CN100446256C - 非挥发性存储器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非挥发性存储器的制造方法。首先提供已形成有多个隔离结构的基底，这些隔离结构突出于基底表面，且隔离结构之间的基底上已形成有第一掩模层。接着于基底上形成一层第二掩模层。之后图案化第二掩模层与第一掩模层，形成多个开口，开口暴露出部分基底表面与隔离结构表面。继而于基底上形成穿隧介电层与第一导体层。第一导体层填入开口。且使隔离结构、第二掩模层与第一掩模层将第一导体层分隔成区块状。然后于基底上形成一栅间介电层。再于基底上形成第二导体层，填满开口。之后于第二导体层两侧的基底中形成多个掺杂区。

Description

非挥发性存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种半导体元件，特别是涉及一种非挥发性存储器及其制造方法。

背景技术

非挥发性存储器中的闪存(Flash)凭借其快速省时的操作模式与成本上的优势，已成为业界研究的主流之一。其中，较常使用的闪存阵列包括或非门(NOR)型阵列结构与与非门(NAND)型阵列结构。与非门(NAND)型阵列的闪存结构是使各存储单元串接在一起，其集成度与面积利用率比或非门(NOR)型阵列的闪存要好，已经广泛地应用在多种电子产品中。

目前与非门型阵列闪存大多具有浮置栅极与控制栅极这两个部分，其制造过程往往需要两道以上的光掩模才能将这两个栅极定义出来。也就是说，需进行两次以上的光刻、蚀刻工艺才能完成。然而，光刻蚀刻工艺是半导体元件的制造流程中，步骤最繁复，价格最昂贵的部分，故而，光刻蚀刻的次数(光掩模数)愈多，往往会大幅度地增加工艺所需的成本与花费的时间

此外，由于浮置栅极与控制栅极是直接对于导体层进行蚀刻而形成的，因此，易于在相邻的导体层之间形成微架桥(Microbridge)的情形，使相邻的导体层之间产生接触，因而造成短路。这种情形会随着线宽的缩减，而更加严重。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种非挥发性存储器的制造方法，其可以减少所使用的光掩模数，降低制造成本，并且提高元件的集成度。

本发明的另一目的是提供一种非挥发性存储器，能够预防短路现象，提高存储器的可靠度。

本发明提出一种非挥发性存储器的制造方法，首先提供基底，基底中已形成有往第一方向延伸的多个隔离结构，这些隔离结构突出于基底表面，且隔离结构之间的基底上已形成第一掩模层。接着于基底上形成一层第二掩模层。之后图案化第二掩模层与第一掩模层，形成往第二方向延伸的多个开口，开口暴露出基底的部分表面与隔离结构的部分表面，第一方向与第二方向交错。继而于基底上形成一层穿隧介电层。于基底上形成第一导体层，填入这些开口，且使隔离结构、第二掩模层与第一掩模层将第一导体层分隔成区块状。然后于基底上形成栅间介电层。再于基底上形成第二导体层，填满开口之后于第二导体层两侧的基底中形成多个掺杂区。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述第一掩模层与基底之间还包括形成有垫层。而于图案化第二掩模层与第一掩模层的步骤之后与形成穿隧介电层的步骤之前，还包括移除部分垫层。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述垫层的材料与隔离结构的材料可以是相同的。因此，于移除垫层的同时，还包括移除部分隔离结构。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述栅间介电层的材料例如是氧化硅/氮化硅/氧化硅。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述于基底上形成第二导体层的步骤之后与于第二导体层两侧的基底中形成掺杂区的步骤之前，还可以包括移除第一掩模层与第二掩模层。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述于基底上形成第一导体层，填入开口，且使隔离结构、第二掩模层与第一掩模层将第一导体层分隔成区块状的步骤包括：先于基底上形成第一导体层，之后以隔离结构为蚀刻终止层，移除部分第一导体层。上述移除部分第一导体层之后，还包括移除隔离结构的顶部。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述移除部分第一导体层的方法包括回蚀刻法。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述于基底上形成第二导体层，填满开口的方法包括：于基底上形成第二导体层，然后以第二掩模层为终止层，移除部分第二导体层。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述第二导体层的材料例如是掺杂多晶硅。上述第二掩模层的材料例如是氮化硅，上述隔离结构例如是浅沟槽隔离结构。

