CN100468703C

CN100468703C - 非挥发性存储器及其制造方法

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Publication number: CN100468703C
Application number: CNB2005100780540A
Authority: CN
Inventors: 王廷熏
Original assignee: Promos Technologies Inc
Current assignee: Promos Technologies Inc
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2025-06-14
Also published as: CN1881566A

Abstract

一种非挥发性存储器的制造方法，此方法先于基底中形成多个第二沟槽与第一沟槽，其中这些第一沟槽位于第二沟槽上面，且横越第二沟槽。然后，于第一沟槽的侧壁上依序形成电荷穿隧层与电荷储存层。接着，于第二沟槽中填入绝缘层。之后，于第一沟槽的侧壁形成电荷阻挡层，及于第一沟槽的底部形成栅介电层。继之，于第一沟槽中填入控制栅极层。然后，于控制栅极层两侧的基底中形成第一掺杂区。

Description

非挥发性存储器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种存储器元件及其制造方法，特别是涉及一种非挥发性存储器及其制造方法。

背景技术

非挥发性存储器具有可写入、可抹除以及断电后仍可保存数据的优点。此外，非挥发性存储器亦具有体积小、存取速度快及耗电量低的优点。另外，因其数据抹除(Erasing)时采用“一块一块”(Block by Block)抹除的方式，所以更具有操作速度快的优点。因此，非挥发性存储器已成为个人计算机和电子设备所广泛采用的一种存储器元件。

非挥发性存储器由多个以阵列排列的存储单元所构成。其中，每个存储单元由电荷穿隧层、电荷储存层、电荷阻挡层与控制栅极层依序堆栈而成。另外，在控制栅极层栅极两侧的基底中还配置有掺杂区作为源极区与漏极区使用。

当对存储器进行写入(Write)数据的操作时，通过于控制栅极层、源极区与漏极区施加偏压，以使电子注入电荷储存层中。当在读取存储器中的数据时，于控制栅极层上施加工作电压，此时电荷储存层的带电状态会影响其下通道(Channel)的开/关，且通过此通道的开/关来作为判读数据值为“0”或“1”的依据。当存储器在进行数据的抹除(Erase)时，将基底、源极区、漏极区或控制栅极层的相对电位提高，以利用穿隧效应使电子由电荷储存层横越电荷穿隧层而排至基底中(即Substrate Erase)。

值得注意的是，虽然集成电路正以更高的集成度朝向小型化的元件发展，但是由于计算机应用软件的逐渐庞大，因此所需的存储器容量也就愈来愈大。对于这种尺寸变小而存储器容量却需要增加的情形，现有的存储单元的结构与制造方法必须有所改变，以符合趋势所需。因此，在深次微米的工艺中，如何在有限的空间中保有原有的记忆容量，并且提升元件集成度是各界所关心的问题。

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，以提高元件集成度。

本发明的再一目的是提供一种非挥发性存储器，而使单一存储单元可以作为多阶存储单元使用。

本发明提出一种非挥发性存储器的制造方法，此方法先提供一基底。然后，于基底中形成多个第二沟槽与多个第一沟槽，其中这些第一沟槽位于第二沟槽上面，且横越这些第二沟槽。之后，于第一沟槽的侧壁上依序形成电荷穿隧层与电荷储存层。接着，于第二沟槽中填入绝缘层。继之，于第一沟槽的侧壁形成电荷阻挡层，覆盖电荷储存层，及于第一沟槽的底部形成一栅介电层，此栅介电层至少覆盖位于相邻二第二沟槽之间的基底。然后，于第一沟槽中填入控制栅极层。之后，于控制栅极层两侧的基底中形成多个第一掺杂区。

依照本发明的优选实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，在形成上述的栅介电层之后，还包括于第一沟槽底部形成多个第二掺杂区。此外，在形成第二掺杂区之前，还包括于第一沟槽侧壁的电荷阻挡层上形成一绝缘间隙壁。其中，形成绝缘间隙壁的方法例如是于第一沟槽中形成间隙壁材料层，以及各向异性蚀刻此间隙壁材料层。

依照本发明的优选实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，上述的第二沟槽与第一沟槽的形成方法例如是先利用图案化的第一掩模，于基底中形成第一沟槽，其中第一沟槽往第一延伸方向延伸。然后，再利用图案化的第二掩模，于第二延伸方向上，于基底中形成第二沟槽，其中上述的第一延伸方向横越第二方向。而且，第二沟槽的深度大于第一沟槽的深度。

