二位元氮化物只读存储单元及其制造和读取方法 【技术领域】
本发明涉及一种非易失性存储单元及其制造方法，特别涉及一种具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元(Nitride Read Only memory cell；NROM cell)、其制造方法以及读取其存储状态的方法，可简单且明显地区分出此二位元氮化物只读存储单元中各位的存储状态。
背景技术
在非易失性存储器工业中，氮化物只读存储单元(NROM cell)的发展起源于公元1996年。此新式的非易失性存储器技术采用氧化物-氮化物-氧化物(oxide-nitride-oxide，ONO)层作为栅极介电层(gate dielectric)并藉由现有的编程及擦除机制而建立出每一存储单元拥有两个分离的位元。因此，氮化物只读存储单元的位元大小约为整个存储单元面积的一半。由于硅晶粒的尺寸大小为成本结构中的主要要素，显然这就是氮化物只读存储单元技术为何能具有经济上的竞争力的原因。
图1绘示出一传统的二位元氮化物只读存储单元的结构剖面示意图。此存储单元包括一硅衬底10，以及经离子注入而形成于硅衬底10内的两扩散区12及14，这些扩散区的电性与硅衬底10的电性相反。而于硅衬底10表面则形成有由分开地两个氧化层16及20及为此两氧化层所包夹的氮化硅层18所构成的一ONO层22。于此ONO层22上则更形成有栅极导电层24。此外，于扩散区12及14间的ONO层22下方则形成有一沟道26。
在ONO层22中的氮化硅层18具有两个电荷储存区28及30，其分别邻近于扩散区12及14。此二电荷储存区28以及30在对存储单元编程期间提供电荷储存的空间。当对左边的位元编程时则利用左边的扩散区12作为漏极并接收一高的编程电压。同时，右边的扩散区14作为源极并接地，并利用电荷储存区28以储存电荷。同理，当编程右边的位元时则利用右边的扩散区14作为漏极并接收一高的编程电压。同时，左边的扩散区12作为源极并接地而利用电荷储存区30以储存电荷。再者，当读取左边的位元(电荷储存区28)时，左边的扩散区12则作为源极且右边的扩散区14作为漏极。同理，当读取右边的位元(电荷储存区30)时，右边的扩散区14作为源极且左边的扩散区12作为漏极。另外，进行擦除时，其源漏极的相对位置与进行编程时相同。
而上述存储器单元中各位元的读取方法，以MOS晶体管的正常操作方式进行。当电荷储存区28或30内存在有电荷时(即已编程)，将造成此存储单元临界电压的升高。故欲读取一已编程的位元时，施加于栅极导电层24上的读取电压将无法开启沟道26并形成导通。倘若电荷储存区28或30内无电荷储存时(即未编程)，施加于栅极导电层22上的读取电压将可开启沟道26并形成导通。
在美国第5768192号专利中，Eitan则公开了另一种改良的氮化物只读存储单元(NROM cell)读取方法，其编程与其读取的方向互为相反。
【发明内容】
在此，本发明的主要目的就是提供一种二位元氮化物只读存储单元、其制造方法以及读取其存储状态的方法。此二位元氮化物只读存储单元内形成有寄生放大器，并在读取此存储单元内存储状态时可开启并放大存储单元内的漏电流以形成一放大电流，藉由判读此放大电流可准确地读取出此存储单元内特定位元的存储状态。
为达到上述目的，本发明提供了一种具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的制造方法，其步骤包括：
提供一半导体衬底；于上述半导体衬底内形成一第一阱区，其中第一阱区具有与该半导体衬底相反的电性；于上述第一阱区内形成一第二阱区，其中第二阱区具有与第一阱区相反的电性；依序形成一介电层及一导电层于上述第二阱区表面，并定义介电层及导电层以构成一栅极于第二阱区的部分表面上，其中上述介电层包括一氮化物层；以及形成一对第一掺杂区，对称地设置于上述栅极两侧的第二阱区内并部分接触栅极且具有与第二阱区相反的电性，其中藉由上述第一掺杂区之一、第二阱区以及第一阱区以构成一寄生的电流放大器(parasitic current amplifier)。
又根据上述目的，本发明提供一种具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元，包括：
