CN102931196B - Sonos器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SONOS器件，其存储单元由一个SONOS存储晶体管和一个寄生的选择晶体管构成。由于两个晶体管的多晶硅栅极共用，可以视作为单晶体管结构。与现有的SONOS器件的存储单元相比，由于减少存储管与选择管所共用的源漏注入区，因而具有更小的面积。而由多晶硅栅极和隔离结构所形成寄生选择晶体管，不但能承受足够高的耐压，还可以获得更加快速、更高可靠性的器件性能。

Description

SONOS器件

技术领域

本发明涉及一种非易失性存储器(NVM，non volatile memory)，特别是涉及一种SONOS(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon，硅-氧化物-氮化物-氧化硅-硅，又称硅氧化氮氧化硅)器件。

背景技术

请参阅图1，现有的SONOS器件的存储单元通常由一个SONOS存储晶体管(简称为存储管)1a和一个高压选择晶体管(简称为选择管)1b组成。其中存储管1a用来存储数据，选择管1b用来完成数据地址的选择。两个晶体管都在同一个p阱10内。

p阱10的左边区域中具有n型轻掺杂区11，在n型轻掺杂区11之上为ONO(Oxide-Nitride-Oxide，氧化硅-氮化硅-氧化硅)层12。ONO层12具体包括位于下方的氧化硅121、位于中间的氮化硅122和位于上方的氧化硅123。ONO层12之上为多晶硅栅极141、其上方的氮化硅15a。在ONO层12、多晶硅栅极141和氮化硅15a的两侧具有氮化硅侧墙15。氮化硅侧墙15两侧下方的p阱10中具有n型轻掺杂漏注入区16。p阱10中且在n型轻掺杂漏注入区16外侧具有n型源漏注入区17a、17b。多晶硅栅极141、两个源漏注入区17a、17b分别作为存储管1a的栅极和源漏端。

p阱10的右边区域之上具有栅氧化层13。栅氧化层13之上为多晶硅栅极142、其上方的氮化硅15b。在栅氧化层13、多晶硅栅极142和氮化硅15b的两侧具有氮化硅侧墙15。氮化硅侧墙15两侧下方的p阱10中具有n型轻掺杂漏注入区16。p阱10中且在n型轻掺杂漏注入区16外侧具有n型源漏注入区17b、17c。多晶硅栅极142、两个源漏注入区17b、17c作为选择管1b的栅极和源漏端。

存储管1a和选择管1b为串联结构，共用一个源漏注入区17b，且通过该源漏注入区17b完成电气特性互联。

将图1所示SONOS的存储单元各部分结构掺杂类型相反，也是可行的。

请参阅图2，现有的SONOS器件的存储单元中，存储管1a的栅极141作为电气特性中的SONOS字线(WLS)，存储管1a单独使用的源漏注入区17a作为电气特性中的位线(BL)，选择管1b单独使用的源漏注入区17c作为电气特性中的源线(SRC)，选择管1b的栅极142作为电气特性中的字线(WL)。

请参阅图3，现有的SONOS器件的存储单元在组成存储阵列时，阵列的行(第N行)定义为并联的位线(BL)和并联的源线(SRC)，即该行的所有存储管1a单独使用的源漏注入区17a并联且该行的所有选择管1b单独使用的源漏注入区17c并联；阵列的列(第N列)定义为并联的字线(WL)和并联的SONOS字线(WLS)，即该列的所有存储管1a的栅极141并联且该列的所有选择管1b的栅极142并联。

现有的SONOS器件在使用时，存储管1a的数据写入和数据擦除操作需要在存储管栅极141和存储管源漏注入区17a之间偏置很高的电压以得到足够的电场产生隧穿效应，从而产生电子或者空穴在存储管1a的沟道和氮化物存储介质122之间跃迁，实现数据的改变。而这带来了如下问题：

