CN101872767B - Sonos器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构，该SONOS器件从下至上包括硅衬底、隧穿氧化层、氮化硅陷阱层、高温氧化层和多晶硅电极，所述氮化硅陷阱层能带结构呈橄榄形，接近隧穿氧化层和高温氧化层的氮化硅陷阱层能带间隙宽度比中间的能带间隙宽度窄。此外，本发明还公开上述SONOS器件结构的制造方法。本发明在提高SONOS闪存数据保存能力的同时，也可以提高写入/擦除后的阈值电压窗口。
Description
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造领域，涉及一种SONOS闪存器件，尤其涉及一种SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构；此外，本发明还涉及上述SONOS器件结构的制造方法。
背景技术
SONOS闪存器件，因为具备良好的等比例缩小特性和抗辐照特性而成为目前主要的闪存类型之一。常规SONOS闪存器件的ONO三明治层能带结构如图1所示，ONO三明治层包括隧穿氧化层2，氮化硅陷阱层3，高温热氧化层4。氮化硅因为有大量的陷阱而作为电荷存储介质，其中接近隧穿氧化层部分的电荷比较容易反向隧穿进入硅衬底(back-tunneling)，这会使SONOS闪存器件的数据保存能力退化；而接近高温热氧化层分布的电荷也会发生隧穿而进入栅电极，从而影响写入/擦除后的阈值电压窗口大小。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构，在提高SONOS闪存数据保存能力的同时，也可以提高写入/擦除后的阈值电压窗口。为此，本发明还提供一种上述SONOS器件结构的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构，该SONOS器件从下至上包括硅衬底、隧穿氧化层、氮化硅陷阱层、高温氧化层和多晶硅电极，所述氮化硅陷阱层能带结构呈橄榄形，接近隧穿氧化层和高温氧化层的氮化硅陷阱层能带间隙宽度比中间的能带间隙宽度窄。
所述氮化硅陷阱层包括顶层富硅氮化硅陷阱层、中部氮化硅陷阱层、底层富硅氮化硅陷阱层。
所述顶层富硅氮化硅陷阱层的厚度为10-40埃，所述底层富硅氮化硅陷阱层的厚度为10-40埃，所述中部氮化硅陷阱层的厚度为20-120埃。
此外，本发明还提供一种SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构的制造方法，包括如下步骤：
第一步，制备隧穿氧化层；
第二步，制备氮化硅陷阱层，形成氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构；
第三步，制备高温热氧化层；
第四步，栅电极制备。
第一步采用热氧化工艺在硅衬底上淀积隧穿氧化层，该步骤工艺温度为700-900℃，时间为30-200分钟。
第二步在隧穿氧化层上淀积氮化硅陷阱层，通过调整氮化硅陷阱层中硅的含量来修正氮化硅的能带间隙，形成氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构，作为存储电荷的介质，该步骤工艺温度为600-800℃，时间为10-60秒。
第二步中所述调整氮化硅陷阱层中硅的含量主要是通过反应气体源的流量配比，所述反应气体源包括氨气和二氯二氢硅。
第二步形成的氮化硅陷阱层包括顶层富硅氮化硅陷阱层、底层富硅氮化硅陷阱层和中部氮化硅陷阱层；所述顶层富硅氮化硅陷阱层的厚度为10-40埃，所述反应气体源氨气和二氯二氢硅的气体流量比例控制在(1∶5)到(1∶2)之间；所述底层富硅氮化硅陷阱层的厚度为10-40埃，所述反应气体源氨气和二氯二氢硅的气体流量比例控制在(1∶5)到(1∶2)之间；所述中部氮化硅陷阱层的厚度为20-120埃，所述反应气体源氨气和二氯二氢硅的气体流量比例控制在(3∶1)到(1∶1)之间。
第三步采用高温热氧化工艺在氮化硅陷阱层上淀积高温热氧化层，该步骤工艺温度为600-900℃，时间为10-60分钟。
第四步采用低压化学汽相淀积方法在高温热氧化层上淀积栅电极，该步骤工艺温度为600-900℃，时间为10-100分钟。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明实现的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构通过改善氮化硅的能带间隙，提高电子和空穴距离氧化硅导带和价带的距离，从而提高电荷的存储能力以及写入/擦除后的阈值电压窗口。
附图说明
图1是常规SONOS闪存器件的能带结构图；
图2是本发明能带间隙工程SONOS器件能带图；
图3是本发明SONOS器件制备方法的工艺流程图，其中，图3A是第一步完成后SONOS器件的截面图；图3B是本发明中第二步完成后SONOS器件的截面图；图3C是本发明中第三步完成后SONOS器件的截面图；图3D是本发明中第四步完成后SONOS器件的截面图；
图4是本发明的橄榄形能带间隙氮化硅层的物理结构图。
在图1到图4中，附图标记具体表示为：
1是硅衬底
2是隧穿氧化层
3是氮化硅陷阱层
3-T是顶层富硅氮化硅陷阱层
3-M是中部氮化硅陷阱层
3-B是底层富硅氮化硅陷阱层
4是高温氧化层
5是多晶硅电极
A是硅的禁带宽度
B是硅价带距离氧化硅价带的势垒高度
C是硅导带距离氧化硅导带的势垒高度
D1、D2是氮化硅价带距离氧化硅价带的势垒高度
E1、E2是氮化硅导带距离氧化硅导带的势垒高度
F是氮化硅的禁带宽度