本发明提出的非挥发性存储器的制造方法，先以掩模层将欲形成的栅极图案定义出来，再依序填入作为浮置栅极与控制栅极的导体层。由于掩模层可以作为自行对准掩模，无须再进行光刻蚀刻等步骤，因此可以大幅度地节省成本。此外，更可以避免在现有在定义浮置栅极与控制栅极的时候，形成微架桥(Microbridge)的问题，而预防短路的问题。

本发明提出一种非挥发性存储器，由基底、多个栅极堆栈结构与多个掺杂区所组成。栅极堆栈结构设置于基底上，各栅极堆栈结构由基底起包括穿隧介电层、浮置栅极、栅间介电层与控制栅极，其中栅间介电层延伸至控制栅极的两侧壁。掺杂区则设置于这些栅极堆栈结构之间。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器，上述栅间介电层的材料例如是氧化硅/氮化硅/氧化硅。上述浮置栅极的材料例如是掺杂多晶硅。上述控制栅极的材料例如是掺杂多晶硅。上述掺杂区为N型掺杂区。

依照本发明的实施例所述的非挥发性存储器，上述控制栅极即为字线。

本发明提出的非挥发性存储器于控制栅极的周围也设置有栅间介电层，搭配上述的存储器的制造方法，可以进一步避免控制栅极之间产生桥接的现象，防止短路的情形发生。

本发明提出另一种非挥发性存储器的制造方法，其例如是先提供基底，基底中已形成有往第一方向延伸的多个隔离结构，这些隔离结构突出于基底表面，并且隔离结构之间的基底上已形成垫层与第一掩模层。接着，于基底上形成一层第二掩模层，第二掩模层覆盖住这些隔离结构与第一掩模层。然后，图案化第二掩模层与第一掩模层，形成往第二方向延伸的多个开口，这些开口暴露出垫层的部分表面与隔离结构的部分表面，第一方向与第二方向交错。接下来，移除暴露出的垫层，于基底上形成穿隧介电层与第一导体层，继而，以隔离结构为终止层，移除部分第一导体层，使隔离结构、第二掩模层与第一掩模层将第一导体层分隔成区块状。其后，移除隔离结构的部分顶部，并于基底上形成一层栅间介电层，此栅间介电层覆盖于第一导体层与第二掩模层上。然后于栅间介电层上形成第二导体层，此第二导体层填满掩模层间的开口。接着，以第二掩模层为终止层，移除部分第二导体层，之后移除第一掩模层与第二掩模层。继之，于第二导体层两侧的基底中形成多个掺杂区。

依照本发明的一实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述垫层的材料例如是与隔离结构的材料相同。

依照本发明的一实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述于移除垫层的同时，还包括移除部分隔离结构。

依照本发明的一实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述栅间介电层的材料例如是氧化硅/氮化硅/氧化硅。

依照本发明的一实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述以隔离结构为终止层，移除部分第一导体层的方法例如是回蚀刻法。

依照本发明的一实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述以第二掩模层为终止层，移除部分第二导体层的方法例如是回蚀刻法或化学机械研磨法。

依照本发明的一实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述穿隧介电层的形成方法例如是热氧化法。

本发明利用掩模层的形成，先定义出浮置栅极与控制栅极的图案，利用掩模层为自行对准掩模，无须再进行光刻蚀刻等步骤，能够减少工艺的光掩模数，进而节省制造成本。再者，由于不必对于导体层直接进行光刻、蚀刻等步骤，因此，还可以避免由于线宽缩小所导致于导体层之间形成微架桥的情形，进而预防短路现象。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，以下配合附图以及优选实施例，以更详细地说明本发明。