其一、存储管1a的数据写入和数据擦除操作电压很高，选择管1b必须要能够承受p阱10与选择管栅极142之间的高压。换而言之，选择管1b极大地限制了存储管1a可承受的操作电压，进而限制存储管1a的写入、擦除操作和数据保持窗口。

其二，为了使选择管1b不至于因为该操作电压而损坏，需要将位线(WL，通常偏置高电压)接入到存储管源漏注入区17a，而将源线(SRC)接入到选择管源漏注入区17c；源线(SRC)端在数据写入或擦除操作时应该保持电势浮空以防止高压击穿。

其三，存储管1a的数据读取，当需要读取位于第N行和第N列的存储单元数据时，需要在第N行的字线和第N列的位线偏置开启电压；

其四，每个存储单元中，存储管1a都和选择管1b共用一个源漏注入区17b，其主要起电气连接作用，比较耗费存储单元的面积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种SONOS器件，该器件可以承受足够高的电压，还具有较小的面积。

为解决上述技术问题，本发明SONOS器件的存储单元的结构是：硅衬底中具有p阱和n阱，在p阱和n阱的分界处具有隔离结构；所述隔离结构为场氧隔离工艺或浅槽隔离工艺制造的沟槽状二氧化硅；在p阱中具有n型轻掺杂区，n型轻掺杂区紧邻隔离结构在p阱中的一侧；在n阱中具有n型重掺杂区，n型重掺杂区紧邻隔离结构在n阱中的一侧；在n型轻掺杂区和隔离结构之上为ONO层；ONO层之上为多晶硅栅极、其两侧的氮化硅侧墙、其上方的氮化硅；所述ONO层和多晶硅栅极都延伸到了隔离结构的上方；一侧的氮化硅侧墙在隔离结构的上方；另一侧的氮化硅侧墙在n型轻掺杂区的上方，该氮化硅侧墙在外侧下方的p阱中具有n型源漏注入区。

本发明SONOS器件具有更小的面积，能承受足够高的耐压，还可以获得更加快速、更高可靠性的器件性能。

附图说明

图1是现有的SONOS器件的存储单元的结构示意图；

图2是现有的SONOS器件的存储单元的电气连接示意图；

图3是现有的SONOS器件的存储单元在组成存储阵列时的电气连接示意图；

图4是本发明SONOS器件的存储单元的结构示意图；

图5是本发明SONOS器件的存储单元的电气连接示意图；

图6是本发明SONOS器件的存储单元在组成存储阵列时的电气连接示意图。

图中附图标记说明：

1a为SONOS存储晶体管；1b为高压选择晶体管；10为p阱；11为n型轻掺杂区；12为ONO层；121为氧化硅；122为氮化硅；123为氧化硅；13为栅氧化层；14为多晶硅栅极；141为SONOS存储晶体管的多晶硅栅极；142为高压选择晶体管的多晶硅栅极；15为氮化硅侧墙；15a为SONOS存储晶体管的氮化硅掩膜层；15b为高压选择晶体管的氮化硅掩膜层；16为n型轻掺杂漏注入区；17a为SONOS存储晶体管单独使用的源漏注入区；17b为SONOS存储晶体管和高压选择晶体管共用的源漏注入区；17c为高压选择晶体管单独使用的源漏注入区；20为n阱；21为隔离结构；22为寄生选择晶体管单独使用的源漏注入区。

