專利名稱：Nrom單元中的閾值電壓偏移的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及NROM單元，尤其涉及其中的閾值電壓偏移。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中已知非易失性電荷俘獲層器件，如氮化物只讀存儲器(NROM)。圖1示出典型的NROM單元10，現(xiàn)在參考圖1。NROM單元在襯底105中在兩條位線102和104之間具有溝道100，并且在柵極112下具有氧化物-氮化物-氧化物(ONO)夾層結(jié)構(gòu)。氧化物-氮化物-氧化物夾層結(jié)構(gòu)具有通常厚度為10-17nm的頂部氧化物層111、通常厚度為4-8nm的中間氮化物層110、以及通常厚度為4-8nm的底部氧化物層109。NROM單元可以包含位于中間氮化物層110內(nèi)的定義1位的可充電區(qū)域106。雙位NROM單元可以包含兩個位于中間氮化物層110內(nèi)的分開的且可獨立充電的區(qū)域106和108。
位106和108是可以單獨訪問的，因此，通常可以分別對它們進行編程(通常表示為‘0’)、擦除(通常表示為‘1’)或讀取。通常，利用在漏極上，即在位線102或104上，以及在柵極112上的電壓脈沖執(zhí)行NROM單元的編程和擦除。在每個脈沖后，執(zhí)行檢測單元狀態(tài)的校驗操作。持續(xù)進行編程和校驗操作，直到單元在讀操作期間不通過任何有效電流為止。在擦除過程中，情況相反；持續(xù)進行擦除和校驗操作，直到在讀取過程中有效電流出現(xiàn)為止。
對位(106或108)進行讀取包括確定如在讀取特定位時所觀察到的閾值電壓Vt是大于還是小于讀取參考電壓電平RD。
圖2示出作為閾值電壓Vt函數(shù)的存儲器芯片(該芯片通常具有形成在存儲陣列中的大量NROM單元)的編程和擦除狀態(tài)的分布，現(xiàn)在參考圖2。在讀取電平RD之下存在擦除分布30，其最右側(cè)點是擦除閾值電壓Vte。同樣，在讀取電平RD之上存在編程分布32，其最左側(cè)點是編程閾值電壓Vtp。
分開兩個閾值電壓Vtp和Vte的距離是操作窗口WO。操作窗口WO由容限(margin)M0和M1組成，如圖2所示。容限M0是讀取參考電壓電平RD與編程閾值電壓Vtp之間的距離。容限M1是讀取參考電壓電平RD與擦除閾值電壓Vte之間的距離。通過容限M0和M1而使編程閾值電壓Vtp與擦除閾值電壓Vte分開的距離確保‘0’和‘1’(分別表示已編程單元狀態(tài)和已擦除單元狀態(tài))的讀取是準確的。只要容限足夠大，就可以實現(xiàn)可靠的讀取。
不幸地，容限可能會隨著時間而顯著變化，這可以導(dǎo)致單元停止操作。例如，如現(xiàn)在正參照的圖3所示，在“烘干(Bake)”處理時容限可能縮小。在烘干處理中，將單元暴露在高溫下，以便模擬在較長的時間內(nèi)單元保持信息的能力，并且這是許多在將存儲陣列作為商品發(fā)售之前對其進行的測試中的一種。
圖3示出在多次編程和擦除循環(huán)之后典型NROM單元相對于時間的閾值電壓Vtp和Vte。如圖3所示，示出在t＝0時的初始操作窗口WOi、以及初始容限M0i和M1i。在一段時間后，在t＝x時，看到容限M0x和M1x減小。最后，容限M0和M1以及操作窗口WO可能縮小到不能再實現(xiàn)可靠的讀取，并由此NROM單元將不再可靠的程度。因此，在產(chǎn)品壽命期間可能發(fā)生的容限縮小在NROM單元的有效產(chǎn)品壽命上是一個限制因素。


在說明書的結(jié)束部分中特別指出被認為是本發(fā)明的主旨并且明確主張對其的權(quán)利。然而，通過參考以下結(jié)合附圖的詳細說明可以更好地理解關(guān)于操作的組織和方法的本發(fā)明及其目的、特征、以及優(yōu)點，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)NROM單元的圖示；
