具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構及其操作方法

2023-04-27 01:54:56

專利名稱：具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構及其操作方法
技術領域：
本發明是有關於一種非揮發性內存(Non-Volatile Memory)元件的結構，且特別是有關於一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構及其操作方法。
典型的可電擦除且可編程只讀存儲器以摻雜的多晶矽製作浮置柵極(Floating Gate)與控制柵極(Control Gate)。當內存進行程序化(Program)時，適當程序化的電壓分別加到源極區、漏極區與控制柵極上，電子將由源極區經由信道(Channel)流向漏極區。在此過程中，將有部分的電子會穿過多晶矽浮置柵極層下方的穿隧氧化層(Tunneling Oxide)，而進入多晶矽浮置柵極層中，並且會均勻分布於整個多晶矽浮置柵極層中，此種電子穿越穿隧氧化層進入多晶矽浮置柵極層的現象，稱為穿隧效應(Tunneling Effect)。可電擦除且可編程只讀存儲器一般的操作機制是以上述信道熱電子(Channel Hot-Electron Injection)機制進行程序化，並且利用Fowler-Nordheim穿隧(F-N Tunneling)效應進行擦除。但是，若多晶矽浮置柵極層下方的穿隧氧化層有缺陷(Defect)存在，則容易造成元件的漏電流，影響元件的可靠度。
為了解決傳統可電擦除且可編程只讀存儲器元件漏電流的問題，目前公知的一種方法是利用一電荷捕捉層取代多晶矽浮置柵極，電荷捕捉層的材質例如是氮化矽。而形成一種由氧化矽/氮化矽/氧化矽(ONO)複合層所構成的堆棧式(Stacked)柵極結構的EEPROM。因為電荷捕捉層的材質為氮化矽，所以此種EEPROM也稱為氮化矽只讀存儲器(NROM)。因為，氮化矽層具有抓住電荷的效果，所以注入氮化矽層中的電子並不會均勻分布於整個氮化矽層中，而是以高斯分布的方式集中於氮化矽層的局部區域上。由於注入於氮化矽層的電子僅集中於局部的區域，因此，對於穿隧氧化層其缺陷的敏感度較小，元件漏電流的現象較不易發生。
然而，在一般的氮化矽只讀存儲器的製造過程中，由於工藝環境的影響，例如使用等離子體(Plasma)等將會使得電荷沿著金屬移動，發生所謂的天線效應(Antenna Effect)，瞬間的電荷不平衡，將使部分電荷陷入氧化矽/氮化矽/氧化矽(ONO)複合層中，造成只讀存儲器元件形成不均勻的程序化(Program)的現象，進而導致啟始電壓的分布(0.3伏特至0.9伏特)過大的問題。
為了解決上述問題，公知一種解決天線效應所造成只讀存儲器元件程序化問題的方法，是在基底中形成與字符線電相連的二極體(N+摻雜區)，當二極體中的瞬間電荷達到一定值時，則由電崩潰的方式將電荷釋放至基底中。然而具有此種結構的氮化矽只讀存儲器元件，在進行程序化或讀取操作時，由於施予字符線的偏壓會高於二極體(N+摻雜區)的崩潰電壓，因此施予字符線的偏壓會因二極體(N+摻雜區)的電崩潰而降低，進而影響元件操作(寫入/擦除)的速度。
本發明的另一目的在於提供具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構及其操作方法，利用具有可變崩潰電壓的保護二極體，使氮化矽只讀存儲器在進行程序化或讀取操作時不會降低輸入的電壓，而影響元件操作(寫入/擦除)的速度。
本發明提供一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構，此結構是由基底、氮化矽只讀存儲器存儲單元、N+摻雜區、N+保護環與多晶矽保護環所構成，其中基底、N+摻雜區、N+保護環與多晶矽保護環構成一保護二極體。氮化矽只讀存儲器存儲單元位於基底上。N+摻雜區位於基底中，且N+摻雜區與氮化矽只讀存儲器存儲單元的一字符線電接觸。N+保護環位於環繞N+摻雜區的基底中。多晶矽保護環位於N+摻雜區與N+保護環之間的基底上。