附图说明

图1A至图1F绘示本发明一实施例的一种非挥发性存储器的制造流程上视图。

图2A至图2F分别绘示图1A至图1F中沿a-a’线的剖面示意图。

图3A至图3F分别绘示图1A至图1F中沿b-b’线的剖面示意图。

图4A至图4F分别绘示图1A至图1F中沿c-c’线的剖面示意图。

图5绘示本发明一实施例的一种非挥发性存储器的结构剖面图。

简单符号说明

100：基底

101：隔离结构

102：有源区

103：垫层

105、110：掩模层

115：开口

120：穿隧氧化层

125：凹陷

130、150：导体层

135：下凹

140：栅间介电层

155：栅极堆栈结构

160：掺杂区

具体实施方式

图1A至图1F绘示本发明一实施例的一种非挥发性存储器的制造流程上视图。图2A至图2F分别绘示图1A至图1F中沿a-a’线的剖面示意图。图3A至图3F分别绘示图1A至图1F中沿b-b’线的剖面示意图。图4A至图4F分别绘示图1A至图1F中沿c-c’线的剖面示意图。其中，a-a’线是沿着字线的剖切线；b-b’线是沿着有源区的剖切线；c-c’是沿着隔离结构的剖切线。

本发明所提出的非挥发性存储器的制造方法例如是适用于形成与非门型阵列的闪存，当然，此制造方法亦可用于形成其它种类的非挥发性存储器。请参照图1A、图2A、图3A与图4A，首先提供基底100，基底100中已形成有多个隔离结构101，这些隔离结构101突出于基底100表面，定义出有源区102。隔离结构101例如是浅沟槽隔离结构，其形成方法例如是先于基底100上依序形成一整层垫层103与一整层掩模层105，之后蚀刻出多个沟槽(未绘示)，再填入介电材料而形成之。垫层103的材料例如是氧化硅，其形成方法例如是热氧化法。掩模层105的材料例如是氮化硅，其形成方法例如是化学气相沉积法。沟槽中所填入的介电材料例如是氧化硅。

接着，于基底100上形成另一层掩模层110。掩模层110的材料可以是与掩模层105相同的材料，例如是氮化硅，其形成方法例如是化学气相沉积法。而且，掩模层105与掩模层110的材料与隔离结构101的材料具有不同的蚀刻选择性。

之后，请参照图1B、图2B、图3B与图4B，图案化掩模层110与掩模层105，形成多个开口115。这些开口115暴露出基底100的部分表面与隔离结构101的部分表面。图案化掩模层110与掩模层105的方法例如是利用光刻蚀刻工艺而形成之。由于掩模层110与掩模层105的材料与隔离结构101的材料具有不同的蚀刻选择性，因此隔离结构101不会受到蚀刻，而得以保留下来。

接着，移除部分的垫层103。移除部分的垫层103的方法例如是湿式蚀刻法。在本实施例中，由于隔离结构101的材料与垫层103的材料相同，因此于移除部分垫层103的同时，也会移除掉部分的隔离结构101，而形成如图2C中的凹陷125。接着，于基底100上形成一层穿隧介电层120。穿隧介电层120的材料例如是氧化硅。穿隧介电层120的形成方法例如是热氧化法。

继而，请参照图1C、图2C、图3C与图4C，于基底100上形成一层导体层130，填入这些开口115。导体层130的材料例如是掺杂多晶硅，其形成方法例如是利用化学气相沉积法形成一层未掺杂多晶硅层后(未绘示)，进行离子注入步骤以形成之，或者是采用临场注入掺杂物的方式以化学气相沉积法形成掺杂多晶硅层。之后，移除隔离结构101上的导体层130，使导体层130的表面等于隔离结构101的上表面。移除导体层130的方法例如是以隔离结构101为掩模进行回蚀刻法。此时，隔离结构101、掩模层110与掩模层105将导体层130分隔成区块状，此导体层130即作为浮置栅极之用。

然后，请参照图1D、图2D、图3D与图4D，移除隔离结构101的顶部，形成如图2D与图4D中的下凹135。移除隔离结构101顶部的方法例如是蚀刻法。接着，于基底100上形成栅间介电层140。栅间介电层140的材料例如是氧化硅/氮化硅/氧化硅，其形成方法例如是先利用化学气相沉积法依序形成一层氧化硅层、一层氮化硅与一层氧化硅层。当然，栅间介电层140的材料还可以是氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅等材料，其形成方法例如是依照其材料以不同的反应气体进行化学气相沉积法。