圖2是由大量NROM單元組成的存儲器芯片的編程和擦除狀態(tài)分布的圖示；圖3是在編程和擦除的多次循環(huán)后進行烘干處理之后的NROM單元典型性能的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的新穎的NROM單元的圖示；圖5A是作為在編程和擦除的多次循環(huán)之后的正柵極應(yīng)力(positive gatestress)的結(jié)果，由具有不同ONO結(jié)構(gòu)的NROM單元所展現(xiàn)出的擦除和編程閾值電壓偏移的示意圖；圖5B是圖5A針對本發(fā)明的ONO結(jié)構(gòu)和移動的讀取電平的曲線的示意圖；圖6是作為在編程和擦除的多次循環(huán)之后的烘干處理的結(jié)果，由具有不同ONO結(jié)構(gòu)的NROM單元所展現(xiàn)出的容限縮小和偏移的示意圖；以及圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實施例構(gòu)造和操作的多電平NROM單元的操作范圍的示意圖。
應(yīng)該理解的是為了說明的簡潔和清楚，附圖所示的元件不必按比例繪制。例如，為了清楚起見，一些元件的尺寸可以相對于其他元件進行放大。另外，如果認為是恰當?shù)?，則可以在附圖中重復(fù)使用參考標記來表示相應(yīng)或類似的元件。
具體實施例方式
在以下的詳細說明中，將闡明許多詳盡的細節(jié)以便徹底理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在沒有這些詳盡的細節(jié)的情況下本發(fā)明可以實施。在其他情況下，沒有對公知的方法、過程、以及器件進行說明免得使本發(fā)明難以理解。
申請人意識到，如果在編程和擦除的重復(fù)循環(huán)后的烘干或正柵極應(yīng)力之后可能出現(xiàn)的容限變化減小，并且保持穩(wěn)定的操作窗口，則可以延長NROM單元的產(chǎn)品壽命。申請人發(fā)現(xiàn)具有薄的底部氧化物層的NROM單元可以展現(xiàn)出最小的容限變化和穩(wěn)定的操作窗口。
現(xiàn)在參考圖4，其示出新穎的具有在這里被標注為130的薄底部氧化物層的NROM單元128。NROM單元128的其他部件可以基本上與現(xiàn)有技術(shù)的NROM相同，并且以與圖1相同的參考標記進行標注。
在NROM單元128中，底部氧化物層130可以具有盡可能薄的厚度，而剩下的層110和111可以保持與現(xiàn)有技術(shù)相同的厚度。例如，底部氧化物層130的厚度可以不厚于在重復(fù)循環(huán)之后提供容限穩(wěn)定性的厚度。例如，對于2004年的技術(shù)，底部氧化物層130可以具有2.5-3.5nm的典型厚度，而頂部氧化物層111和中間氮化物層110可以具有與現(xiàn)有技術(shù)相同的厚度，即分別為10-17nm和4-8nm。
可以通過柵極應(yīng)力測試或者烘干處理來測試在編程和擦除的重復(fù)循環(huán)之后的容限穩(wěn)定性。柵極應(yīng)力測試模擬在編程和擦除操作的編程部分期間的連續(xù)讀操作或正柵極偏壓。
