层之间较接近的杨氏模量减少隧穿氧化硅层与氮 化硅之间由于杨氏模量的差别较大引起的应力对 器件的影响；缓变氮化硅层可以实现捕获电子的 再分配，使存储的电荷在存储电荷层中更。
3、加均匀 的分布。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 1/1页 2 1.一种改善SONOS结构器件性能的方法，所述SONOS结构包括衬底，隧穿介质层，电荷 存储层，阻挡介质层和导电层，所述衬底内包括一源极和一漏极，所述隧穿介质层、电荷存 储层、阻挡介质层和导电层按顺序自下而上设置在所述衬底上，其特征在于， 采用缓变的氮化硅层组成所述电荷存储层，所述缓变的氮化硅层自下而上由富氮氮化 硅的深能级向富硅氮化硅的浅能级渐变。 2.如权利要求1所述的改善SONOS结构器。
4、件性能的方法，其特征在于，采用硅材料制成 所述衬底。 3.如权利要求1所述的改善SONOS结构器件性能的方法，其特征在于，采用氧化硅材料 制成所述隧穿介质层和所述阻挡介质层。 4.如权利要求1所述的改善SONOS结构器件性能的方法，其特征在于，采用多晶硅栅极 组成所述导电层。 5.如权利要求4所述的改善SONOS结构器件性能的方法，其特征在于，将所述隧穿介质 层、所述电荷存储层、所述阻挡介质层和所述多晶硅栅极的上表面设置为凸面。 6.如权利要求5所述的改善SONOS结构器件性能的方法，其特征在于，将所述隧穿介质 层、所述电荷存储层、所述阻挡介质层和所述多晶硅栅极的下表面设置为凸面。 权 利 要。
5、 求 书CN 102832175 A 1/3页 3 一种改善 SONOS 结构器件性能的方法 技术领域 0001 本发明涉及SONOS结构技术领域，具体涉及一种改善SONOS结构器件性能的方法。 背景技术 0002 闪存是非易失存储器件的一种，传统的闪存利用浮栅极来存储数据，由于多晶硅 是导体，浮栅极存储的电荷是连续分布的。当有一个泄漏通道的时候，整个浮栅极上存储的 电荷都会通过这个泄漏通道丢失。因此限制闪存按比例缩小能力的最大障碍是其隧穿氧化 层厚度不能持续减小。因为在薄的隧穿氧化层情况下，直接隧穿和应力引起的泄漏电流等 效应都会对存储器的漏电控制提出巨大的挑战。随着闪存的普遍应用，新近发展。
6、的SONOS 结构（Sillicon-Oxide-Nitride-Oxide-Sillicon，硅-氧-氮-氧-硅），用具有电荷陷阱 能力的氮化硅层取代原有的多晶硅存储电荷层，由于其用陷阱能级存储电荷，所以存储的 电荷是离散分布的。这样就可以抑制由于电荷通过导电通道泄露，使可靠性大大提高。 0003 如图1所示，典型的SONOS结构由硅衬底1（S）-隧穿氧化层2（O）-电荷存储 层氮化硅3（N）-阻挡氧化层4（O）-多晶硅栅极5（S）组成，在衬底内包括源极6和漏 极7。SONOS结构的工作原理是：当编译时，在门极加较大的电压，源漏极和衬底接地，由于 隧穿效应使电子隧穿过隧穿氧化硅层，存储在氮化。
7、硅层中的陷阱能级中。当擦除时，门极加 负电压，源漏极和衬底接地，氮化硅层中的电子反向隧穿回衬底。为使编译和擦除的速度提 高，需要较薄的隧穿氧化层（3nm左右），然后如此薄的厚度会使电荷的保持能力和编译/擦 除过程中的耐久性降低。但擦除的速度与电场强度成正比，电场越大，擦除速度越快。在 SONOS结构进行擦除过程中有两个隧穿过程：一是电子从氮化硅层中隧穿到衬底；二是电 子从栅极经过顶部阻挡氧化硅层进入存储电荷氮化硅层中。如图1所示，在传统的SONOS 结构中，由于各层之间是平行排列的，编译和擦除时的电力线是通过各层平行分布的，在擦 除开始时捕获电荷层中电子的数量多，隧穿介质层的电场远大于顶部介质。
8、层的电场；但是 随着擦除的进行，捕获的电荷层中的电子逐渐减少，因此隧穿介质层中的电场不断减少而 顶部介质层中电场不断增加，直到完全擦除时两处电场强度相等。因此，氮化硅中电子隧穿 到衬底的隧穿速度会随介质层电场的减弱而减弱，而经栅极隧穿到电荷存储氮化硅层中的 隧穿会逐渐增强。当两个隧穿的速度相等时，电荷存储氮化硅层中的电子失去和注入达到 动态的平衡，进入擦除饱和的状态，使擦除不能继续进行，擦除速度降低。 发明内容 0004 针对目前SONOS结构技术存在的上述问题，本发明提供一种改善SONOS结构器件 性能的技术方案。 0005 一种改善SONOS结构器件性能的方法，所述SONOS结构包括衬底，。
9、隧穿介质层，电 荷存储层，阻挡介质层和导电层，所述衬底内包括一源极和一漏极，所述隧穿介质层、电荷 存储层、阻挡介质层和导电层按顺序自下而上设置在所述衬底上，其中， 采用缓变的氮化硅层组成所述电荷存储层，所述缓变的氮化硅层自下而上由富氮氮化 说 明 书CN 102832175 A 2/3页 4 硅的深能级向富硅氮化硅的浅能级渐变。 0006 优选地，改善SONOS结构器件性能的方法，其中，采用硅材料制成所述衬底。 0007 优选地，改善SONOS结构器件性能的方法，其中，采用氧化硅材料制成所述隧穿介 质层和所述阻挡介质层。 0008 优选地，改善SONOS结构器件性能的方法，其中，采用多晶硅栅极。