之后，请参照图1E、图2E、图3E与图4E，于基底100上形成填满开口115的另一层导体层150，导体层150即作为控制栅极之用。导体层150的材料例如是金属、金属硅化物或掺杂多晶硅等适当的导体材料。导体层150的形成方法例如是依其材料选用物理气相沉积法或化学气相沉积法，于基底100上先形成一层导体材料层(未绘示)，再以化学机械研磨法或是回蚀刻法移除掩模层110上的导体层150。由于栅间介电层140的厚度不大，掩模层110上的栅间介电层140也可能会一并被移除。

继之，请参照图1F、图2F、图3F与图4F，移除掩模层110与掩模层105，于导体层150两侧的基底100中形成多个掺杂区160。移除掩模层110与掩模层105的方法例如是干式蚀刻法。掺杂区160的形成方法例如是以导体层150为掩模，进行掺杂物注入工艺，注入的掺杂物例如是N型掺杂物。当然，于移除掩模层110与掩模层105之后，形成掺杂区160之前，还可以先移除垫层103，其端视工艺的需求而定。至于后续完成非挥发性存储器的工艺为本领域技术人员所周知，在此不再赘述。

本发明提出的非挥发性存储器的制造方法，先以掩模层110与掩模层105将欲形成的栅极图案定义出来，再依序形成浮置栅极(导体层130)与控制栅极(导体层150)。由于栅极的图案已经定义，因此浮置栅极与控制栅极的形成仅需利用掩模层110与掩模层105的自行对准掩模，无须再进行光刻蚀刻等步骤，可以大幅地节省成本。

除此之外，上述制造方法更可以避免现有在定义浮置栅极与控制栅极的时候，易于形成微架桥(Microbridge)，使相邻的导体层之间产生接触，而造成短路的问题。

再者，下凹135与凹陷125的形成，都可以增加浮置栅极(导体层130)与控制栅极(导体层150)之间的面积，进而提升存储器的电容耦合率。电容耦合率(Coupling Ratio)值越高，则存储器在操作时所需的电压越低，元件的效率也会随之提高。

以下说明上述非挥发性存储器的制造方法所形成的非挥发性存储器。图5绘示本发明一实施例的一种非挥发性存储器的结构剖面图。在本实施例中，此非挥发性存储器例如是与非门型闪存。

请参照图5，此非挥发性存储器由基底100、多个栅极堆栈结构155与多个掺杂区160所组成。栅极堆栈结构155例如是设置于基底100上，各栅极堆栈结构155由基底100起例如是包括穿隧介电层120、浮置栅极130、栅间介电层140与控制栅极150，其中栅间介电层140例如是延伸至控制栅极150的两侧壁。掺杂区160例如是设置于这些栅极堆栈结构155之间。

其中，穿隧介电层120的材料例如是氧化硅等适当的介电材料；栅间介电层140的材料例如是氧化硅、氮化硅或氧化硅/氮化硅/氧化硅等复合介电层；浮置栅极130与控制栅极例如是金属、金属硅化物或掺杂多晶硅等导体材料。掺杂区160例如是掺杂了P型或N型掺杂物，其端视元件的型态而定。在本实施例中，控制栅极130即作为存储器的字线。

本发明提出的非挥发性存储器于控制栅极150的周围设置有栅间介电层140，搭配上述的存储器的制造方法，可以进一步避免控制栅极150之间产生微架桥的现象，并能够防止短路的情形发生，进而提高存储器的可靠度

综上所述，本发明利用掩模层的形成，先定义出浮置栅极与控制栅极的图案，而于后续制作浮置栅极与控制栅极时，可以利用掩模层为自行对准掩模，无须再进行光刻蚀刻等步骤，能够减少工艺的光掩模数，进而节省制造成本。再者，由于不必对于导体层直接进行光刻、蚀刻等步骤，因此，还可以避免由于线宽缩小所导致于导体层之间形成微架桥的情形，进而预防短路现象。这也就是说，本发明所采用的存储器的制造方法，可以制造线宽更窄的存储器，达到提高元件集成度的功效。

虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准。

Claims (21)