依照本发明的优选实施例所述的非挥发性存储器的制造方法，其中填入上述绝缘层的方法例如是于基底上形成绝缘材料层。然后，进行化学机械研磨工艺，移除第一沟槽以外的绝缘材料层，直到暴露出位于相邻二第一沟槽之间的基底。接着，进行蚀刻工艺，移除第一沟槽中的绝缘材料层，直到暴露出第一沟槽底部，并且暴露出位于相邻二第二沟槽之间的基底。

本发明提出一种非挥发性存储器，此非挥发性存储器由基底、控制栅极层、电荷储存层、电荷穿隧层、电荷阻挡层、栅介电层与第一掺杂区所构成。其中，控制栅极层配置于基底的一第一沟槽内。另外，电荷储存层配置于第一沟槽侧壁与控制栅极层之间；电荷穿隧层配置于第一沟槽侧壁与电荷储存层之间；电荷阻挡层配置于电荷储存层与控制栅极层之间。此外，栅介电层配置于第一沟槽的底部与控制栅极层之间。另外，第一掺杂区配置于控制栅极层两侧的基底中。

依照本发明的优选实施例所述的非挥发性存储器，还包括一第二掺杂区配置于第一沟槽底部。

依照本发明的优选实施例所述的非挥发性存储器，还包括一绝缘间隙壁，配置于第一沟槽侧壁的电荷阻挡层与控制栅极层之间。

依照本发明的优选实施例所述的非挥发性存储器，还包括一绝缘层，设置于基底的一第二沟槽内，其中第二沟槽横越第一沟槽，且位于第一沟槽之下。

依照本发明的优选实施例所述的非挥发性存储器，上述的第二沟槽的深度大于第一沟槽的深度。

本发明的非挥发性存储器，在无第二掺杂区与绝缘间隙壁配置的情况下，其位于第一沟槽中的各个存储单元两侧的电荷储存层可以分别用以储存一个位。即对于一个存储单元来说，其具有一个可以用来储存两个位的存储单元。而在配置有第二掺杂区的情况下，由于第二掺杂区亦作为源极/漏极区使用，因此位于第一沟槽中的各个存储单元包含有分别位于两侧的存储单元，且每个存储单元的电荷储存层可以用来储存一个位。因此，对于一个存储单元来说，其可作为多阶存储单元使用。此外，还可通过绝缘间隙壁的厚度来控制第二掺杂区的形成宽度。再者，本发明的存储单元的配置方式可以有效地利用晶片空间，进而提升元件集成度。而且，在工艺上也较为简便。

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1是依照本发明一优选实施例的一种非挥发性存储器的上视示意图。

图2A是沿着图1的I-I’剖面所得的剖面示意图。

图2B是沿着图1的II-II’剖面所得的剖面示意图。

图2C是绘示本发明另一优选实施例的一种非挥发性存储器的剖面示意图。

图2D是绘示本发明又一优选实施例的一种非挥发性存储器的剖面示意图。

图3A至图3D是依照本发明一优选实施例的一种非挥发性存储器的制造流程剖面示意图。

图4A至图4D是依照本发明一优选实施例的一种非挥发性存储器的制造流程剖面示意图。

简单符号说明

100、200:基底

102、210a:绝缘层

104、220:控制栅极层

106、208:电荷储存层

108、206:电荷穿隧层

110、212:电荷阻挡层

112、214:栅介电层

114、116、218、222:掺杂区

118、216:绝缘间隙壁

120、122、202、204:沟槽

124、224:存储单元

210:绝缘材料层

具体实施方式

图1是绘示依照本发明一优选实施例的一种非挥发性存储器的上视示意图。图2A是沿着图1的I-I’剖面所得的剖面示意图。图2B是沿着图1的II-II’剖面所得的剖面示意图。

首先，请同时参照图1、图2A与图2B，本发明的非挥发性存储器由基底100、多条绝缘层102、多条控制栅极层104、多个电荷储存层106、多个电荷穿隧层108、多个电荷阻挡层110、多个栅介电层112与多个掺杂区114所构成。在一优选实施例中，本发明的非挥发性存储器更包括有掺杂区116与一绝缘间隙壁118。