一半导体衬底；一第一阱区，设置于上述半导体衬底内且具有与半导体衬底相反的电性；一第二阱区，设置于上述第一阱区内且具有与第一阱区相反的电性；一栅极介电层，设置于上述第二阱区的部分表面，其中栅极介电层包括一氮化物层；一导电层，设置于上述栅极介电层上并与栅极介电层构成一栅极；以及一对第一掺杂区，对称地设置于上述栅极两侧的第二阱区内并部分接触栅极且具有与第二阱区相反的电性，其中藉由上述第一掺杂区之一、第二阱区以及第一阱区以构成一寄生的电流放大器(parasitic current amplifier)。
又根据上述的目的，本发明提供了一种读取此具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的方法，包括：
自本发明的二位元氮化物只读存储单元内选择一读取位元；浮接栅极并使上述读取位元对称侧的第一掺杂区接地；施加一第一电压于邻近上述读取位元的第一掺杂区以产生一漏电流流入第二阱区；施加一第二电压于读取位元对称侧的第一阱区以开启由读取位元对称侧的第一掺杂区、第二阱区以及第一阱区所构成的电流放大器(current amplifier)以放大该漏电流；以及测量读取位元对称侧的该第一阱区内的放大电流以读取上述读取位元的存储状态。
本发明的二位元氮化物只读存储单元的具有结构新颖的特点，具有内建的寄生放大器，可供读取此存储单元时作为电流放大器使用。此外，读取本发明的二位元氮化物只读存储单元的方法特殊，是通过测量存储单元内各位元内储存电荷与否所造成的栅极诱导漏极漏(Gate-induced drainleakage；GIDL)电流的差异，并利用前述寄生的电流放大器，配合前述适当的读取方法以放大前述漏电流，以得到一放大的读取电流，可明显且准确地读取并判断出存储单元位元的存储状态。
【附图说明】
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下：
图1为一剖面图，用以说明一传统的二位元氮化物只读存储单元的结构；
图2至图7为一系列的剖面图，用以说明本发明的具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的制造方法及结构；以及
图8至图10为一系列的剖面图，用以说明本发明的具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的编程、擦除以及读取方法。
附图中的附图标记说明如下：
10、100～硅衬底； 12、14～扩散区；
16、20、114、118～氧化层； 18、116～氮化硅层；
22～ONO层； 24～栅极导电层；
26、148～沟道；
28、30、144、146～电荷储存区；
102、108、124、132～遮蔽层；
104、110、126、134～离子注入工序；
106～第一阱区； 112～第二阱区；
120～导电层； 122～栅极介电层；
128、130～第一掺杂区； 136、138～第二掺杂区；
140、142～位元； 150～第一电压；
152～第二电压； G～栅极；
E～发射极； B～基极；
C～集电极； IB～漏电流；
IC～放大电流。
【具体实施方式】
具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的制造方法及其结构：
本发明的具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的制造方法将配合图2至图7作一详细叙述如下。于图2中，首先提供一半导体衬底，在此例如为p型硅材料所构成的一硅衬底100。接着于此硅衬底100表面形成用以定义存储单元区域的遮蔽层102，其材料例如为光致抗蚀剂(PR)。接着进行一离子注入工序104并以上述遮蔽层102为一离子注入掩模(implantmask)，以介于300～2000KeV的能量注入如磷(P)的n型离子以于硅衬底100内形成一第一阱区106，此第一阱区106为经n型离子掺杂的n型阱区，具有与硅衬底100相反的电性且具有介于1×1016～1×1018原子/每平方厘米(atoms/cm2)的掺杂浓度。
于图3中，于去除上述掩模层102后，接着此硅衬底100表面形成用以定义第二阱区的遮蔽层108，其材料例如为光致抗蚀剂(PR)。接着进行一离子注入工序110并以上述遮蔽层108为一离子注入掩模(implant mask)，以介于50～1000KeV的能量注入如硼(B)的p型离子以于第一阱区106内形成一第二阱区112，此第二阱区112为经p型离子掺杂的p型阱区，具有与第一阱区106相反的电性且具有介于1×1016～1×1018原子/每平方厘米(atoms/cm2)的掺杂浓度。