本發明另外提供一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其中保護二極體結構是由一N+摻雜區、一N+保護環與一多晶矽保護環所構成。N+摻雜區位於基底中，且N+摻雜與氮化矽只讀存儲器存儲單元的一字符線電接觸。N+保護環位於環繞N+摻雜區的基底中。多晶矽保護環位於N+摻雜區與N+保護環之間的基底上。此方法是於進行程序化操作時，於字符線施加一第一正電壓，於多晶矽保護環施加一第二正電壓，並使N+保護環浮置。進行讀取操作時，於字符線施加一第三正電壓，於多晶矽保護環施加第四正電壓，並使N+保護環浮置。進行擦除操作時，於氮化矽只讀存儲器存儲單元的一N-井施加一第五正電壓。
本發明是由金屬內聯機將後段工藝所產生的電荷導入二極體(N+摻雜區)，且二極體(N+摻雜區)崩潰電壓例如是3伏特至5伏特。因此，瞬間不平衡的電荷可以由基底流走，可以避免因電荷陷入氧化矽/氮化矽/氧化矽(ONO)複合層的氮化矽層(電荷捕捉層)中所造成的問題。
而且，本發明於二極體(N+摻雜區)的周圍形成N+保護環，並且於N+保護環與二極體(N+摻雜區)之間的基底上形成多晶矽保護環。在進行氮化矽只讀存儲器存儲單元的程序化或讀取操作時，於多晶矽保護環上施加一正偏壓，使二極體(N+摻雜區)的接面輪廓變平滑，調變二極體(N+摻雜區)的崩潰電壓，使其崩潰電壓提高。所以，具有本發明的可變崩潰電壓的保護二極體結構的氮化矽只讀存儲器在操作時，並不會降低輸入的電壓而使得程序化或讀取的速度變慢。
此外，本發明是以在二極體(N+摻雜區)周圍形成一個N+保護環，當然也可以於二極體(N+摻雜區)周圍形成兩個以上的N+保護環，以使二極體(N+摻雜區)的崩潰電壓的調變範圍更為廣泛。
圖4為依照本發明實施例所繪示的一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的擦除操作的示意圖。
附圖標記說明100基底102N-井104P-井106電荷捕捉層108柵極導體層(字符線)110二極體(N+摻雜區)112多晶矽保護環114N+保護環116、118、120插塞122、124、128導線126介層窗C1、C2接面輪廓首先，請參照

圖1與圖2，本發明的具有可變崩潰電壓保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構包括基底100、N-井102、P-井104、電荷捕捉層106、柵極導體層108(字符線)、二極體(N+摻雜區)110、多晶矽保護環(Poly Guard Ring)112、N+保護環114、插塞116、插塞118、插塞120、導線122與124、介層窗126以及導線128構成。
基底100例如是P-基底。柵極導體層108(字符線)覆蓋於基底100上，且柵極導體層108例如是由多晶矽層與金屬矽化物層組成。電荷捕捉層106位於柵極導體層108與基底100之間，且電荷捕捉層106例如是一氧化矽/氮化矽/氧化矽(ONO)結構。N-井102位於柵極導體層108下方的基底100中。P-井104位於柵極導體層108與N-井102的間的基底100中。二極體(N+摻雜區)110位於基底100中，並與柵極導體層108(字符線)隔離。N+保護環114位於基底100中，且環繞二極體(N+摻雜區)110。多晶矽保護環112位於二極體(N+摻雜區)110與N+保護環114之間的基底100上。導線122位於基底100上方，其一端由插塞116與柵極導體層108(字符線)電連接，另一端由插塞118與二極體(N+摻雜區)110電接觸。導線128位於基底100上方，其由介層窗126連接導線122。導線124位於基底100上方，其由插塞120與多晶矽保護環112電接觸。
上述說明本發明的具有可變崩潰電壓的保護二極體的結構。接著說明本發明具有可變崩潰電壓的保護二極體的結構的操作方法。
請參照圖2，在進行完成非揮發性內存的含有等離子體的後段工藝時，在可由插塞116、導線122以及插塞118將工藝所產生的電荷導入二極體(N+摻雜區)110(圖中箭號所示)，且二極體(N+摻雜區)110的崩潰電壓例如是3伏特至5伏特。因此，當瞬間的電荷達到一定值(3伏特至5伏特)，則由電崩潰的方式將電荷釋放，使電荷從接面輪廓C1的接合尖角(Junction Corner)流入基底100中，可以避免因電荷陷入電荷捕捉層106中所造成的問題。