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图2所示，本发明的SONOS闪存器件从下至上包括硅衬底1、隧穿氧化层2、氮化硅陷阱层3、高温氧化层4和多晶硅电极5，氮化硅陷阱层3能带结构呈橄榄形，其中接近隧穿氧化层2和高温氧化层4的氮化硅陷阱层能带间隙宽度比中间的能带间隙宽度窄。本发明通过调整氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙(能带结构参看图2)，在提高SONOS闪存数据保存能力的同时，也可以提高写入/擦除后的阈值电压窗口。
本发明主要的工艺流程包括如下步骤(如图3所示)：
第一步，隧穿氧化层制备。这步工艺采用常规的热氧化工艺。如图3A所示，在硅衬底1上淀积隧穿氧化层2。该步骤工艺温度：700-900℃，时间30-200Min。
第二步，氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙工程。这步工艺通过调整氮化硅陷阱层中硅的含量，来修正氮化硅的能带间隙(主要是在接近隧穿氧化层和接近高温热氧化层)，从而提高电荷在介质中存储的能力。常用的反应气体源包括氨气(NH3)和二氯二氢硅(SiH2CL2)，硅含量的调整主要是通过反应气体源的流量配比。如图3B所示，在隧穿氧化层2上淀积氮化硅陷阱层3。这步工艺采用常规的低压化学汽相淀积的方法来制备氮化硅陷阱层，作为存储电荷的介质。该步骤工艺温度：600-800℃，时间10-60Sec。如图4所示，氮化硅陷阱层3包括顶层富硅氮化硅陷阱层3-T(接近高温热氧化层4的氮化硅陷阱层)、底层富硅氮化硅陷阱层3-B(接近隧穿氧化层2的氮化硅陷阱层)和中部氮化硅陷阱层3-M，其中，顶层富硅氮化硅陷阱层3-T的厚度为10-40埃，氨气(NH3)和二氯二氢硅(SiH2CL2)的气体流量比例控制在(1∶5)到(1∶2)之间，具有较高的硅含量；底层富硅氮化硅陷阱层3-B的厚度为10-40埃，氨气(NH3)和二氯二氢硅(SiH2CL2)的气体流量比例控制在(1∶5)到(1∶2)之间，具有较高的硅含量；中部氮化硅陷阱层3-M的厚度为20-120埃，氨气(NH3)和二氯二氢硅(SiH2CL2)的气体流量比例控制在(3∶1)到(1∶1)之间，具有较低的硅含量。
第三步，高温热氧化层的制备。这步工艺采用常规的高温热氧化工艺。如图3C所示，在氮化硅陷阱层3上淀积高温热氧化层4。该步骤工艺温度：600-900℃，时间10-60Min。
第四步，栅电极制备。如图3D所示，采用常规低压化学汽相淀积方法在高温热氧化层4上淀积栅电极5。该步骤工艺温度：600-900℃，时间10-100Min。
Claims (8)
1.一种SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构，其特征在于，该SONOS器件从下至上包括硅衬底、隧穿氧化层、氮化硅陷阱层、高温氧化层和多晶硅电极，所述氮化硅陷阱层能带结构呈橄榄形，接近隧穿氧化层和高温氧化层的氮化硅陷阱层能带间隙宽度比中间的能带间隙宽度窄；所述氮化硅陷阱层包括顶层富硅氮化硅陷阱层、中部氮化硅陷阱层、底层富硅氮化硅陷阱层。
2.如权利要求1所述的SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构，其特征在于，所述顶层富硅氮化硅陷阱层的厚度为10-40埃，所述底层富硅氮化硅陷阱层的厚度为10-40埃，所述中部氮化硅陷阱层的厚度为20-120埃。
3.一种SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，制备隧穿氧化层；
第二步，制备氮化硅陷阱层，形成氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构；第二步在隧穿氧化层上淀积氮化硅陷阱层，通过调整氮化硅陷阱层中硅的含量来修正氮化硅的能带间隙，形成氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构，作为存储电荷的介质，该步骤工艺温度为600-800℃，时间为10-60秒；
第三步，制备高温热氧化层；
第四步，栅电极制备。
4.如权利要求3所述的SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构的制造方法，其特征在于：第一步采用热氧化工艺在硅衬底上淀积隧穿氧化层，该步骤工艺温度为700-900℃，时间为30-200分钟。
5.如权利要求3所述的SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构的制造方法，其特征在于：第二步中所述调整氮化硅陷阱层中硅的含量主要是通过反应气体源的流量配比，所述反应气体源包括氨气和二氯二氢硅。
6.如权利要求5所述的SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构的制造方法，其特征在于：第二步形成的氮化硅陷阱层包括顶层富硅氮化硅陷阱层、底层富硅氮化硅陷阱层和中部氮化硅陷阱层；所述顶层富硅氮化硅陷阱层的厚度为10-40埃，所述反应气体源氨气和二氯二氢硅的气体流量比例控制在(1∶5)到(1∶2)之间；所述底层富硅氮化硅陷阱层的厚度为10-40埃，所述反应气体源氨气和二氯二氢硅的气体流量比例控制在(1∶5)到(1∶2)之间；所述中部氮化硅陷阱层的厚度为20-120埃，所述反应气体源氨气和二氯二氢硅的气体流量比例控制在(3∶1)到(1∶1)之间。
7.如权利要求3所述的SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构的制造方法，其特征在于：第三步采用高温热氧化工艺在氮化硅陷阱层上淀积高温热氧化层，该步骤工艺温度为600-900℃，时间为10-60分钟。
8.如权利要求3所述的SONOS器件的氮化硅陷阱层橄榄形能带间隙结构的制造方法，其特征在于：第四步采用低压化学汽相淀积方法在高温热氧化层上淀积栅电极，该步骤工艺温度为600-900℃，时间为10-100分钟。
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