于图4中，于去除先前的遮蔽层108后，接着依序于硅衬底100上形成由一层氧化层114、一层氮化硅层116、一层氧化层118所构成的一复合的介电层以及一导电层120，并定义上述膜层以构成一栅极G于第二阱区112的部分表面上。于栅极G内，由上述氧化层114、氮化硅层116以及氧化层118所构成的栅极介电层122即为现有的氧化物-氮化物-氧化物层(ONO layer)，而导电层120的材料则例如为多晶硅。上述栅极介电层122具有一介于100～250埃的厚度，其内的氧化层114、氮化硅层116以及氧化层118则具有一介于1∶2∶2～1∶4∶4的厚度比，而上述导电层的厚度则介于1000～3000埃。
于图5中，接着于硅衬底100表面以及栅极G上形成用以定义此栅极G的源极/漏极区的图案化遮蔽层124并露出部分第二阱区112的表面，其材料例如为光致抗蚀剂(PR)。并藉由一离子注入工序126，以上述遮蔽层124为离子注入掩模(implant mask)，以介于20～120KeV的能量注入如磷(P)或砷(As)的n型离子于露出的第二阱区112内，以于栅极G两侧的第二阱区112内对称地形成两第一掺杂区128及130并部分地接触栅极G。此些第一掺杂区128、130为经n型离子掺杂的n型阱区，具有与第二阱区112相反的电性且具有介于1×1019～1×1021原子/每平方厘米(atoms/cm2)的掺杂浓度。
于图6中，于去除先前的遮蔽层124后，接着于硅衬底100表面以及栅极G上形成用以定义接触节点的遮蔽层132并露出部分的第一阱区106表面，遮蔽层132的材料例如为光致抗蚀剂(PR)。接着藉由一离子注入工序134，以上述遮蔽层132为离子注入掩模(implant mask)，以介于20～120KeV的能量注入如磷(P)或砷(As)的n型离子于此些露出的第一阱区106内，并于栅极G两侧的第一阱区106内对称地形成两第二掺杂区136及138，此些第二掺杂区136及138为经n型离子掺杂的n+型阱区，具有与第一阱区106相同的电性且具有介于1×1019～1×1021原子/每平方厘米(atoms/cm2)的较高掺杂浓度。
于图7中，于去除先前的遮蔽层132后，本发明的具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的工艺即已完成。如图7，为本发明的具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的结构，包括：
如硅衬底100的半导体衬底；设置于半导体衬底内且具有与半导体衬底相反的电性的第一阱区106；设置于第一阱区106内且具有与第一阱区106相反的电性的第二阱区112；设置于第二阱区112的部分表面上的栅极介电层122(由氧化层114、氮化硅层116以及氧化层116所构成的氧化物-氮化物-氧化物层(ONO layer))；导电层120，设置于栅极介电层122上并与栅极介电层122构成一栅极G；以及一对第一掺杂区128及130，对称地设置于栅极G两侧的第二阱区112内并部分接触栅极G且具有与第二阱区112相反的电性，其中第一掺杂区128及130之一、第二阱区112以及第一阱区106可构成一寄生的电流放大器(parasitic current amplifier)，此外，此二位元氮化物只读存储单元更包括对称地设置于第一阱区106内两侧的两第二掺杂区136及138。
编程(PROGRAM)、擦除(ERASE)以及读取(READ)此具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的方法：
本发明的具有寄生放大器的二位元氮化物只读存储单元的编程、擦除以及读取方法将配合图8至图10作一详细叙述如下。
首先请参照图8，于此二位元氮化物只读存储单元具有两分离的位元140及142，而此些位元140及142约略地位于栅极G的两侧。于栅极介电层122中的氮化硅层116具有两电荷储存区144及146，其分别地邻近于第一掺杂区128及130。此二电荷储存区144以及146于编程期间提供电荷储存的空间。
当编程左边的位元140时是利用左边的第一掺杂区128作为漏极并接收一高的编程电压(约介于1～10伏特)。同时，右边的第一掺杂区130作为源极并接地，且于栅极G上施加一适当电压(约介于1～10伏特)以开启位于栅极G下两第一掺杂区128及130间的沟道148，并利用热电子效应以产生热电子进入电荷储存区144并对其进行储存而完成位元140的编程过程。同理，当编程右边的位元142时则利用右边的第一掺杂区130作为漏极并接收一高的编程电压(约介于1～10伏特)。同时，左边的第一掺杂区128作为源极并接地，且于栅极G上施加一适当电压(约介于1～10伏特)以开启位于栅极G下两第一掺杂区128及130间的沟道148，并利用电荷储存区146储存电荷。