其中，基底100例如是硅基底。此外，在基底100中具有多个沟槽120与122，且沟槽122横越沟槽120，并且位于沟槽120之上。

另外，绝缘层102填入沟槽120中。绝缘层102的材料例如是氧化硅。此外，控制栅极层104填入沟槽122中，而横越绝缘层102。其中，控制栅极层104的材料例如是多晶硅、掺杂多晶硅或是其它合适的导电材料。另外，电荷储存层106配置于沟槽122侧壁与控制栅极层104之间。其中，电荷储存层106的材料例如是氮化硅等可供电荷储存的材料。

此外，电荷穿隧层108配置于沟槽122侧壁与电荷储存层106之间。其中，电荷穿隧层108的材料例如是氧化硅等可供电荷穿隧的材料。另外，电荷阻挡层110配置于电荷储存层106与控制栅极层104之间。其中，电荷阻挡层106的材料例如是氧化硅等绝缘材料。

此外，栅介电层112配置于沟槽122的底部与控制栅极层104之间。其中栅介电层112的材料例如是氧化硅。另外，掺杂区114配置于控制栅极层104两侧的基底100中。掺杂区114例如是具有N型掺杂物的掺杂区，且其可作为源极/漏极区使用。

此外，掺杂区116配置于各个沟槽122底部、且位于相邻二沟槽120之间的基底100中。掺杂区116例如是具有N型掺杂物的掺杂区，且其可作为源极/漏极区使用。另外，绝缘间隙壁118配置于各个沟槽122侧壁的电荷阻挡层110与控制栅极层104之间。其中，绝缘间隙壁118的材料例如是氧化硅。

本发明另一实施例的非挥发性存储器绘示于图2C。值得一提的是，此非挥发性存储器在无掺杂区116与绝缘间隙壁118配置的情况下，其各个存储单元(如图1、图2C标号124所示)两侧的电荷储存层106可以分别储存一个位。也就是说，对于一个存储单元来说，其具有一个可以用来储存两个位的存储单元。而在又一实施例(如图2D所示)中，在配置有掺杂区116的情况下，由于掺杂区116亦作为源极/漏极区使用，因此各个存储单元(如图1、图2D标号124所示)包含有分别位于两侧的存储单元，而每个存储单元的电荷储存层106可以用来储存一个位。因此，对于一个存储单元来说，其可作为多阶存储单元使用。而且，配置有掺杂区116与绝缘间隙壁118的存储单元(如图1、图2A标号124所示)，亦具有同样的优点。

此外，本发明的非挥发性存储器的配置方式，有效地利用了晶片上的空间，从而也提升了元件集成度。另外，在存储器操作上，本发明的非挥发性存储器的配置方式特别适于或非门(NOR)型非挥发性存储器的操作。

以下利用图3A至图3D以及图4A至图4D，说明上述的非挥发性存储器的制造方法。其中，图3A至图3D是由图1的I-I’所得的剖面示意图；图4A至图4D是由图1的II-II’所得的剖面示意图。

首先，请同时参照图3A与图4A，提供基底200。基底200例如是硅基底。然后，于基底200中形成多个沟槽202与204，其中沟槽204位于沟槽202上面，且横越这些沟槽202。详细的说明是，图4A所示的基底200的顶面实际上是指沟槽204的底部，也就是说沟槽202深度比沟槽204深。在一实施例中，沟槽202与204的形成方法例如是利用图案化的掩模(未绘示)，于基底200中形成沟槽204，这些沟槽204往一延伸方向延伸，之后再利用另一图案化的掩模(未绘示)，于另一延伸方向上，于基底200中形成沟槽202。在另一实施例中，亦可先利用图案化的掩模(未绘示)于一延伸方向上形成沟槽202，再利用另一图案化的掩模(未绘示)于另一延伸方向上形成沟槽204。

之后，请同时参照图3B与图4B，于沟槽204的侧壁上依序形成电荷穿隧层206与电荷储存层208。其中，电荷穿隧层206的材料例如是氧化硅等可以提供电荷穿隧的材料。此外，电荷储存层208的材料例如是氮化硅等可以提供电荷储存的材料。

