CN102280387A

CN102280387A - Sonos结构和sonos存储器的形成方法

Info

Publication number: CN102280387A
Application number: CN2011102545911A
Authority: CN
Inventors: 黄锦才; 吴小利
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: CN102280387B

Abstract

一种SONOS结构和SONOS存储器的形成方法，所述SONOS结构的形成方法包括：提供衬底；在所述衬底上形成图形化的掩膜层，定义出ONO结构的区域；以外延生长法在所述衬底上的ONO结构的区域生长与所述衬底材料相同的基底，所述基底的表面为凸面；去除所述图形化的掩膜层；在所述基底上依次形成隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层，隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层的上表面为凸面；对所述衬底进行离子掺杂，在所述衬底内、基底两侧形成源极和漏极。利用所述方法形成的结构可以解决现有技术中SONOS存储器擦除饱和的问题。

Description

SONOS结构和SONOS存储器的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及SONOS结构的形成方法、SONOS存储器的形成方法。

背景技术

通常，用于存储数据的半导体存储器分为易失性存储器和非易失性存储器，易失性存储器容易在电源中断时丢失其数据，而非易失性存储器即使在电源中断时仍可保存其数据。与其它的非易失性存储技术(例如，磁盘驱动器)相比，非易失性半导体存储器相对较小。因此，非易失性存储器已广泛地应用于移动通信系统、存储卡等。

非易失性存储单元可由浮栅结构或SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon，简称SONOS)结构两大主力技术之一实现。浮栅型存储器相对较厚(70-120埃)的隧穿氧化层提供了良好的电荷保持性能，工艺流程比较容易控制，但是一旦隧穿氧化层中存在缺陷，存储电荷容易沿着缺陷从多晶硅存储层中丢失。SONOS存储器的隧穿氧化层的厚度较薄，利用绝缘的氮化硅介质层来俘获并存储电荷，氮化硅用来捕获电荷的陷阱是独立的，不会因为一个缺陷导致电荷的大量丢失。SONOS还具有抗擦写能力好、操作电压低和功率低、工艺过程简单且与标准CMOS工艺兼容等优势。

图1为现有技术的SONOS结构的示意图，参考图1，现有技术的SONOS结构包括衬底10；位于所述衬底10上的隧穿介质层11、捕获电荷层12和顶部介质层13，其中，隧穿介质层11的材料为氧化硅作为隧穿氧化层，捕获电荷层12的材料为氮化硅，顶部介质层13的材料为氧化硅，隧穿介质层11、捕获电荷层12和顶部介质层13构成了ONO(oxide-nitride-oxide)的叠层结构；位于所述顶部介质层13上的栅极14；位于所述衬底10内、所述叠层结构两侧的源极15和漏极16。

SONOS存储器的工作原理为：在写过程时，在栅极14和衬底10之间施加正电压(通常为+10V)，在源极和漏极上施加相同的低电压(通常为0V)，沟道中的电子发生隧穿穿过隧穿介质层11，均匀存储在整个捕获电荷层12中，完成电子隧穿编程操作过程。在擦除过程时，在栅极14和衬底10之间施加负电压(通常为-10V)，在源极14和漏极15上施加相同的电压(通常为0V)，即可完成电子隧穿穿过隧穿介质层11进入衬底10的擦除操作过程。

以上所述的现有技术的SONOS存储器存在擦除饱和的问题，即捕获电荷层中的空穴不能完全隧穿出捕获电荷层。现有技术中有许多关于SONOS存储器的专利以及专利申请，例如2011年6月15日公开的公开号为CN102097491A的中国专利申请中公开的SONOS及其形成方法。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术的SONOS存储器存在擦除饱和的问题。

为解决上述问题，本发明具体实施例提供一种SONOS结构的形成方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成图形化的掩膜层，定义出ONO结构的区域；

以外延生长法在所述衬底上的ONO结构的区域生长与所述衬底材料相同的基底，所述基底的表面为凸面；

去除所述图形化的掩膜层；

在所述基底上依次形成隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层，所述隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层的上表面为凸面；

对所述衬底进行离子掺杂，在所述衬底内形成源极和漏极。

可选的，在形成隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层之前，对所述基底进行退火，使所述基底的凸面为弧面。