在圖5A中示出一個典型的柵極應(yīng)力測試的結(jié)果，現(xiàn)在參考圖5A。圖5A示出在編程和擦除的多次循環(huán)之后NROM單元的三種不同ONO結(jié)構(gòu)的正柵極應(yīng)力靈敏度的比較。繪制相對于時間的擦除閾值電壓Vte和編程閾值電壓Vtp。擦除狀態(tài)曲線150和152針對圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的厚底部氧化物NROM單元10，繪制相對于時間的擦除閾值電壓Vte，其中底部氧化物層109的厚度分別是8.3nm和5.3nm。擦除狀態(tài)曲線154針對圖4所示的薄底部氧化物NROM單元128，繪制相對于時間的擦除閾值電壓Vte，其中底部氧化物層130的厚度是3.5nm。除了變化的底部氧化物厚度以外，三種ONO結(jié)構(gòu)具有相同的尺寸、生長條件和組成物。
在圖5A中，曲線150顯示出擦除閾值電壓Vte最顯著的增加。曲線150和152都顯著地增加，處在讀取電平RD之上。這是令人憂慮的，因為一旦擦除閾值電壓Vte從讀取電平越過最小容限電平(margin level)陣列單元就變得不能工作。
比較起來，曲線154顯示出擦除閾值電壓Vte增加很小或沒有增加，并且由此，陣列單元在一段長得多的時間內(nèi)保持為可操作的。在圖5A中，例如，曲線154的單元在一段至少比曲線150和152長三個量級的時間內(nèi)保持為可操作的。
對曲線150、152和154的比較顯示出隨著底部氧化物層厚度的減小，柵極應(yīng)力靈敏度也減小。因此，薄底部氧化物單元128可以對柵極應(yīng)力相對不靈敏(即存在有限的擦除閾值電壓Vte偏移)，而厚底部氧化物單元10可以顯示出在柵極應(yīng)力之后的顯著Vt偏移。因此，薄底部氧化物層130可以提供減少的柵極應(yīng)力靈敏度，即在編程和擦除的重復(fù)循環(huán)后的柵極應(yīng)力之后的擦除閾值電壓Vte較小的偏移。
申請人進一步意識到薄底部氧化物NROM單元128與現(xiàn)有技術(shù)的NROM單元相比，可以展現(xiàn)出在正柵極應(yīng)力或烘干處理之后容限偏移和縮小的程度較小。申請人意識到薄底部氧化物NROM單元128所展示出的容限偏移的特性可以增加其產(chǎn)品壽命。
圖5A還示出曲線151和153，其針對現(xiàn)有技術(shù)的厚底部氧化物NROM單元10，繪制相對于時間的編程閾值電壓Vtp。編程狀態(tài)曲線155針對薄底部氧化物單元128繪制相對于時間的編程閾值電壓Vtp。在圖5A中可以看到，盡管曲線151、153和155之間Vtp偏移的差異與曲線150、152和154之間Vte偏移的差異相比沒有那么明顯，但薄底部氧化物單元還是具有最小的Vtp偏移(曲線155)。
與現(xiàn)有技術(shù)的NROM單元相比，薄底部氧化物結(jié)構(gòu)的非常小的Vte偏移與比較小的Vtp偏移的結(jié)合，可以導(dǎo)致薄底部氧化物結(jié)構(gòu)的操作窗口WO與厚底部氧化物結(jié)構(gòu)相比經(jīng)歷更小的縮小和更小的直線偏移(translationalshift)。申請人意識到薄底部氧化物結(jié)構(gòu)所提供的操作窗口越穩(wěn)定，所提供的單元就能操作越長的時間。這將針對圖5B進行詳細說明。
如圖5B所示，標準和薄底部氧化物單元的初始操作窗口WOinitial跨越從3.7V到4.7V大約1000mV的范圍。該范圍以點Ci為中心，其表示操作窗口WO的中點，并且大約位于4.2V。當t＝1000分鐘時，顯示厚底部氧化物單元的操作窗口WO1000-thick已經(jīng)縮小到大約400mV(在4.6和5V之間)的范圍，并且經(jīng)歷了直線偏移，從而其中點Ck位于4.8V，600mV的直線偏移。顯示薄底部氧化物單元的操作窗口WO1000-thin已經(jīng)縮小到大約800mV的范圍，并且經(jīng)歷了直線偏移，從而其中點Cn位于4.3V，僅100mV的直線偏移。
申請人意識到在NROM單元中，跨越400mV的操作窗口可能足以在擦除狀態(tài)和編程狀態(tài)之間進行區(qū)分。與現(xiàn)有技術(shù)的厚底部氧化物單元10相比，對于薄底部氧化物單元128這種操作窗口在長得多的時間(例如大4個數(shù)量級)內(nèi)存在。