具体实施方式

请参阅图4，本发明SONOS器件的存储单元的结构是：硅衬底中具有p阱10和n阱20，在p阱10和n阱20的分界处具有隔离结构21，换而言之隔离结构21跨越p阱10和n阱20。隔离结构21例如为场氧隔离(LOCOS)或浅槽隔离(STI)工艺制造，先刻蚀一道沟槽，再在该沟槽中填充二氧化硅形成。在p阱10中具有n型轻掺杂区11，n型轻掺杂区11紧邻隔离结构21在p阱10中的一侧。在n阱20中具有n型重掺杂区22，n型重掺杂区22紧邻隔离结构21在n阱20中的一侧。在n型轻掺杂区11和隔离结构21之上为ONO(Oxide-Nitride-Oxide，氧化硅-氮化硅-氧化硅)层12。ONO层12具体包括位于下方的氧化硅121、位于中间的氮化硅122和位于上方的氧化硅123。ONO层12之上为多晶硅栅极14、其上方的氮化硅15a。在ONO层12、多晶硅栅极14和氮化硅15a的两侧具有氮化硅侧墙15。显然ONO层12、多晶硅栅极14都延伸到了隔离结构21的上方。一侧的氮化硅侧墙15在隔离结构21的上方。另一侧的氮化硅侧墙15在n型轻掺杂区11的上方，该侧的氮化硅侧墙15在外侧下方的p阱10中具有n型源漏注入区17a。

图4中显示了本发明所述SONOS器件的两个存储单元，它们共用一个n型重掺杂区22。从物理结构上看，本发明SONOS器件的存储单元仅有一个晶体管结构。但考虑到物理特性，该存储单元又可划分为SONOS存储晶体管(简称为存储管)2a和寄生选择晶体管(简称为选择管)2b，图4中以虚线相划分。其中的存储管2a与现有的SONOS器件中的存储管1a类似，其一端为n型重掺杂源漏注入区17a，另一端为存储管2a的沟道(n型轻掺杂区11)延伸到选择管2b的部分，这两端作为源漏端。存储管2a的结构全部在p阱10内。而选择管2b则是一个寄生的晶体管。隔离结构21是氧化硅材料，作为该选择管2b的栅氧化层。多晶硅栅极14延伸到隔离结构21之上的部分作为该选择管2b的栅极。隔离结构21与n阱20交界面处的n阱20作为该选择管2b的沟道区。p阱10作为该选择管2b的衬底。该选择管2b的一端为n型重掺杂区22作为漏端，另一端为存储管2a的沟道(n型轻掺杂区11)延伸到选择管2b的部分，这两端作为源漏端。选择管2b的漏端22在n阱20内。显然，存储管2a和选择管2b共用一个多晶硅栅极14和一个源漏端(n型轻掺杂区11延伸到选择管2b的部分)。

将图4的各部分结构掺杂类型相反，也是可行的。

请参阅图5，本发明SONOS器件的存储单元中，存储管2a与选择管2b所共用的栅极14作为电气特性中的字线(WL)，存储管2a的源漏注入区17a作为电气特性中的源线(SRC)，选择管2b的源漏注入区22作为电气特性中的位线(BL)，p阱10作为电气特性的衬底(BULK)。

请参阅图6，本发明SONOS器件的存储单元在组成存储阵列时，阵列的行(第N行)定义为并联的位线(BL)和并联的源线(SRC)，即该行的所有存储管2a的源漏注入区17a并联，且该行的所有选择管2b的源漏注入区22并联；阵列的列(第N列)定义为并联的字线(WL)，即该列的所有存储管2a与选择管2b所共用的栅极14并联。图6中还具有存储阵列中存储管的端字线(WLS，WORD LINE OF SONOS)，主要用于在整列存储单元数据写入和擦除时选择阵列中的单元。字线(WL)则主要在读取整列的数据时选择整列单元。端字线(WLS)由每一列的字线(WL)相连接而得到。

本发明SONOS器件在使用时，存储管2a的数据写入和数据擦除操作需要在存储管栅极141和存储管源漏注入区17a之间偏置很高的电压以得到足够的电场产生隧穿效应，从而产生电子或者空穴在存储管2a的沟道和氮化物存储介质122之间跃迁，实现数据的改变。与现有的SONOS器件相比具有如下优点：

其一，存储管2a的数据写入和数据擦除操作电压很高，寄生的选择管2b由于采用的隔离结构21作为栅氧化层，通常的场氧隔离或浅槽隔离可达的厚度，能承受足够高的电压，因而满足p阱10和选择管2b的栅极141之间的高耐压需求。这也就意味着该选择管2b不会对存储管2a的操作电压有所限制。