当擦除左边的位元140时是施加一擦除电压(约介于1～10伏特)于左边的第一掺杂区128。同时，将右边的第一掺杂区130浮接，且于栅极G上施加一适当电压(约介于0～-5伏特)以产生空穴(h+，未显示)进入电荷储存区144以达到擦除左边的位元140的效果。同理，当擦除右边的位元142时则施加一擦除电压(约介于1～10伏特)于右边的第一掺杂区130。同时，将左边的第一掺杂区125浮接，且于栅极G上施加一适当电压(约介于0～-5伏特)以产生空穴(h+，未显示)并进入电荷储存区146以达到擦除右边的位元142的效果。
请参照图9，为读取此存储单元方法的图示。首先自此二位元氮化物只读存储单元内选择一读取位元(如位元142或144)，在此以读取右方的位元142为例，接着浮接(folating)栅极G并使位元142对称侧的第一掺杂区144接地。接着施加一第一电压150(约介于1～10伏特)于邻近此读取位元(即位元142)的第一掺杂区130，以产生一漏电流IB流入第二阱区112，此漏电流IB即为栅极诱导漏极漏(Gate-induced drain leakage；GIDL)电流。当位元142的电荷储存区146内未储存有电荷时(存储状态为0)，将可测量到一介于10-6～10-4微安培(μA)的漏电流IB，而当位元142的电荷储存区146内储存有电荷时(存储状态为1)，其内的储存电荷将提供一适当的负电压，故可测量得到一介于10-2～1微安培(μA)的较高漏电流IB。接着更施加一第二电压152(约介于1～10伏特)于读取位元(即位元142)对称侧第一阱区106内的第二扩散区136上以开启由读取位元(即位142)对称侧的第一掺杂区130、第二阱区112以及第一阱区106所构成的寄生于硅衬底100内的双极结晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT transistor)以作为电流放大器(currentamplifier)使用以放大此漏电流IB。上述电流放大器的电路图则如图10所示，是以第一掺杂区128所构成的发射极(emitter；E)、第二阱区112所构成的基极(base；B)以及第一阱区106所构成的集电极(collector；C)所组成，具有介于1～100倍的电流增益(current gain；β)，并经由现有公式IC＝βIB以放大此漏电流IB并于此放大器的集电极(即位元142对称侧的第一阱区106内的第二掺杂区136)中测量出一放大电流IC。并藉由判读此放大电流IC，当位142储存有电荷时(存储状态为1)，藉由其内的储存电荷所提供适当的负电压，将可得到一介于10-2～1微安培(μA)的较高漏电流IB并经由此β的电流增益的放大，故可得到一大于等于10-2微安培(μA)(约介于10-2～102微安培(μA))的放大电流IC，当位元142未储存有电荷时(存储状态为0)，则将得到一低于10-2微安培(μA)(介于10-6～10-2微安培(μA))的放大电流IC，当位元的存储状态为0与1时两者间的放大电流差异极大，可明显且准确地测量并读取位元142的存储状态。
同理，上述读取方法亦适用于读取左方的位元140的过程，只需将读取的各接点左右对调，并藉由判读此寄生的电流放大器所放大得到的放大电流IC，可进而读出此位元140的存储状态，故不在此另行叙述。
本发明的二位元氮化物只读存储单元具有以下特点：
1.本发明的二位元氮化物只读存储单元的结构新颖，具有内建的寄生放大器，可供读取此存储单元时作为电流放大器使用。
2.读取本发明的二位元氮化物只读存储单元的方法特殊，是通过观察存储单元内各位元内储存电荷与否所造成的栅极诱导漏极漏(Gate-induceddrain leakage；GIDL)电流的差异，并利用前述寄生的电流放大器，配合前述适当的读取方法以放大前述漏电流，以得到一放大的读取电流。与现有存储单元中利用MOS晶体管操作方式，以及美国第5768192号专利中，Eitan公开的编程与读取方向互为相反的读取特定位元存储状态的方法相比，本发明的读取方法作用原理与现有方法大为不同，本发明的方法可明显且准确地读取并判断出存储单元位元的存储状态。
虽然本发明已以优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可作各种更动与润饰，本发明的保护范围应以所附权利要求所确定的为准。