CN100463144C - 非挥发性存储器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种非挥发性存储器的制造方法。首先提供基底，然后于基底中形成多个沟槽。此些沟槽往第一方向延伸。接着，于基底表面及沟槽表面形成一层第一介电层，并于第一介电层上形成一层电荷陷入层。继之，于沟槽内填入绝缘层。于基底上形成一层第二介电层。之后，于第二介电层上形成一层导体层，此导体层往第二方向延伸。其中第一方向与该第二方向交错。由于位于沟槽中的电荷陷入层可以舒解绝缘层施加于基底的应力，因此可以避免基底晶格缺陷的产生而造成漏电的问题。

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与其制造方法，特别是涉及一种非挥发性存储器与其制造方法。

背景技术

在半导体应用元件中，非挥发性存储器具有体积小、存取速度快及耗电量低的优点，因此，近来被使用于数码照相机(Digital Still Cameras)及存储卡(Memory Card)等可携式掌上型终端器(Portable Handy Terminal)的大量储存(Mass Storage)元件中。

典型的非挥发性存储器以掺杂的多晶硅制作浮置栅极(Floating Gate)与控制栅极(Control Gate)。当存储器进行程序化(Program)时，注入浮置栅极的电子会均匀分布于整个多晶硅浮置栅极层之中。然而，当多晶硅浮置栅极层下方的穿隧氧化层有缺陷存在时，就容易造成浮置栅极(Floating Gate)所储存的电荷流失(漏电流)，影响元件的可靠性。

为了解决这个问题，一种半导体-氧化物-氮化物-氧化物-半导体(SONOS)的结构已被提出。SONOS结构即使在穿隧氧化层具有漏电路径的情形下仍可以维持良好的电荷保存能力。

在一般SONOS存储器的工艺中，其有源区域(Active Region)之间通常都有隔离结构来作元件之间的隔离之用。目前普遍利用的隔离结构是浅沟槽隔离结构(STI)。

图1所绘示为现有一种SONOS存储器的剖面图。请参照图1，此SONOS存储器是由硅基底100、隔离结构102、底氧化层104、氮化硅层106、顶氧化层108、多晶硅层110、金属硅化物层112以及介电层114所构成。底氧化层104是利用热氧化工艺来形成的。然而，在此热氧化工艺步骤中，氧气容易穿透隔离结构102的沟槽填充绝缘层并且与沟槽的内壁反应，因此导致沟槽填充绝缘层的体积膨胀。这样的体积膨胀会在与沟槽填充层相接的硅基底100上产生应力。如标号116所指示的第一部位，施加在硅基底100上的应力会导致例如为差排的晶格缺陷(Crystal Defect)，而造成漏电的问题。

另一方面，在浅沟槽隔离结构的形成过程中，在沟槽绝缘结构的边缘形成的凹陷会造成后续形成的底氧化层变薄(Gate Oxide Thinning)的现象。如标号118所指示的第二部位。当施以大电压于此SONOS存储器上时，例如施以大于5V以上的电压时，容易产生许多问题，例如漏电现象，以及造成不必要的基底电流，大大降低元件的可靠性(Reliability)。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种非挥发性存储器的制造方法，以防止晶格缺陷以及底氧化层变薄的现象。

本发明的再一目的是提供一种非挥发性存储器，以提供良好的可靠性。

本发明提供一种非挥发性存储器的制造方法。此方法首先提供基底，然后于基底中形成多个沟槽。此些沟槽往第一方向延伸。接着，于基底表面及沟槽表面形成一层第一介电层。于第一介电层上形成一层电荷陷入层。于沟槽内填入绝缘层。于基底上形成一层第二介电层。之后，于第二介电层上形成一层导体层，此导体层往第二方向延伸。其中第一方向与该第二方向交错。

于一实施例中，上述于基底中形成沟槽的步骤是先于基底上形成一层垫层，再于垫层上形成一层掩模层。图案化此掩模层与此垫层，以形成暴露出基底的多个开口。移除部分基底以于基底中形成此些沟槽。然后，移除此掩模层与此垫层。

于一实施例中，上述第一介电层的材料例如是氧化硅，上述于基底表面及沟槽表面形成第一介电层的方法例如是热氧化法。

于一实施例中，上述电荷陷入层的材料例如是氮化硅，于第一介电层上形成此电荷陷入层的方法例如是化学气相沉积法。

于一实施例中，上述第二介电层的材料例如是氧化硅，于基底上形成此第二介电层的方法例如是化学气相沉积法。

于一实施例中，上述于沟槽内填入绝缘层的步骤例如是先于基底上形成一层绝缘材料层，再移除部分此绝缘材料层直到暴露出电荷陷入层。移除部分绝缘材料层的方法例如是化学机械研磨法。