其二，由于本发明中选择管2b可以承受较高的电压，因此可以将位线(BL，通常偏置高电压)接入到选择管2b的源漏注入区22，而将源线(SRC)接入到存储管2a的源漏注入区17a。这一点与现有SONOS器件恰好相反，在存储单元器件高电压条件擦写操作时候，可以通过选择管的开和关，防止高电压传送到存储管，防止由于电压造成的串扰。

其三，源线(SRC)端在数据写入或擦除操作时不会受存储管2a的耐压限制，所以可以保持电势接地。在对存储阵列操作时，由于所有源线(SRC)端均接地，可以设置一条全局源线(GLOBAL SRC)，如图6所示。

其四，存储阵列的行(第N行和第N+1行)定义为并联的源线时，即该相邻两行的所有存储管2a的源漏注入区17a并联，即可以减掉一条第N+1行的源线，第N行和第N+1行共用第N行源线，如图6所示。

综上所述，本发明提出了一种新型的SONOS器件结构，其存储单元由一个SONOS存储晶体管2a和一个寄生的选择晶体管2b构成。由于两个晶体管2a、2b的多晶硅栅极141共用，可以视作为单晶体管结构。与现有的SONOS器件的存储单元相比，由于减少存储管1a与选择管1b所共用的源漏注入区17b，因而具有更小的面积。而由多晶硅栅极141和隔离结构21所形成寄生选择晶体管2b，不但能承受足够高的耐压，还可以获得更加快速、更高可靠性的器件性能。

Claims (6)

1.一种SONOS器件，其特征是，该SONOS器件的存储单元的结构是：硅衬底中具有p阱和n阱，在p阱和n阱的分界处具有隔离结构；所述隔离结构为场氧隔离工艺或浅槽隔离工艺制造的沟槽状二氧化硅；

在p阱中具有n型轻掺杂区，n型轻掺杂区紧邻隔离结构在p阱中的一侧；在n阱中具有n型重掺杂区，n型重掺杂区紧邻隔离结构在n阱中的一侧；

在n型轻掺杂区和隔离结构之上为ONO层；ONO层之上为多晶硅栅极，多晶硅栅极上方为氮化硅；在所述ONO层、多晶硅栅极及氮化硅两侧具有氮化硅侧墙；所述ONO层和多晶硅栅极都延伸到了隔离结构的上方；

一侧的氮化硅侧墙在隔离结构的上方；

另一侧的氮化硅侧墙在n型轻掺杂区的上方，该侧的氮化硅侧墙在外侧下方的p阱中具有n型源漏注入区。

2.根据权利要求1所述的SONOS器件，其特征是，所述SONOS器件的存储单元中，多晶硅栅极、ONO层、n型轻掺杂区、n型源漏注入区、p阱一起构成了一个SONOS存储晶体管；该存储单元中还具有一个寄生的选择晶体管，隔离结构作为该寄生选择晶体管的栅氧化层，多晶硅栅极延伸到隔离结构之上的部分作为该寄生选择晶体管的栅极，隔离结构与n阱交界面处的该n阱作为该寄生选择晶体管的沟道区，p阱作为该寄生选择晶体管的衬底，n型重掺杂区作为该寄生选择晶体管的漏端。

3.根据权利要求2所述的SONOS器件，其特征是，所述SONOS存储晶体管的全部结构都在p阱内，所述寄生选择晶体管的漏端在n阱内。

4.根据权利要求2所述的SONOS器件，其特征是，所述SONOS存储晶体管和寄生选择晶体管共用一个多晶硅栅极。

5.根据权利要求2所述的SONOS器件，其特征是，所述多晶硅栅极作为字线，n型重掺杂区作为源线，n型源漏注入区作为位线，p阱作为衬底。

6.根据权利要求5所述的SONOS器件，其特征是，所述SONOS器件的存储单元在组成存储阵列时，阵列的行为并联的位线和并联的源线，阵列的列为并联的字线。