可选的，所述外延生长法为竖直外延，所述竖直外延的条件为：温度为600～800℃，气压为5～15torr，使用的气体包括：SiCl₂H₂、HCl、H₂。

可选的，H₂气氛围中，温度为800～900℃范围内进行所述退火。

可选的，去除所述图形化的掩膜层后，在所述基底上依次形成隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层之前，还包括：利用热氧化方法形成氧化层，覆盖所述衬底和基底。

可选的，所述氧化层的材料为氧化硅。

可选的，所述隧穿介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述顶部介质层的材料为氧化硅。

可选的，所述捕获电荷层的材料为氮化硅。

可选的，所述导电层的材料为多晶硅。

可选的，所述图形化的掩膜层的材料为氮氧化硅。

本发明具体实施例还提供一种SONOS存储器的形成方法，包括：利用所述的方法形成SONOS结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在本技术方案中，形成的SONOS结构是一个凸面结构，即隧穿介质层、捕获电荷层和顶部介质层、导电层的上表面、下表面均为凸面，与隧穿介质层接触的基底的上表面也为凸面，在这种结构中，基底和栅极即导电层之间的电力线不再是平行分布，而是从栅极垂直于介质层(包括顶部介质层、捕获电荷层和隧穿介质层)集中到基底，这使电力线密度即电场强度从栅极到衬底不断增加，即使在捕获电荷层没有电子(完全擦除)的情况下，这种结构也保证隧穿介质层中的电场远大于顶部介质层的电场，相对于传统SONOS结构，本结构在整个擦除过程中，从捕获电荷层经过隧穿介质层隧穿到衬底的电子数量大于从栅极经过顶部介质层隧穿到捕获电荷层的电子数量，以此有效解决了传统SONOS结构擦除饱和的问题。

附图说明

图1为现有技术的SONOS结构的示意图；

图2为本发明具体实施例的SONOS结构的剖面结构示意图；

图3为本发明具体实施例的SONOS结构的形成方法的流程示意图

图4至图9为本发明具体实施例的SONOS结构的形成方法的剖面结构示意图。

具体实施方式

基于以上所述的SONOS存储器的工作原理，SONOS存储器采用FN隧穿效应(Fowler-Nordheim Tunneling)进行擦除：在栅极和衬底之间的强场使得捕获电荷层中的电子隧穿过隧穿介质层进入衬底，在隧穿介质层厚度确定的情况下，隧穿过程主要是由隧穿介质层中的电场决定，电场强度越大，越容易发生隧穿，即捕获电荷层中的电子越容易隧穿进入衬底。在SONOS结构中存在两个隧穿过程：隧穿一，电子从栅极经过顶部介质层隧穿到捕获电荷层，隧穿二：电子从捕获电荷层经过隧穿介质层隧穿到衬底。在传统的平板SONOS结构中，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层的电场；随着擦除的进行，捕获电荷层中电子逐渐减少，因此隧穿介质层中的电场不断减小而顶部介质层中电场不断增加；直到完全擦除时两者电场相等。可以想见，在擦除过程中，隧穿一由于顶部介质层电场的增强而不断增强，隧穿二由于隧穿介质层电场的减弱而减弱，当隧穿一和隧穿二大小相当时，即从栅极经过顶部介质层隧穿到捕获电荷层的电子数量与从捕获电荷层经过隧穿介质层隧穿到衬底的电子数量相当时，从捕获电荷层的净流出电流变得很小，也就是净流出电子数量非常少，擦除变得非常困难以至在合理时间内无法完全擦除。在本发明中，SONOS结构是一个凸面结构，即隧穿介质层、捕获电荷层和顶部介质层、导电层的上表面、下表面均为凸面，与隧穿介质层接触的基底的表面也为凸面，在这种结构中，基底和栅极即导电层之间的电力线不再是平行分布，而是从栅极垂直于介质层(包括顶部介质层、捕获电荷层和隧穿介质层)集中到基底，这使电力线密度即电场强度从栅极到基底不断增加，即使在捕获电荷层没有电子(完全擦除)的情况下，这种结构也保证隧穿介质层中的电场远大于顶部介质层的电场，相对于传统SONOS结构，本结构隧穿一过程被减弱，隧穿二过程被增强，在整个擦除过程中，隧穿二一直保持远大于隧穿一，也就是从捕获电荷层经过隧穿介质层隧穿到基底的电子数量远大于从栅极经过顶部介质层隧穿到捕获电荷层的电子数量，以此有效解决了传统SONOS结构擦除饱和的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图2为本发明具体实施例的SONOS结构的剖面结构示意图，参考图2，本发明具体实施例的SONOS结构，包括：基底40和衬底20，所述基底40位于所述衬底20上，所述基底40定义出ONO结构的区域，且所述基底40的表面为凸面；依次位于所述基底40上的隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24，即所述隧穿介质层21位于所述基底40上，所述捕获电荷层22位于所述隧穿介质层21上，所述顶部介质层23位于所述捕获电荷层22上，所述导电层24位于所述顶部介质层23上，所述隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23形成ONO结构，所述导电层24作为栅极；源极25和漏极26，位于所述衬底20内，且分别位于基底40的两侧；隧穿介质层21的下表面与基底40的上表面贴合，捕获电荷层22的下表面与隧穿介质层21的上表面贴合，顶部介质层23的下表面与捕获电荷层22的上表面贴合，导电层24的下表面与顶部介质层23的上表面贴合，因此所述隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24的上表面、下表面均为凸面。隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24均具有侧面和上表面、下表面，其中与衬底20相对的两个表面分别为上表面和下表面，靠近衬底20的为下表面，远离衬底20的为上表面，其他在上表面和下表面之间的表面为侧面。在图2所示的本发明的具体实施例中，所述凸面为弧面，但本发明中，基底40的表面、隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24的上表面、下表面不限于弧面，也可以为其他形状的凸面，只要保证电力线从栅极垂直于介质层(包括顶部介质层、捕获电荷层和隧穿介质层)集中到衬底，使电场强度从栅极到衬底不断增加即可。