申請人意識到甚至在操作窗口已經(jīng)偏移到初始讀取電平RD上之后，也可以針對應(yīng)用對這種更穩(wěn)定的操作窗口進行補救。如在2004年12月9日提交的序列號為11/007,332、名稱為“Method for Reading Non-VolatileMemory Cells”的共同未決申請中所公開的那樣，這里并入其公開內(nèi)容作為參考，這一點可以通過引入移動讀取電平DRD來實現(xiàn)，其可以在柵極應(yīng)力測試期間動態(tài)地移動以盡可能優(yōu)化容限M0和M1。
如圖5B所示，例如，用于厚底部氧化物單元的移動讀取電平DRD(厚)是階梯函數(shù)，其經(jīng)過很多階從4.0V上升至4.6V。相反，用于薄底部氧化物單元的移動讀取電平DRD(薄)可以在100分鐘內(nèi)從位于4.0V的初始讀取電平只移動到4.1V。通過確保單元的編程和擦除狀態(tài)之間的可靠區(qū)分，移動讀取電平DRD與容限M01000thin和M11000-thin的結(jié)合可以保證可靠的讀取。然而，用于薄底部氧化物單元的移動讀取電平可以具有比現(xiàn)有技術(shù)單元更少的階。
因此，相對于現(xiàn)有技術(shù)，利用薄底部氧化物結(jié)構(gòu)與移動讀取電平的結(jié)合，NROM單元可以運行很長的時間。薄底部氧化物結(jié)構(gòu)可以提供足夠?qū)挷⑶蚁鄬碚f移動最小的操作窗口，并且移動讀取平可以通過移動到該窗口的中點而使得能夠?qū)ζ溥M行利用，并且允許在其任意一側(cè)存在足夠?qū)挼娜菹轒0和M1。
如在背景技術(shù)中所討論的那樣，也可以通過烘干處理來測試在編程和擦除的重復(fù)循環(huán)之后的容限穩(wěn)定性。圖6示出在編程和擦除的多次循環(huán)之后，NROM單元的三種不同ONO結(jié)構(gòu)的烘干處理靈敏度的比較。
擦除狀態(tài)曲線164和166分別針對現(xiàn)有技術(shù)的厚底部氧化物NROM單元10和薄底部氧化物NROM單元128繪制相對于時間的擦除閾值電壓Vte。編程狀態(tài)曲線162和160分別針對現(xiàn)有技術(shù)的厚底部氧化物NROM單元10和薄底部氧化物NROM單元128繪制相對于時間的編程閾值電壓Vtp。
最初，在t＝0時，在循環(huán)之前，標準和薄底部氧化物NROM單元的操作窗口WO分別被表示為WOi-thick和WOi-thin。在循環(huán)和隨后的烘干處理之后，在t＝100分鐘時，厚和薄底部氧化物NROM單元的操作窗口WO分別被表示為WO100-thick和WO100-thin。
圖6示出在烘干后，在t＝100分鐘時，這兩種NROM單元的操作窗口WO幾乎完全偏移在初始讀取電平RD之下。然而，由于薄底部氧化物單元的擦除閾值電壓Vte曲線所展現(xiàn)出的較小程度的偏移，而使薄底部氧化物單元所保持的操作窗口WO100-thin寬于現(xiàn)有技術(shù)單元在相同的時間所保持的操作窗口WO100-thick。例如，如圖6所示，WO100-thin可以跨越大約550mV的范圍，WO100-thick僅可以跨越大約150mV的范圍。
與在圖5A和5B所述的柵極應(yīng)力之后所遇到的情況相似，申請人意識到即使在操作窗口可能偏移使得初始讀取電平RD位于操作窗口WO的任何一邊上，或甚至完全在其外部之后，具有足夠操作窗口的NROM單元也可以解決在使用中的困難。在圖5A的情況下，在柵極應(yīng)力測試過程中，Vte和Vtp向上偏移。在圖6的情況下，在烘干處理過程中，Vte和Vtp向下偏移。在圖5A的情況下，操作窗口幾乎完全位于讀取電平RD之上，而在圖6的情況下，操作窗口幾乎完全位于讀取電平RD之下。然而，通過實施移動讀取電平DRD，將其重新定位成使得操作窗口WO內(nèi)的容限M0和M1最大化，單元可以在更長的時間內(nèi)保持工作。