請參照圖3，當對氮化矽只讀存儲器存儲單元進行程序化操作時，通常是利用信道熱電子注入(Channel Hot Electron Injection，CHEI)效應來進行，而需要施予柵極導體層108(字符線)一正偏壓，此正偏壓例如是6伏特至9伏特左右。然而當施予柵極導體層108例如是6伏特至9伏特的正偏壓時，在二極體(N+摻雜區)110的崩潰電壓必須要調整成大於施予柵極導體層108的偏壓，其例如是7伏特至10伏特左右，否則施予柵極導體層108的電流會有一部分經過導線122與插塞118導入二極體(N+摻雜區)110中，並以電崩潰方式導入基底100中，造成氮化矽只讀存儲器的程序化速度變慢。因此，由導線124與插塞120施予一偏壓至多晶矽保護環112上，此偏壓例如是8伏特至11伏特左右，並且使N+保護環114浮置。如此，二極體(N+摻雜區)110的接面輪廓C1會擴大成為接面輪廓C2而使得接合尖角變平滑，二極體(N+摻雜區)110的崩潰電壓就會改變成7伏特至10伏特左右，因此在進行氮化矽只讀存儲器程序化時，施予柵極導體層108(字符線)的偏壓就不會經由二極體(N+摻雜區)110流入基底100中，可以維持氮化矽只讀存儲器的程序化速度。
在進行氮化矽只讀存儲器存儲單元的讀取操作時，通常需要施予柵極導體層108(字符線)一正偏壓，此正偏壓例如是2伏特至4伏特左右。然而當施予柵極導體層108例如是2伏特至4伏特的正偏壓時，在二極體(N+摻雜區)110的崩潰電壓必須要調整成大於施予柵極導體層108的偏壓，其例如是7伏特至10伏特左右，否則施予柵極導體層108的電流會經過導線122與插塞118導入二極體(N+摻雜區)110中，並經過電崩潰而導入基底100中，造成氮化矽只讀存儲器的讀取速度變慢。因此，由導線124與插塞120施予一偏壓至多晶矽保護環112上，此偏壓例如是8伏特至11伏特左右，並且使N+保護環114浮置。如此，二極體(N+摻雜區)110的接面輪廓C1會變大成為接面輪廓C2使接合尖角變平滑，二極體(N+摻雜區)110的崩潰電壓就會改變成7伏特的10伏特左右，因此在進行氮化矽只讀存儲器的數據讀取時，施予柵極導體層108(字符線)的偏壓就不會經由二極體(N+摻雜區)110流入基底100中，可以維持氮化矽只讀存儲器的數據讀取速度。
請參照圖4，在進行氮化矽只讀存儲器存儲單元的擦除操作時，通常是利用價帶-導帶間熱電洞(Band to Band Hot Hole)效應從位線將數據擦除，而需要施予N-井102一正偏壓，此正偏壓例如是5伏特左右，使柵極導體層108至P-井104間產生一負電壓。由於二極體(N+摻雜區)110的崩潰電壓不需要進行調整，因此不需要施予一偏壓至多晶矽保護環112。
依照上述實施例所述，本發明於含有等離子體的後段工藝中，由金屬內聯機將工藝所產生的電荷導入二極體(N+摻雜區)，且二極體(N+摻雜區)崩潰電壓例如是3伏特至5伏特。因此，瞬間不平衡的電荷可以由基底100流走，可以避免因電荷陷入氧化矽/氮化矽/氧化矽(ONO)複合層106的氮化矽層(電荷捕捉層)中所造成的問題。
而且，本發明於二極體(N+摻雜區)的周圍形成N+保護環，並且於N+保護環與二極體(N+摻雜區)之間的基底上形成多晶矽保護環。在進行氮化矽只讀存儲器存儲單元的程序化或讀取操作時，於多晶矽保護環上施加一正偏壓，使二極體(N+摻雜區)的接面輪廓變平滑，提高二極體(N+摻雜區)的崩潰電壓。所以，具有本發明的可變崩潰電壓的保護二極體結構的氮化矽只讀存儲器在操作時，並不會降低輸入的電壓而使得程序化或讀取的速度變慢。
此外，上述實施例中以在二極體(N+摻雜區)周圍形成一個N+保護環，當然也可以於二極體(N+摻雜區)周圍形成兩個以上的N+保護環，以使二極體(N+摻雜區)的崩潰電壓更為提高。
雖然本發明已以一實施例說明如上，然其並非用以限定本發明，任何熟悉此技術者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護範圍當以權利要求書為準。