本发明具体实施例中，基底40和衬底20的材料为单晶硅、单晶锗或者单晶锗硅、III-V族元素化合物、单晶碳化硅或绝缘体上硅(SOI)结构。在衬底20中形成有阱区以及隔离结构(图中未示)，在该实施例中，阱区为N型阱区，隔离结构形成在衬底中、相邻的SONOS结构之间。源极25和漏极26均为P型掺杂。在其他实施例中，阱区也可以为P型阱区，相应的源极25和漏极26均为N型掺杂。在由隧穿介质层21、捕获电荷层22和顶部介质层23组成的ONO结构以及位于顶部介质层23上的导电层24形成的堆叠结构的周围形成有侧墙，图中未示。

在本发明具体实施例中，所述隧穿介质层21的材料为氧化硅，其厚度为

(埃)，且隧穿介质层21各处的厚度基本相同。但本发明中，隧穿介质层21的材料不限于氧化硅，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

所述顶部介质层23的材料为氧化硅，其厚度为

且顶部介质层23各处的厚度基本相同。但本发明中，顶部介质层23的材料不限于氧化硅，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

捕获电荷层22的材料为氮化硅，其厚度为

且捕获电荷层22各处的厚度基本相同。但本发明中，捕获电荷层22的材料不限于氮化硅，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

导电层24作为栅极，其材料为多晶硅，厚度为

且导电层24各处的厚度基本相同。但本发明中，导电层24的材料不限于多晶硅，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

基于以上所述的SONOS结构，本发明还提供了一种SONOS存储器，包括多个以上所述的SONOS结构，所述多个SONOS结构呈阵列排布。关于该SONOS存储器的其他方面，例如字线、位线的排列方式，多个SONOS结构的连接方式、排列方式均为本领域技术人员的公知技术，在此不做赘述。

基于以上所述的SONOS结构，本发明提供一种SONOS结构的形成方法，图3为本发明具体实施例的SONOS结构的形成方法的流程示意图，参考图3，本发明具体实施例的SONOS结构的形成方法包括：

步骤S31，提供衬底，

步骤S32，在所述衬底上形成图形化的掩膜层，定义出ONO结构的区域；

步骤S33，以外延生长法在所述衬底上的ONO结构的区域生长与所述衬底材料相同的基底，所述基底的表面为凸面；

步骤S34，去除所述图形化的掩膜层；

步骤S35，在所述基底上依次形成隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层，所述隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层的上表面为凸面；