于一实施例中，上述在移除部分绝缘材料层的步骤中，还包括使此绝缘材料层的表面低于电荷陷入层。此时移除部分绝缘材料层的方法例如是回蚀刻法。

于一实施例中，上述导体层的材料为多晶硅化金属。

本发明的步骤流程所制造的非挥发性存储器可避免因为晶格缺陷而造成的接合漏电问题。而且可以避免底氧化层变薄的现象。而且，因为上述第一介电层在沟槽中的部分具有衬层的功能，因此省略了制作衬层的步骤，而简化了制造流程。

本发明再提出一种非挥发性存储器。此非挥发性存储器是由基底、多个绝缘层、电荷陷入层以及多个导体层所构成。基底中具有多个沟槽，这些沟槽往第一方向延伸。多个绝缘层填满此些沟槽。电荷陷入层设置于此些绝缘层之间的基底上以及此些绝缘层与基底之间。此些导体层往第二方向延伸。其中第一方向与第二方向交错。

于一实施例中，上述电荷陷入层与基底之间还包括一层第一介电层，此第一介电层的材料例如是氧化硅。此第一介电层例如是穿隧介电层。

于一实施例中，上述电荷陷入层与导体层之间还包括第二介电层，此第二介电层还包括位于导体层与绝缘层之间。此第二介电层的材料例如是氧化硅，此第二介电层例如是阻挡介电层。

于一实施例中，上述此些绝缘层的表面低于电荷陷入层。

于一实施例中，上述导体层的材料例如是多晶硅化金属。此些导体层为栅极。

于一实施例中，上述电荷陷入层的材料例如是氮化硅。

本发明的非挥发性存储器的电荷陷入层可以缓冲绝缘层在后续的热工艺因体积膨胀而对基底施加的应力，以避免因基底的晶格缺陷而产生漏电的问题。

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1绘示现有的一种非挥发性存储器的剖面图。

图2A是本发明一实施例的一种非挥发性存储器的上视图。

图2B是沿图2A的剖面线I-I’的剖面图。

图2C本发明另一实施例的非挥发性存储器的剖面图。

图3A至图3E为本发明一实施例的一种非挥发性存储器的制造流程剖面图。

图4A至图4B为本发明另一实施例的一种非挥发性存储器的制造流程剖面图。

简单符号说明

100：硅基底

102：隔离结构

104：底氧化层

106：氮化硅层

108：顶氧化层

110：多晶硅层

112：金属硅化物层

114：介电层

116、118：第一和第二部位

200：基底

202：垫层

204：掩模层

206：沟槽

207：有源区

208、214：介电层

210：电荷陷入层

212：绝缘层

216：导体层

x、y：方向

I-I’：剖面线

具体实施方式

图2A是本发明的一种非挥发性存储器的上视图，图2B是沿图2A的剖面线I-I’的剖面图。

请参照图2A与图2B。本发明的非挥发性存储器是由基底200、介电层208、绝缘层212、电荷陷入层210、介电层214以及导体层216所构成。基底200例如是硅基底。基底200中具有多个沟槽206以及沟槽206之间的有源区207，这些沟槽206往方向y延伸。多个绝缘层212填满该些沟槽206。绝缘层212的材料例如是氧化硅。电荷陷入层210设置于这些绝缘层212之间的基底200上以及此些绝缘层212与基底200之间。电荷陷入层210的材料例如是氮化硅。电荷陷入层210与基底200之间还包括一层介电层208。介电层208的材料例如是氧化硅，介电层208例如是穿隧介电层。多个导体层216位于电荷陷入层210上并往方向x延伸。方向y与方向x交错。此外，电荷陷入层210与这些导体层216之间还设置有一层介电层214。介电层214还设置于此些导体层214与绝缘层212之间。介电层214的材料例如是氧化硅，介电层214例如为阻挡介电层。导体层216的材料例如是多晶硅化金属。这些导体层216例如为此非挥发性存储器的栅极。

图2C绘示在另一实施例的非挥发性存储器的剖面图。在图2C中，构件与图2B中的构件相同者给予相同的标号，并省略其说明。在此只针对不同点做说明。请参照图2C，绝缘层212的表面低于沟槽206外的电荷陷入层210。

