[发明专利]操作具有氧化/氮化多层绝缘结构非易失存储单元的方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种操作存储单元的方法，特别是针对施加一电压于栅极，造成从栅极至电荷储存层的空穴发生隧穿，以擦除、编程或读取一存储单元的方法。

背景技术

非易失性存储器(NVM)是指半导体存储器可持续地储存信息，即使是在包含NVM单元的装置的电源供应被移除时仍可持续地储存信息。NVM包含掩膜只读存储器(Mask ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦写可编程只读存储器(EEPROM)、和闪存。而非易失性存储器被大量地应用在半导体产业中，以及成为一种用以防止编程数据遗失的存储器类型。一般来说，非易失性存储器可依照此装置的最终使用需求来被编程、读取、及/或擦除，以及可以长时间地储存编程数据。

非易失性存储装置可使用多种不同的设计，包含具有电荷储存层的『浮动栅极型』，以及具有电荷捕捉层而将电荷以局部方式储存。局部电荷储存(或捕捉)是指可利用电荷捕捉层将电荷储存的能力，而且不会在储存层中造成大量的电荷水平移动。习知的『浮动栅极』存储单元包含一电荷储存层，而该电荷储存层为一导体且被储存的电荷水平地分散于整层中(例如：分散在整个浮动栅极中)。

随着过去近二十年来信息科技市场的大幅成长，便携式计算机与电子通讯产业已经成为半导体超大规模集成电路与极大规模集成电路设计的主要驱动力。因此，低消耗功率、高密度、以及可再编程非易失性存储器有非常大的市场需求。这些类型的可编程与可擦写存储器已经成为半导体产业的重要装置。

对于存储容量的大幅需求，转变成对于集成度和存储器密度的高度需求。在每一单元中可以储存二个位信息的双位单元在此领域中虽已为习知技艺，但并未被广泛使用。某些双位单元具有多重阈值电压级，其中每二个阈值电压级之间储存了一个不同的位。这些类型的双位单元牵涉的操作复杂度，阻碍了其广泛应用。其它双位单元使用电荷捕捉层且具有二个分离的储存位置，并在同单元的二侧之一储存一位信息。此种双位单元的其中一种为氮化物电荷捕捉非易失存储器(NROM)。

一般来说，氮化物电荷捕捉非易失存储器单元在半导体层与电荷捕捉氮化物层之间使用一较厚的沟道氧化物层，来避免在数据保存状态时的电荷流失。然而，较厚的沟道氧化物层可能会影响沟道擦除速度。因此，带对带隧穿热空穴(BTBTHH)擦除法经常被用来从沟道注射空穴陷阱来抵销储存的电子。然而，BTBTHH擦除方法可能会引起可靠度问题。举例来说，NVM装置使用BTBTHH擦除方法的性能特征系数，在多次编程/擦除(P/E)循环之后可能会快速劣化，因为半导体层/氧化物接口可能因为BTBTHH方法而产生损坏。本发明中，『半导体层』是指源极/漏极区域靠近于此层表面的层结构，而『半导体衬底』或『衬底』是指邻近于半导体层的支撑或绝缘结构，但并不包含源极/漏极区域。并非所有的半导体装置都具有半导体衬底，以及在不具有半导体衬底的例子中，半导体层则通常也被认为是衬底。

在其它电荷捕捉NVM单元设计的实施例中，SONOS装置(硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅)，而其可包含在半导体层和电荷捕捉层间的一层薄的隧穿氧化物层，以允许空穴直接隧穿擦除操作。虽然此种设计可达到好的擦除速度，但数据保存性能则通常不佳，其部分是因为直接隧穿即可以在低电场强度下发生，而低电场强度则可在存储装置的保存状态时就已经存在。

因此，在现有技术领域中需要具有改良的数据保存性能、强化操作速度上可多次重复地进行编程与擦除的非易失性存储单元设计与阵列，以及不会受到从半导体层发生的热空穴隧穿所引起的半导体层/氧化物界面损害。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种关于非易失存储单元与包含此等存储单元装置的操作方法，更具体地为一非易失存储单元设计的操作，而其包含一绝缘氧化物/氮化物多层结构位于一电荷储存层和一栅极之间，而其可加速正电压擦除操作和允许栅极注射空穴擦除。依据本发明的各种实施例中，正电压擦除操作可以降低当使用存储单元擦除方法，由半导体层带对带热空穴注射而引起的半导体层/氧化层界面损害。本发明的优点之一便在于允许正电压编程和擦除操作，例如以热电子效应来编程和以空穴注射来擦除。而此特征并不需要外围电路对于编程/擦除用途的负电压操作。