步骤S36，对所述衬底进行离子掺杂，在所述衬底内、基底两侧形成源极和漏极。

图4至图9为本发明具体实施例的SONOS结构的形成方法的剖面结构示意图，下面结合参考图3以及图4至图9详述本发明具体实施例的SONOS结构的形成方法。

结合参考图3和图4，执行步骤S31，提供衬底20，本发明具体实施例中，衬底20的材料为单晶硅、单晶锗或者单晶锗硅、III-V族元素化合物、单晶碳化硅或绝缘体上硅(SOI)结构。在衬底20中形成有阱区以及隔离结构(图中未示)，在该实施例中，阱区为N型阱区，隔离结构形成在衬底中、相邻的SONOS结构之间。相应的，之后形成的源极和漏极均为N型掺杂。在其他实施例中，阱区也可以为P型阱区，相应的之后形成的源极和漏极均为P型掺杂。在堆叠结构的周围形成有侧墙，图中未示。

结合参考图3和图5，执行步骤S32，在所述衬底20上形成图形化的掩膜层30，定义出ONO结构的区域。本发明具体实施例中，掩膜层30的材料为氮氧化硅(SiON)，形成图形化的掩膜层30的具体方法为：利用化学气相沉积在衬底20上形成掩膜层30，之后，利用光刻、刻蚀工艺形成图形化的掩膜层30，定义出ONO结构的区域，其中没有被图形化的掩膜层30覆盖的区域为ONO结构的区域。

之后，结合参考图3和图6，执行步骤S33，以外延生长法在所述衬底20上的ONO结构的区域生长与所述衬底20材料相同的基底40，所述基底40的表面为凸面。在本发明具体实施例中，所述凸面包括：与所述衬底20接触且与衬底20的表面相平的第一面411，位于所述第一面411的侧面且与所述第一面411相接的第二面412，所述第二面412为斜面，与第一面不在同一平面上；还包括第三面413，所述第三面413位于所述衬底20与所述第二面412之间，所述第三面413位于衬底20与所述第二面412之间，且所述第三面413与所述衬底20的表面垂直。通过调整外延生长法的生长条件，可以生长出符合要求的凸面，本发明具体实施例中，外延生长法为竖直外延，竖直外延的条件为：温度为600～800℃，气压为5～15torr，使用的气体包括：SiCl₂H₂、HCl、H₂。在外延生长过程中，HCl与SiCl₂H₂均匀混合以保证Si选择性地生长在窗口区域，而且之后原位的H₂气氛围退火可使Si表面形成光滑曲面。在具体的工艺中，可通过调整SiCl₂H₂、HCl、H₂的流量调整第二面的坡度，坡度越陡，在之后的退火工艺中越容易形成弧面。

参考图7，本发明具体实施例中，形成凸面后，对所述衬底20和基底40进行退火，使所述基底40的凸面为弧面。退火的条件为：在H₂气氛围中，温度为800～900℃范围内进行退火，在该退火工艺下，基底40会发生变形，凸面变为凸出的弧面，需要说明的是，本发明中的弧面并不严格指球面中的一段弧面，只要是光滑的曲面，即满足本发明中的弧面要求。

之后，执行步骤S34，去除图形化的掩膜层，本发明具体实施例中，掩膜层的材料为氮氧化硅，去除该图形化的掩膜层的方法为湿法刻蚀，利用磷酸(H₃PO₄)溶液去除氮氧化硅。

在本发明中，退火的工艺也可以在去除图形化的掩膜层之后进行。

参考图8，在对基底40进行退火后，还包括：利用热氧化方法形成氧化层31，覆盖衬底20和基底40，之后去除所述氧化层31。本发明具体实施例中，氧化层31的材料为氧化硅，但不限于氧化硅。利用热氧化方法形成氧化层31的目的在于修复对衬底20和基底40进行退火工艺中，在衬底20和基底40中形成的缺陷，以此保证器件的性能不受退火工艺的影响。在形成氧化层31后，再利用湿法刻蚀去除氧化层31。在本发明的其他实施例中，如果退火工艺中不会在衬底20和基底40中形成缺陷，则不需要进行氧化层31的生长。

之后在基底40上形成由隧穿介质层、捕获电荷层和顶部介质层组成的ONO结构以及位于顶部介质层上的导电层时，隧穿介质层、捕获电荷层和顶部介质层、导电层的形状均与基底40的形状吻合，即隧穿介质层、捕获电荷层和顶部介质层、导电层的上表面、下表面均为弧面。