本发明的非挥发性存储器的电荷陷入层210可以缓冲绝缘层212在后续的热工艺因体积膨胀而对基底200施加的应力，以避免造成基底200的晶格缺陷而产生漏电的问题。

图3A至图3E为本发明的非挥发性存储器的制造流程剖面图。

首先，请参照图3A，提供基底200，基底200例如是硅基底。然后于基底200上形成一层垫层202与一层掩模层204。垫层202的材料例如是氧化硅，垫层202的形成方法例如是热氧化法。掩模层204的材料例如是氮化硅，掩模层204的形成方法例如是低压化学气相沉积法(LPCVD)。

接着，请参照图3B，图案化掩模层204与垫层202，以形成暴露出基底200的多个开口(未绘示)。图案化掩模层204与垫层202的方法例如是先于基底200上形成一层图案化光致抗蚀剂层(未绘示)，再以此图案化光致抗蚀剂层为掩模，移除部分掩模层204与部分垫层202，然后移除此图案化光致抗蚀剂层。之后，以图案化的掩模层204为掩模，对基底200进行各向异性蚀刻工艺以移除部分基底200，而于基底200中形成多个沟槽206。此些沟槽206往y方向延伸。各沟槽206之间的基底200是作为此非挥发性存储器的有源区207。

然后，请参照图3C，例如以磷酸为蚀刻剂的湿式蚀刻工艺来移除掩模层204。之后例如以氢氟酸为蚀刻剂的湿式蚀刻工艺来移除垫层202。接着，例如以热氧化法于基底200表面及沟槽206表面形成一层共形的介电层208。介电层208的材料例如是氧化硅。之后，例如以化学气相沉积法于介电层208上形成一层共形的电荷陷入层210。电荷陷入层210的材料例如是氮化硅。值得注意的是，在后续的热氧化工艺步骤中，氧气容易穿透沟槽填充绝缘层并且与沟槽的内壁反应，因此导致沟槽填充绝缘层的体积膨胀，而在与沟槽填充层相接的基底200上产生应力，尤其是沟槽206底部的边缘。施加在基底200上的应力会导致例如为差排的晶格缺陷，而造成接合漏电。位于沟槽206中的电荷储存层210就是可以缓冲沟槽填充绝缘层施加于基底200上的应力，以避免接合漏电的问题。

之后，于基底200上形成一层绝缘材料层(未绘示)。绝缘材料层的材料例如是氧化硅。于基底200上形成绝缘材料层的步骤例如是高密度等离子体(HDP)化学气相沉积法。然后，请参照图3D，利用化学机械研磨法并以电荷陷入层210为研磨终止层来移除部分此绝缘材料层，直到暴露出电荷陷入层210，并形成绝缘层212。

接着，请参照图3E，于基底200上形成一层介电层214。介电层214的材料例如是氧化硅，于基底200上形成介电层214的方法例如是以化学气相沉积法以沉积一层高温氧化物(High Temperature Oxide，HTO)。然后，于介电层214上形成一层导体层216，此导体层216往方向x延伸，而方向y与方向x交错。导体层216的材料例如是多晶硅化金属，导体层216的形成方法例如是先以低压化学气相沉积法(LPCVD)于基底200上形成一层掺杂多晶硅层，再以LPCVD于掺杂多晶硅上形成一层硅化金属层。导体层216是作为此非挥发性存储器的控制栅极与字线。

图4A与图4B是本发明另一实施例的非挥发性存储器的制造流程剖面图。图4A是接续图3C所绘示的制造流程剖面图。在图4A与图4B中，构件与图3A～图3C中的构件相同者给予相同的标号，并省略其说明。

请参照图4A，上述移除部分绝缘材料层而形成绝缘层212的步骤中，还可以使此绝缘材料层的表面低于电荷陷入层210，以确保于有源区207上的电荷陷入层210完全暴露在外。为了使此绝缘材料层的表面低于电荷陷入层210，可选择利用回蚀刻法取代化学机械研磨法来移除部分绝缘材料层。回蚀刻法例如是干式蚀刻。利用电荷陷入层210(例如是氮化硅)与绝缘材料层(例如是氧化硅)的蚀刻选择性的不同，此干式蚀刻得以移除部分绝缘材料层直到使此绝缘材料层的表面低于电荷陷入层210，却不会损害电荷陷入层210。由于可以确保于有源区207上的电荷陷入层210完全暴露在外，而且电荷陷入层210不会受到损害，因此在各有源区207上的电荷陷入层210可以具有比较平均的电性。

