[發明專利]半導體器件結構和制作該半導體器件結構的方法

有效

• 申請號: 201010615165.1
• 申請日: 2010-12-30
• 公開（公告）號: CN102569088A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 禹國賓;三重野文健
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336;H01L21/265;H01L29/792;H01L27/115
• 代理公司: 北京市磐華律師事務所 11336
• 代理人: 董巍;顧珊

技術領域

本發明涉及半導體制造工藝，更特別地涉及硅氧化物氮化物氧化物硅（SONOS）非易失性存儲器的半導體器件結構和制作該半導體器件結構的方法。

背景技術

通常，Flash存儲器件有兩種結構：一種是浮柵（floating?gate）結構，這也是一直以來的主流結構；另一種是電荷能陷儲存（Charge-Trapping?Flash，CTF）結構，SONOS（硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅）屬于后者。

隨著市場對Flash存儲器件集成度要求的不斷提高,?制程尺寸不斷縮小，浮柵的厚度至45nm已近乎極限，難以再縮小，同時傳統Flash器件數據存儲的可靠性與器件的工作速度、功耗、尺寸等方面的矛盾日益凸現。

因此，在45nm工藝以下,?半導體業界將焦點重新投注在過往較少用的CTF結構上。CTF結構有機會再縮小尺寸，因此普遍認為,基于多晶硅浮柵結構的傳統Flash技術勢必會被新一代的CTF結構的存儲器件所取代。

最近，隨著非揮發性存儲器件尺寸的不斷縮小，基于絕緣性能優異的氮化硅的SONOS非易失性存儲器件，以其相對于傳統多晶硅浮柵存儲器更強的電荷存儲能力，易于實現小型化和工藝簡單等特性而重新受到重視。SONOS結構存儲器是用硅(基底)-隧穿氧化硅-氮化硅-阻擋氧化硅(Blocking?Oxide)-多晶硅(Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon,?SONOS)柵堆層替代了傳統的Flash存儲器件中的浮柵結構，是一種電荷陷阱型存儲器。由于它在結構和工藝技術上與傳統Flash最為接近，因此SONOS結構存儲器成為最有可能在短時間內有效取代傳統Flash的存儲器。

與傳統的浮柵結構技術不同，SONOS結構在氮化物層的深阱中局部存儲電荷，這可較好地保持電荷且沒有漂移位和浮柵間的耦合。此外，當溝道熱載流子注入用于編程時，SONOS結構能實現每單元2-bit功能，bit密度能大大提高。

除了小的器件尺寸外，SONOS還具有很多優勢，如良好的耐久性，低的操作電壓和低功率，工藝過程簡單并與標準COMS工藝兼容等。

圖1是傳統的SONOS存儲器的剖面圖。其包括P型半導體襯底101、源區102、漏區103和溝道區104。源區102和漏區103用n-型雜質離子摻雜。溝道區104配置在源區102和漏區103之間。在P型半導體襯底101的溝道區104上形成柵疊加。柵疊加包括依次堆疊的隧道氧化層108、氮化硅層107、阻擋氧化層106、和柵電極105。隧道氧化層108與源區102和漏區103接觸。氮化硅層107具有預定密度的陷阱點。從而，當預定電壓施加于柵電極105時，已經通過隧道氧化層108的電子俘獲在氮化硅層107中的陷阱點。隧道氧化層108和阻擋氧化層106可以由二氧化硅形成。阻擋氧化層106防止在陷阱點俘獲電子時電子移動到柵電極105中。

在這種傳統的SONOS存儲器結構中，閾值電壓隨電子是否俘獲在氮化硅層107的陷阱點中而變化。通過利用該特征，SONOS存儲器可以儲存并讀出數據。SONOS是以氮化硅(Si₃N₄)作為電荷捕獲層來取代傳統以多晶硅來儲存電荷的浮柵極元件。

然而，該傳統SONOS存儲器不僅需要很長時間擦除數據，而且具有較短的保留時間，即，它不能長時間保有存儲數據。

此外，當隧道氧化層108和阻擋氧化層106由二氧化硅組成時，SONOS存儲器需要約10V的高驅動電壓，從而妨礙存儲器的高集成度。

氮化硅層107因為有大量的陷阱而作為電荷存儲介質，其中接近隧道氧化層108部分的電荷比較容易反向遂穿進入P型半導體襯底，這會使SONOS存儲器的數據保存能力退化；而接近阻擋氧化層106分布的電荷也會發生遂穿而進入柵電極105，從而影響寫入/擦除后的閾值電壓窗口大小。

因此，需要提供一種方法，對現有的半導體器件結構的制作方法進行改進，改善半導體器件結構的性能和效果，從而提高半導體器件的質量。在提高SONOS存儲器的數據保存能力的同時，也可以提高寫入/擦除后的閾值電壓窗口，即降低編程電壓，同時仍保持數年的數據記憶時間。

發明內容

在發明內容部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在具體實施方式部分中進一步詳細說明。本發明的發明內容部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。