權利要求
1.一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構，其特徵為該結構包括一基底，該基底上具有一氮化矽只讀存儲器存儲單元；一N+摻雜區，該N+摻雜區位於該基底中，且該N+摻雜區與該氮化矽只讀存儲器存儲單元的一字符線電接觸；一第一N+保護環，該第一N+保護環位於環繞該N+摻雜區的該基底中；以及一多晶矽保護環，該多晶矽保護環位於該N+摻雜區與該第一N+保護環之間的該基底上。
2.如權利要求1所述的具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構，其特徵為其中該氮化矽只讀存儲器存儲單元包括一氧化矽/氮化矽/氧化矽(ONO)複合層。
3.如權利要求1所述的具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構，其特徵為其中至少還包括一第二N+保護環，該第二N+保護環位於環繞該第一N+保護環的該基底中。
4.一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其特徵為該保護二極體結構包括一N+摻雜區、一N+保護環與一多晶矽保護環，其中該N+摻雜區位於一基底中，且該N+摻雜區與一氮化矽只讀存儲器存儲單元的一字符線電接觸；該N+保護環位於環繞該N+摻雜區的該基底中；該多晶矽保護環位於該N+摻雜區與該N+保護環之間的該基底上；該方法包括進行程序化操作時，於該字符線施加一第一正電壓；於該多晶矽保護環施加一第二正電壓；以及使該N+保護環浮置。
5.如權利要求4所述的具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其特徵為其中該第一正電壓為6伏特到9伏特左右。
6.如權利要求4所述的具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其特徵為其中該第二正電壓為8伏特到11伏特左右。
7.一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其特徵為該保護二極體結構包括一N+摻雜區、一N+保護環與一多晶矽保護環，其中該N+摻雜區位於一基底中，且該N+摻雜區與一氮化矽只讀存儲器存儲單元的一字符線電接觸；該N+保護環位於環繞該N+摻雜區的該基底中；該多晶矽保護環位於該N+摻雜區與該N+保護環之間的該基底上；該方法包括進行讀取操作時，於該字符線施加一第三正電壓；於該多晶矽保護環施加該第四正電壓；以及使該N+保護環浮置。
8.如權利要求7所述的具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其特徵為其中該第三正電壓為2伏特到4伏特左右。
9.如權利要求7所述的具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其特徵為其中該第四正電壓為8伏特到11伏特左右。
10.一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其特徵為該保護二極體結構包括一N+摻雜區、一N+保護環與一多晶矽保護環，其中該N+摻雜區位於一基底中，且該N+摻雜區與一氮化矽只讀存儲器存儲單元的一字符線電接觸；該N+保護環位於環繞該N+摻雜區的該基底中；該多晶矽保護環位於該N+摻雜區與該N+保護環之間的該基底上；該方法包括在進行擦除操作時，於該氮化矽只讀存儲器存儲單元下方的一N-井施加一第五正電壓。
11.如權利要求10所述的具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器的操作方法，其特徵為其中該第五正電壓為5V左右。
全文摘要
一種具有保護二極體的氮化矽只讀存儲器結構，此結構是由基底、氮化矽只讀存儲器存儲單元、N
文檔編號H01L27/112GK1445857SQ02107448
公開日2003年10月1日 申請日期2002年3月19日 優先權日2002年3月19日
發明者郭東政 申請人:旺宏電子股份有限公司