结合参考图3和图9，执行步骤S35，在所述基底40上依次形成隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24，所述隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24的上表面为凸面。具体方法为：在退火后的基底40和衬底20上形成隧穿介质层21，在隧穿介质层21上形成捕获电荷层22，在捕获电荷层22上形成顶部介质层23，在顶部介质层23上形成导电层24。然后，利用光刻、刻蚀工艺图形化隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24剩余基底40上的隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24。由于基底40退火后，凸面变为弧面，隧穿介质层、捕获电荷层和顶部介质层、导电层的形状均与基底40的形状吻合，因此隧穿介质层、捕获电荷层和顶部介质层、导电层的上表面、下表面均为弧面。

形成方法为化学气相沉积。但本发明中，隧穿介质层21的材料不限于氧化硅，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。顶部介质层23的材料为氧化硅，其厚度为

形成方法为化学气相沉积，但本发明中，顶部介质层23的材料不限于氧化硅，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。捕获电荷层22的材料为氮化硅，其厚度为

形成方法为化学气相沉积，但本发明中，捕获电荷层22的材料不限于氮化硅，形成方法为化学气相沉积，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。导电层24作为栅极，其材料为多晶硅，厚度为

形成方法为气相沉积，但本发明中，导电层24的材料不限于多晶硅，也可以为本领域技术人员公知的其他材料。

继续参考图9，执行步骤S36，对所述衬底20进行离子掺杂，在所述刻衬底20内、基底40的两侧形成源极25和漏极26。其中，在形成源极25和漏极26之前，还包括在隧穿介质层21、捕获电荷层22、顶部介质层23和导电层24形成的堆叠结构的周围形成侧墙，之后以堆叠结构、侧墙为掩膜对衬底20进行离子掺杂以形成源极25和漏极26。掺杂的离子类型根据形成的SONOS的类型确定。

在本技术方案中，形成的SONOS结构是一个凸面结构，即隧穿介质层、捕获电荷层和顶部介质层、导电层的上表面、下表面均为凸面，与隧穿介质层接触的基底的上表面也为凸面，在这种结构中，基底和栅极即导电层之间的电力线不再是平行分布，而是从栅极垂直于介质层(包括顶部介质层、捕获电荷层和隧穿介质层)集中到基底，这使电力线密度即电场强度从栅极到基底不断增加，即使在捕获电荷层没有电子(完全擦除)的情况下，这种结构也保证隧穿介质层中的电场远大于顶部介质层的电场，相对于传统SONOS结构，本结构在整个擦除过程中，从捕获电荷层经过隧穿介质层隧穿到基底的电子数量大于从栅极经过顶部介质层隧穿到捕获电荷层的电子数量，以此有效解决了传统SONOS结构擦除饱和的问题。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种SONOS结构的形成方法，其特征在于，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成图形化的掩膜层，定义出ONO结构的区域；

去除所述图形化的掩膜层；

对所述衬底进行离子掺杂，在所述衬底内、基底两侧形成源极和漏极。

2.如权利要求1所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，在形成隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层之前，对所述基底进行退火，使所述基底的凸面为弧面。

3.如权利要求2所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，所述外延生长法为竖直外延，所述竖直外延的条件为：温度为600～800℃，气压为5～15torr，使用的气体包括：SiCl₂H₂、HCl、H₂。

4.如权利要求2或3所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，H₂气氛围中，温度为800～900℃范围内进行所述退火。

5.如权利要求4所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，去除所述图形化的掩膜层后，在所述基底上依次形成隧穿介质层、捕获电荷层、顶部介质层和导电层之前，还包括：利用热氧化方法形成氧化层，覆盖所述衬底和基底。

6.如权利要求5所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，所述氧化层的材料为氧化硅。

7.如权利要求1所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，所述隧穿介质层的材料为氧化硅。

8.如权利要求1所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，所述顶部介质层的材料为氧化硅。

9.如权利要求1所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，所述捕获电荷层的材料为氮化硅。

10.如权利要求1所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，所述导电层的材料为多晶硅。

11.如权利要求1所述的SONOS结构的形成方法，其特征在于，所述图形化的掩膜层的材料为氮氧化硅。

12.一种SONOS存储器的形成方法，其特征在于，包括：利用权利要求1～11任一项所述的方法形成SONOS结构。