10、组成所述导电 层。 0009 优选地，改善SONOS结构器件性能的方法，其中，将所述隧穿介质层、所述电荷存 储层、所述阻挡介质层和所述多晶硅栅极的上表面设置为凸面。 0010 优选地，改善SONOS结构器件性能的方法，其中，将所述隧穿介质层、所述电荷存 储层、所述阻挡介质层和所述多晶硅栅极的下表面设置为凸面。 0011 本发明的有益效果： 1形成具有凸面的SONOS结构，促使电场强度在不同层的分布不同，靠近隧穿层有较 强的电场。可以提高编译和擦除的速度，同时可以抑制甚至消除擦除饱和对擦除速度的影 响； 2缓变氮化硅层与隧穿氧化硅层之间较接近的杨氏模量可以减少由于隧穿氧化硅层 与氮化硅之间由于杨。
11、氏模量的差别较大引起的应力对器件的影响； 3缓变的氮化硅层中注入的电子通过从富硅的氮化硅的浅陷阱能级中水平跳跃到富 氮的氮化硅的深陷阱能级中可以实现捕获电子的再分布，使存储的电荷在存储电荷层中更 加均匀的分布； 4制程工艺和CMOS兼容，节约成本。 附图说明 0012 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可 以根据这些附图获得其他的附图： 图1是典型SONOS结构的电力线及结构示意图； 图2是本发明中具。
12、有凸面和缓变氮化硅层的SONOS结构的电力线及结构示意图； 具体实施方式 0013 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。 0014 如图2所示为依本发明一种改善SONOS结构器件性能的方法制成的SONOS结构器 件，该SONOS结构包括衬底21，隧穿介质层22，电荷存储层23，阻挡介质层24和导电层25， 衬底内包括一源极26和一漏极27，隧穿介质层、电荷存储层、阻挡介质层和导电层按顺序 自下而上设置在衬底上；其中衬底由硅材料构成，隧穿介质层和阻挡介质层由氧化硅材料 构成，电荷存储层采用氮化硅材料制成，导电层是多晶硅栅极。 0015 为了防止擦除过程中由于栅极电。
13、子隧穿过顶部阻挡氧化层进入电荷存储层造成 的擦除饱和，在本发明中采用凸面SONOS结构设计，即隧穿介质层、电荷存储层、阻挡介质 层和导电层的上下表面都是凸面，与隧穿介质层接触的衬底的上表面也为凸面。在该具有 说 明 书CN 102832175 A 3/3页 5 凸面的SONOS结构中，由于电力线是垂直于介质层表面分布的，所以凸面的结构中，衬底和 栅极之间的电力线不再是如典型SONOS结构中那样平行分布，而是从栅极垂直于ONO层（阻 挡介质氧化硅层（O），存储电荷氮化硅层（N）和隧穿介质氧化硅层（O）并集中到衬底。如图 2所示，电力线的密度代表电场强度的大小，这样的电力线分布使栅极到衬底的电场强。
14、度不 断增加。在擦除时，可以使电荷存储层到衬底的隧穿大于从门极注入电荷存储层的隧穿，从 而可以抑制甚至消除擦除饱和的出现，提高擦除速度。 0016 但是只将典型的SONOS结构改进为凸面结构显然是不够的，由于门极通过阻挡氧 化硅层的电子注入所引起的擦除饱和，从而提高擦除器件的擦除速度。但是由于一定的弯 曲度，氧化硅层和氮化硅层较大的杨氏模量差别会导致两层之间产生一定的应力。而且由 于电场在下部的场强较强，编译时由于凸面导致顶部的电场强度较大，大量的电子通过凸 面的顶部注入电荷存储层，而边缘区域由于电场较弱，通过的电子较少。顶部区域会有较多 的电子聚集在凸面的顶部，那么在擦除时也会有较多的电子或。
15、是空穴穿过顶部。在编译和 擦除的循环中，持续的大量电荷从顶部通过会造成隧穿氧化硅层的退化。应力和隧穿氧化 硅层的退化都会影响器件的耐久性和电荷保持能力，从而造成器件可靠性的下降。 0017 如图2所示，在上述改进的基础上，我们使用缓变的氮化硅层23代替普通的氮化 硅层组成电荷存储层，缓变的氮化硅层是指硅含量渐变的氮化硅层，这样可以减少富硅的 氮化硅和弯曲度大的隧穿氧化硅层之间由于氮化硅和隧穿氧化硅之间大的杨氏模量引起 的应力。由于电荷存储层与隧穿介质层的界面对器件的影响明显，而存储氮化硅层与顶部 的阻挡氧化硅层之间界面对器件的影响较弱，减少电荷存储层和隧穿介质层之间的应力可 以有效的改善器件的。
16、性能。同时缓变的氮化硅层由于富氮的氮化硅较深的能级可以存储更 多的电荷，使记忆窗口变化较大，利用富硅的氮化硅的浅陷阱能级可以较容易捕获电子。当 电子从富硅氮化硅的浅能级水平跳跃至硅含量逐渐减少的氮化硅中时，可以使存储的电子 再次分布，使其较均匀的分布在存储氮化硅层中，改善由于凸面的ONO层引起的电场在隧 穿氧化硅层的顶部的增强所导致的注入电子过度集中在顶部的不足。 0018 以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以 凡运用本发明说明书及图示内容所做出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。 说 明 书CN 102832175 A 1/2页 6 图1 说 明 书 附 图CN 102832175 A 2/2页 7 图2 说 明 书 附 图CN 102832175 A 。