1.一种非挥发性存储器的制造方法，包括：

提供基底，该基底中已形成有往第一方向延伸的多个隔离结构，该多个隔离结构突出于该基底表面，且该多个隔离结构之间的该基底上已形成第一掩模层；

于该基底上形成第二掩模层；

图案化该第二掩模层与该第一掩模层，形成往第二方向延伸的多个开口，该多个开口暴露出该基底的部分表面与该多个隔离结构的部分表面，该第一方向与该第二方向交错；

于该基底上形成穿隧介电层；

于该基底上形成第一导体层，填入该多个开口，且使该多个隔离结构、该第二掩模层与该第一掩模层将该第一导体层分隔成区块状；

于该基底上形成栅间介电层；

于该基底上形成第二导体层，填满该多个开口；以及

于该第二导体层两侧的该基底中形成多个掺杂区。

2.如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该第一掩模层与该基底之间还包括形成有垫层。

3.如权利要求2所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于图案化该第二掩模层与该第一掩模层的步骤之后与形成该穿隧介电层的步骤之前，还包括移除部分该垫层。

4.如权利要求3所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该垫层的材料与该多个隔离结构的材料相同。

5.如权利要求4所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于移除该垫层的同时，还包括移除部分该多个隔离结构。

6.如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该栅间介电层的材料包括氧化硅/氮化硅/氧化硅。

7.如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于该基底上形成该第二导体层的步骤之后与于该第二导体层两侧的该基底中形成该多个掺杂区的步骤之前，还包括移除该第一掩模层与该第二掩模层。

8.如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于该基底上形成该第一导体层，填入该多个开口，且使该多个隔离结构、该第二掩模层与该第一掩模层将该第一导体层分隔成区块状的步骤包括：

于该基底上形成该第一导体层；以及

以该多个隔离结构为蚀刻终止层，移除部分该第一导体层。

9.如权利要求8所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于移除部分该第一导体层之后，还包括移除该多个隔离结构的顶部。

10.如权利要求8所述的非挥发性存储器的制造方法，其中移除部分该第一导体层的方法包括回蚀刻法。

11.如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于该基底上形成该第二导体层，填满该多个开口的方法包括：

于该基底上形成该第二导体层；以及

以该第二掩模层为终止层，移除部分该第二导体层。

12.如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该第二导体层的材料包括掺杂多晶硅。

13.如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该第二掩模层的材料包括氮化硅。

14.如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该隔离结构为浅沟槽隔离结构。

15.一种非挥发性存储器的制造方法，包括：

提供基底，该基底中已形成有往第一方向延伸的多个隔离结构，该多个隔离结构突出于该基底表面，且该多个隔离结构之间的该基底上具有垫层和第一掩模层；

于该基底上形成第二掩模层，该第二掩模层覆盖住该多个隔离结构与该第一掩模层；

图案化该第二掩模层与该第一掩模层，形成往第二方向延伸的多个开口，该多个开口暴露出该垫层的部分表面与该多个隔离结构的部分表面，该第一方向与该第二方向交错；

移除暴露出的该垫层；

于该基底上形成穿隧介电层；

于该基底上形成第一导体层；

以该多个隔离结构为终止层，移除部分该第一导体层，使该多个隔离结构、该第二掩模层与该第一掩模层将该第一导体层分隔成区块状；

移除该多个隔离结构的部分顶部；

于该基底上形成栅间介电层，其中该栅间介电层覆盖于该第一导体层与该第二掩模层上；

于该栅间介电层上形成第二导体层，且该第二导体层并填满该第二掩模层间的该多个开口；

以该第二掩模层为终止层，移除部分该第二导体层；

移除该第一掩模层与该第二掩模层；以及

于该第二导体层两侧的该基底中形成多个掺杂区。

16.如权利要求15所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该垫层的材料与该多个隔离结构的材料相同。

17.如权利要求15所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于移除该垫层的同时，还包括移除部分该多个隔离结构。

18.如权利要求15所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该栅间介电层的材料包括氧化硅/氮化硅/氧化硅。

19.如权利要求15所述的非挥发性存储器的制造方法，其中以该多个隔离结构为终止层，移除部分该第一导体层的方法包括回蚀刻法。

20.如权利要求15所述的非挥发性存储器的制造方法，其中以该第二掩模层为终止层，移除部分该第二导体层的方法包括回蚀刻法或化学机械研磨法。

21.如权利要求15所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该穿隧介电层的形成方法包括热氧化法。

Images