接着，于基底200上形成绝缘材料层210。绝缘材料层210的材料例如是氧化硅等绝缘材料，而其形成方法例如是化学气相沉积工艺。

继之，请同时参照图3C与图4C，移除沟槽204以外的绝缘材料层210，直到暴露出位于相邻二沟槽204之间的基底200。其中，移除沟槽204以外的绝缘材料层210的方法例如是化学机械研磨工艺。然后，移除沟槽204中的绝缘材料层210，直到暴露出沟槽204底部，并且暴露出位于相邻二沟槽202之间的基底200，而形成绝缘层210a。其中，移除沟槽204中的绝缘材料层210的方法例如是蚀刻工艺。此外，于此所形成的绝缘层210a可以作为隔离结构使用。

之后，于沟槽204的侧壁形成电荷阻挡层212，以覆盖电荷储存层208，及于沟槽204的底部形成栅介电层214。其中所形成的栅介电层214至少覆盖位于相邻二沟槽202之间的基底200，其亦可覆盖绝缘层210a。在一实施例中，电荷阻挡层212与栅介电层214的材料可以是氧化硅，而形成栅介电层214的方法可以是热氧化法。此外，在另一实施例中，电荷阻挡层212亦可于图3B的电荷储存层208形成后以及绝缘材料层210形成之前形成。

于各个沟槽204侧壁的电荷阻挡层212上形成一对绝缘间隙壁216。其中，绝缘间隙壁216的材料例如是氧化硅，而其形成方法例如是先于基底200上形成一层间隙壁材料层(未绘示)覆盖整个结构后，再利用各向异性蚀刻工艺以形成之。在另一实施例中，可先形成电荷阻挡层212与绝缘间隙壁216后，再形成栅介电层214。

继之，请同时参照图3D与图4D，于各个沟槽204底部、及位于相邻二沟槽202之间的基底200中形成掺杂区218。掺杂区218例如是具有N型掺杂物的掺杂区，而其形成方法例如是进行离子注入工艺。掺杂区218的形成位置及宽度可通过绝缘间隙壁216的厚度加以控制，进而调整存储单元的通道长度。

然后，于沟槽204中填入控制栅极层220。其中，控制栅极层220的材料例如是多晶硅、掺杂多晶硅或是其它合适的导电材料。控制栅极层220的形成方法例如是进行一化学气相沉积工艺，以于基底200上形成一层控制栅极材料层(未绘示)覆盖整个结构，之后再利用化学机械研磨工艺，将沟槽204以外的控制栅极材料层移除，而形成之。

之后，于控制栅极层220两侧的基底200中形成掺杂区222。其中，掺杂区222例如是具有N型掺杂物的掺杂区，而其形成方法例如是进行离子注入工艺。此外，在一实施例中，掺杂区222可于先前步骤中与掺杂区218一并形成。

值得注意的是，在无形成掺杂区218与绝缘间隙壁216的情况下，可得如图2C所示的非挥发性存储器，其各个存储单元(如图3D标号224所示)两侧的电荷储存层208可以分别用来储存一个位。也就是说，对于一个存储单元来说，其具有一个可以储存两个位的存储单元。而在形成有掺杂区218与有/无绝缘间隙壁216的情况下(分别如图2A及图2D所示)，由于掺杂区218亦作为源极/漏极区使用，因此各个存储单元(如图3D标号224所示)包含有分别位于两侧的存储单元，且每个存储单元的电荷储存层208可以用来储存一个位。因此，对于一个存储单元来说，其可作为多阶存储单元使用。

由上述可知，本发明的非挥发性存储器的制作方法，可形成一具有两个储存位的存储单元，有效地利用了晶片上的空间，从而也提升了元件集成度。而且，在工艺上也较为简便。另外，在存储器操作上，本发明的非挥发性存储器特别适于或非门(NOR)型非挥发性存储器的操作。

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

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第二沟槽与多个第一沟槽，其中该些第一沟槽位于该些第二沟槽之上，并且横越该些第二沟槽；

于各该第一沟槽的侧壁上依序形成一电荷穿隧层与一电荷储存层；

于各该第二沟槽中填入一绝缘层；

于各该第一沟槽的侧壁形成一电荷阻挡层，覆盖该电荷储存层；

于各该第一沟槽的底部形成一栅介电层，该栅介电层至少覆盖位于相邻二个第二沟槽之间的该基底；

于各该第一沟槽中填入一控制栅极层；以及

于该控制栅极层两侧的该基底中形成多个第一掺杂区。

2、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中在形成该栅介电层之后，还包括于各该第一沟槽底部形成一第二掺杂区。