如圖6所示，例如，移動讀取電平DRD可以在t＝100時，從其初始位置偏移到在擦除閾值電壓Vte和編程閾值電壓Vtp曲線之間的中點，使編程閾值電壓Vtp和調(diào)整的讀取電平DRD之間的容限M0100-thin、以及擦除閾值電壓Vte和調(diào)整的讀取電平DRD之間的容限M1100-thin最大化。通過確保單元的編程和擦除狀態(tài)之間的可靠區(qū)分，調(diào)整的讀取電平DRD和容限M0100-thin和M1100-thin的結(jié)合可以保證可靠的讀取。因此，相對于現(xiàn)有技術(shù)，利用薄底部氧化物結(jié)構(gòu)與移動讀取電平的結(jié)合，NROM單元可以運行很長的時間。薄底部氧化物結(jié)構(gòu)可以提供足夠?qū)挼牟僮鞔翱?，并且移動讀取平可以通過移動到該窗口的中點而使得能夠?qū)ζ溥M行利用，并且允許在其任意一側(cè)存在足夠?qū)挼娜菹轒0和M1。
應(yīng)該理解的是，在本發(fā)明中結(jié)合任何由于其而使最小的Vte偏移或容限穩(wěn)定性存在的底部氧化物厚度。
應(yīng)該進一步理解的是，以上所示的現(xiàn)象對于單個NROM單元、陣列中的多個單元、一位單元、雙位單元等都是有效的。
現(xiàn)在參考圖7A和7B，其示出薄底部氧化物NROM單元的容限穩(wěn)定性如何用于多電平NROM單元的。圖7A示出針對正柵極應(yīng)力測試的隨時間變化的閾值電壓，而圖7B示出針對烘干處理的隨時間變化的閾值電壓。
在2003年10月29日提交的序列號為10/695,449、名稱為“Method，System and Circuit for Programming a Non-Volatile Memory Array”，以及序列號為10/695,448、名稱為“A Method，Circuit and System for Determining aReference Voltage”的兩個共同未決申請中對多電平NROM單元進行說明。多電平NROM單元針對每個可充電區(qū)域106和108可以具有多個可能的閾值電壓分布。在圖7A和7B中，示出四個分布170、172、174和176，對應(yīng)于2位信息。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，限定三個移動讀取電平DRD，各自位于兩個相鄰的分布之間。因此，DRDml位于Vtel和Vtpl之間，其中可以將Vte1定義為分布170的最左位，并且可以將Vtp1定義為分布172的最右位。DRDm2位于Vte2和Vtp2之間，其中可以將Vte2定義為分布172的最左位，并且可以將Vtp2定義為分布174的最右位。對于DRDm3相同。當讀取或驗證可充電區(qū)域106或108的狀態(tài)時，將閾值電壓電平與全部三個讀取電平DRD進行比較以便確定閾值電壓目前處于那個分布(170、172、174或176)。
應(yīng)該理解的是，可以將用于每個移動讀取電平DRD的操作窗口WO保持在兩個相鄰的分布之間，因此，為了單元正常工作，在理想的情況下應(yīng)該使分布保持為彼此盡可能地分開。這些操作窗口開始要比用于單電平的圖5和6所示的操作窗口窄得多。因此，任何移動或者大大減小操作窗口的分布將導(dǎo)致多電平NROM停止運行。應(yīng)當理解的是，本發(fā)明所提供的容限穩(wěn)定性可以有助于在相當長的時間內(nèi)保持每個多位的操作窗口WO彼此盡可能地分開。例如，150mV被認為是最小的操作窗口。