接着，请参照图4B，利用上述的方法来依序形成介电层214与导体层216，而形成绘示于图4B的结构。由于回蚀刻法不会伤害电荷陷入层210，因此绘示于图4B的结构具有比较平均的电性。

在本发明所提供的非挥发性存储器的制造方法中，由于在沟槽206中配置有电荷陷入层210作为沟槽206的衬层，可缓冲后续形成的绝缘层212对基底200施加的应力，而避免因为基底200产生晶格缺陷而造成的接合漏电问题。而且，由于绝缘层212在形成过程中不会遭受破坏，所以后续的工艺不会发生底氧化层变薄的现象。

本发明的另一项特点是制造流程的简化。介电层208是作为本发明的非挥发性存储器的穿隧介电层与衬层(Liner)。在本发明中，由于穿隧介电层与衬层在同一步骤中形成，因此简化了制造流程而降低成本。

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后附的权利要求所界定者为准。

Claims (22)

1、一种非挥发性存储器的制造方法，包括：

提供一基底；

于该基底中形成多个沟槽，该些沟槽往一第一方向延伸；

于该基底表面及该些沟槽表面形成一第一介电层；

于该第一介电层上形成一电荷陷入层；

于该些沟槽内填入一绝缘层；

于该基底上形成一第二介电层；以及

于该第二介电层上形成一导体层，该导体层往一第二方向延伸，该第一方向与该第二方向交错，

其中于该些沟槽内填入该绝缘层的步骤包括：

于该基底上形成一绝缘材料层；以及

移除部分该绝缘材料层，至少暴露出该电荷陷入层。

2、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于该基底中形成该些沟槽的步骤包括：

于该基底上形成一垫层；

于该垫层上形成一掩模层；

图案化该掩模层与该垫层，以形成暴露出该基底的多个开口；

移除部分该基底以于该基底中形成该些沟槽；以及

移除该掩模层与该垫层。

3、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该第一介电层的材料包括氧化硅。

4、如权利要求3所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于该基底表面及该些沟槽表面形成该第一介电层的方法包括热氧化法。

5、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该电荷陷入层的材料包括氮化硅。

6、如权利要求5所述的非挥发性存储器的制造方法，其中于该第一介电层上形成该电荷陷入层的方法包括化学气相沉积法。

7、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该第二介电层的材料包括氧化硅。

8、如权利要求7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介电层的方法包括化学气相沉积法。

9、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中移除部分该绝缘材料层的方法包括化学机械研磨法。

10、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中在移除部分该绝缘材料层的步骤中，还包括使该绝缘材料层的表面低于该电荷陷入层。

11、如权利要求10所述的非挥发性存储器的制造方法，其中移除部分该绝缘材料层的方法包括回蚀刻法。

12、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该导体层的材料为多晶硅化金属。

13、一种非挥发性存储器，包括：

一基底，该基底中具有多个沟槽，该些沟槽往一第一方向延伸；

多个绝缘层，填满该些沟槽；

一第一介电层及该第一介电层上的一电荷陷入层，设置于该些绝缘层之间的该基底上及该些绝缘层与该基底之间；以及

多个导体层，该些导体层往一第二方向延伸，该第一方向与该第二方向交错，

其中该些绝缘层的表面低于该电荷陷入层。

14、如权利要求13所述的非挥发性存储器，其中该第一介电层的材料包括氧化硅。

15、如权利要求13所述的非挥发性存储器，其中该第一介电层为穿隧介电层。

16、如权利要求13所述的非挥发性存储器，其中该电荷陷入层与该些导体层之间还包括一第二介电层。

17、如权利要求16所述的非挥发性存储器，其中该第二介电层的材料包括氧化硅。

18、如权利要求16所述的非挥发性存储器，其中该第二介电层为阻挡介电层。

19、如权利要求16所述的非挥发性存储器，其中该第二介电层还包括位于该些导体层与该绝缘层之间。

20、如权利要求13所述的非挥发性存储器，其中该些导体层的材料为多晶硅化金属。

21、如权利要求13所述的非挥发性存储器，其中该些导体层为栅极。

22、如权利要求13所述的非挥发性存储器，其中该电荷陷入层的材料包括氮化硅。

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