3、如权利要求2所述的非挥发性存储器的制造方法，其中在形成该第二掺杂区之前，还包括于各该第一沟槽侧壁的该电荷阻挡层上形成一绝缘间隙壁。

4、如权利要求3所述的非挥发性存储器的制造方法，其中形成该绝缘间隙壁的方法包括:

形成一间隙壁材料层于各该第一沟槽中；以及

各向异性蚀刻该间隙壁材料层。

5、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该些第二沟槽与该些第一沟槽的形成方法包括:

利用图案化的一第一掩模，于该基底中形成该些第一沟槽，该些第一沟槽往一第一延伸方向延伸；以及

利用图案化的一第二掩模，于一第二延伸方向上，于该基底中形成该些第二沟槽，其中该第一延伸方向横越该第二延伸方向。

6、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该些第二沟槽的深度大于该些第一沟槽的深度。

7、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中填入该绝缘层的方法包括:

于该基底上形成一绝缘材料层；

进行一化学机械研磨工艺，移除该些第一沟槽以外的该绝缘材料层，直到暴露出位于相邻二个第一沟槽之间的该基底；以及

进行一蚀刻工艺，移除该些第一沟槽中的该绝缘材料层直到暴露出该些第一沟槽底部，并且暴露出位于相邻二个第二沟槽之间的该基底。

8、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中该栅介电层的形成方法包括热氧化法。

9、如权利要求1所述的非挥发性存储器的制造方法，其中填入该控制栅极层的方法包括:

形成一控制栅极材料层于各该第一沟槽中；以及

进行一化学机械研磨工艺，移除各该第一沟槽以外的该控制栅极材料层。

10、一种非挥发性存储器，包括:

一控制栅极层，配置于一基底的一第一沟槽内；

二电荷储存层，分别配置于该第一沟槽的二侧壁与该控制栅极层之间；

二电荷穿隧层，分别配置于该第一沟槽的二侧壁与该二电荷储存层之间；

二电荷阻挡层，分别配置于该二电荷储存层与该控制栅极层之间；

一栅介电层，配置于该第一沟槽的底部与该控制栅极层之间；

一第一掺杂区，配置于该控制栅极层两侧的该基底中；

一对绝缘间隙壁，配置于该第一沟槽侧壁的该电荷阻挡层与该控制栅极层之间；以及

一第二掺杂区，配置于该第一沟槽底部且于该对绝缘间隙壁之间。

11、如权利要求10所述的非挥发性存储器，还包括一绝缘层，设置于该基底的一第二沟槽内，其中该第二沟槽横越该第一沟槽，且位于该第一沟槽之下。

12、如权利要求11所述的非挥发性存储器，其中该第二沟槽的深度大于该第一沟槽的深度。

13、如权利要求10所述的非挥发性存储器，还包括:

多个第一沟槽于该基底中，其中该第一沟槽为该些第一沟槽之一；

多个第二沟槽于该基底中，其中该些第二沟槽横越该些第一沟槽，且位于该些第一沟槽之下；

多条绝缘层，填入该些第二沟槽中；

多条控制栅极层，填入该些第一沟槽中，而横越该些绝缘层，其中该控制栅极层为该些控制栅极层之一；

多个电荷储存层，分别配置于该些第一沟槽的二侧壁与相应的控制栅极层之间，其中该电荷储存层为该些电荷储存层之一；

多个电荷穿隧层，分别配置于该些第一沟槽的二侧壁与相应的电荷储存层之间，其中该电荷穿隧层为该些电荷穿隧层之一；

多个电荷阻挡层，分别配置于相应的电荷储存层与相应的控制栅极层之间，其中该电荷阻挡层为该些电荷阻挡层之一；

多个栅介电层，分别配置于该些第一沟槽的底部与相应的控制栅极层之间，其中该栅介电层为该些栅介电层之一；以及

多个第一掺杂区，配置于该控制栅极层两侧的该基底中，其中该第一掺杂区为该些第一掺杂区之一。

14、如权利要求13所述的非挥发性存储器，还包括多个第二掺杂区配置于各该第一沟槽底部、且位于相邻二个第二沟槽之间的该基底中。

15、如权利要求14所述的非挥发性存储器，还包括一对绝缘间隙壁，分别配置于各该第一沟槽侧壁的各该电荷阻挡层与各该控制栅极层之间。

16、如权利要求15所述的非挥发性存储器，其中该些第二沟槽的深度大于该些第一沟槽的深度。