附圖7A和7B示出隨時間變化的閾值電壓Vtei和Vtpi。在這兩個附圖中，盡管圖7A(用于正柵極應(yīng)力)的閾值電壓增加，而圖7B(烘干處理)的閾值電壓減小，但是擦除和編程閾值電壓曲線在相同的方向上移動。另外，曲線彼此保持最小的距離。這兩個現(xiàn)象說明了本發(fā)明的容限穩(wěn)定性。即使擦除和編程閾值電壓變化，它們也是一起變化并且保持彼此分開的足夠距離使得保持操作窗口。在圖7A和7B中，移動讀取電平DRDMi隨著操作窗口的變化以階梯的方式變化。
應(yīng)該理解的是，容限穩(wěn)定性和移動讀取電平的結(jié)合可以提供壽命相對長的多電平NROM單元。
盡管在這里示出和說明了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將能想到許多修改、替換、變化、以及同等物。因此，應(yīng)該理解的是，所附的權(quán)利要求書旨在涵蓋所有這些落入本發(fā)明精神內(nèi)的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種氮化物只讀存儲器單元，通過溝道熱電子注入對其進行編程并且通過熱空穴注入對其進行擦除，該單元包括電荷俘獲結(jié)構(gòu)，由以下部分組成底部氧化物層；電荷俘獲層；以及頂部氧化物層；其中所述底部氧化物層不厚于提供容限穩(wěn)定性的底部氧化物層。
2.如權(quán)利要求1所述的單元，并且其中所述容限穩(wěn)定性包括在正柵極應(yīng)力測試和烘干處理中的至少一個過程中、所述單元的擦除和編程閾值電壓的最小偏移。
3.如權(quán)利要求1所述的單元，并且其中所述容限穩(wěn)定性包括擦除閾值電壓Vte偏移與編程閾值電壓Vtp偏移的對準。
4.如權(quán)利要求1所述的單元，并且在柵極應(yīng)力測試或烘干處理的全過程中具有變化的操作窗口，并且還具有保持在所述變化的操作窗口內(nèi)的移動讀取電平。
5.如權(quán)利要求1所述的單元，并且在柵極應(yīng)力測試或烘干處理的全過程中具有多次變化的操作窗口，并且還具有保持在每個所述變化的操作窗口內(nèi)的不同的移動讀取電平。
6.如權(quán)利要求1所述的單元，并且其中所述底部氧化物層的厚度為2.5-3.5nm。
7.一種氮化物只讀存儲器單元，在正柵極應(yīng)力測試和烘干處理中的至少一個過程中具有穩(wěn)定的容限。
8.如權(quán)利要求7所述的單元，并且包括電荷俘獲結(jié)構(gòu)，由以下部分組成底部氧化物層；電荷俘獲層；以及頂部氧化物層；其中所述底部氧化物層不厚于提供所述容限穩(wěn)定性的底部氧化物層。
9.如權(quán)利要求8所述的單元，并且其中所述容限穩(wěn)定性包括在正柵極應(yīng)力測試和烘干處理中的至少一個過程中、所述單元的擦除和編程閾值電壓的最小偏移。
10.如權(quán)利要求8所述的單元，并且其中所述容限穩(wěn)定性包括擦除閾值電壓Vte偏移與編程閾值電壓Vtp偏移的對準。
11.如權(quán)利要求7所述的單元，并且在所述柵極應(yīng)力測試或烘干處理的全過程中具有變化的操作窗口，并且還具有保持在所述變化的操作窗口內(nèi)的移動讀取電平。
全文摘要
一種NROM(氮化物只讀存儲器)單元，通過溝道熱電子注入對其進行編程，通過熱空穴注入對其進行擦除，該單元包括由底部氧化物層、電荷俘獲層、以及頂部氧化物層形成的電荷俘獲結(jié)構(gòu)。所述底部氧化物層不厚于提供容限穩(wěn)定性的底部氧化物層。
文檔編號G11C11/56GK1862704SQ200610091700
公開日2006年11月15日 申請日期2006年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月11日
發(fā)明者埃利·盧斯基 申請人:賽芬半導(dǎo)體有限公司