TW201419453A - 以單一多晶矽層來形成浮動閘極記憶體胞元之半導體記憶體陣列的自我對齊方法 - Google Patents
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Abstract
一種形成一半導體記憶體胞元的方法，其包括由相同的多晶矽層形成該浮動及控制閘極。形成絕緣、傳導及第二絕緣材料之層覆蓋一基體。於該第二絕緣材料中形成一溝渠其向下延伸至該傳導層並將之曝光。於該溝渠中形成間隔件，其係於該溝渠之底部處以一小且界定的間隙分開將該傳導層之一部分曝光。藉由執行一非等向性蝕刻穿過該間隙而接著形成一溝渠穿過該傳導層之該曝光部分。該溝渠係以第三絕緣材料填注。去除該傳導層之選定的部分，留下其之藉由該第三絕緣材料分開的二塊件。
Description
本發明係有關於形成半導體記憶體胞元的自我對齊方法。
使用浮動閘極以在其上儲存電荷的非揮發性半導體記憶體胞元以及於一半導體基體中構成該等非揮發性記憶體胞元之記憶體陣列於業界係廣為熟知的。典型地，該等浮動閘極記憶體胞元已為分裂閘極型式或是堆疊閘極型式。
半導體浮動閘極記憶體胞元陣列之可製造性所面對的問題之一在於不同組件諸如源極、汲極、控制閘極及浮動閘極之對齊。隨著半導體加工之整合性的設計法則降低，減小最小的微影蝕刻特徵，對於精確對齊的需要變得更為重要。各種部件之對齊亦決定半導體產品之製造作業的生產量。
自我對齊於業界係廣為熟知的。自我對齊係有關
於加工一或更多個步驟的動作其包含一或更多材料以致該等特徵係於該步驟加工中彼此相對自動地對齊。因此，本發明使用自我對齊的技術以完成該分裂閘極型式之半導體記憶體陣列的製造作業。
有一不變的需求在於縮小記憶體胞元陣列的尺寸為了讓在單一晶圓上的記憶體胞元之數目最大化。應廣為熟知的是形成分裂閘極型式記憶體胞元以形成彼此側向相鄰的控制閘極及浮動閘極並覆蓋該基體。然而，分離閘極成形製程典型地係用以形成該浮動閘極及該控制閘極。分離形成製程需要附加的光微影蝕刻光罩及遮罩步驟。此外，隨著記憶體胞元尺寸縮小，對於將二閘極相互對齊以及精確地控制將該二閘極相互分離的該絕緣層之厚度變得越加困難。
具有對於在針對分裂閘極、非揮發性記憶體胞元形成浮動閘極及控制閘極方面的一改良技術的需求。
形成一分裂閘極、非揮發性記憶體胞元的方法包括在基體上形成一第一絕緣層材料，在該第一絕緣層上形成一傳導層材料，在該傳導層上形成一第二絕緣層材料，在該第二絕緣層中形成一第一溝渠其向下延伸至該傳導層並將之曝光，於該第一溝渠中形成間隔件，該等間隔件係於該第一溝渠之底部處藉由一將該傳導層之一部分曝光的間隙分開，藉由執行一非等向性蝕刻穿過該間隙而形成一
第二溝渠穿過該傳導層，以一方式選擇性地去除部分之傳導層留下藉由該第二溝渠而相互分開的第一及第二塊件的該傳導層之材料之方式，選擇性地去除部分之該傳導層，以絕緣材料填充該第二溝渠，以及於該基體中形成第一及第二間隔開的區域，於其間的該基體中具有一通道區域，其中該第一及第二區域具有一第一傳導性型式以及該通道區域具有不同於該第一傳導性型式的一第二傳導性型式，以及其中該通道區域包括位在該第一塊件下方的一第一部分及位在該第二塊件下方的一第二部分。
本發明的其他目的及特性將由對說明書、請求項及附加圖式之檢閱將變得顯而易見的。
10‧‧‧半導體基體
12‧‧‧第一材料層
14‧‧‧第二材料層
16‧‧‧光阻劑材料
18‧‧‧條帶
20‧‧‧溝渠
22‧‧‧活性區域
24‧‧‧隔離區域
26‧‧‧氧化物塊件
30‧‧‧NWEL區域
32‧‧‧記憶體井
34‧‧‧絕緣層
36‧‧‧多晶矽層
38‧‧‧氮化物層
40‧‧‧溝渠
42‧‧‧絕緣材料層
44‧‧‧間隔件
46‧‧‧間隙
48‧‧‧溝渠
50‧‧‧塊件/控制閘極
52‧‧‧塊件/浮動閘極
54‧‧‧第一(源極)區域
56‧‧‧第二(汲極)區域
58‧‧‧絕緣間隔件
59‧‧‧薄氧化物絕緣層
60,60a,60b‧‧‧通道區域
W‧‧‧距離
圖1A係為於形成隔離區域中使用的一半導體基體之俯視圖。
圖1B係為該結構沿著線1B-1B所取的一橫截面視圖顯示形成隔離及活性區域之該等初始加工步驟。
圖1C係為該結構之一俯視圖顯示於形成隔離及活性區域中該下一步驟。
圖1D係為圖1C中該結構沿著線1D-1D所取的一橫截面視圖顯示在該結構中形成的該等隔離溝渠。
圖1E係為圖1D中該結構的一橫截面視圖顯示在該等隔離溝渠中形成之隔離材料塊件。
圖1F係為圖1E中該結構的一橫截面視圖顯示該等隔離區域之該最終結構。
圖2A-2H係為圖1F中該半導體結構沿著線2A-2A所取的橫截面視圖按順序顯示形成浮動閘極記憶體胞元的一非揮發性記憶體陣列中該半導體結構之加工作業步驟。
於圖1A至1F及2A至2H中圖解形成非揮發性記憶體裝置的方法。該方法由半導體基體10開始，其較佳地係為P型式並於業界係廣為熟知的。
圖1A至1F圖示在一基體上形成隔離區域之該廣為熟知的淺溝槽隔離(STI)方法。參考圖1A，顯示一半導體基體10(或其之半導體井)之一俯視圖，其較佳地係為P型式並且於業界係廣為熟知的。在該基體上形成第一及第二材料層12及14(例如，成長或沉積)。例如，第一層12可為二氧化矽(在下文中為“氧化物”)，其係藉由任何廣為熟知的技術諸如氧化或氧化物沉積(例如，化學蒸氣沉積或CVD)形成在該基體10上。亦可使用摻雜氮的氧化物或其他絕緣電介質。第二層14可為氮化矽(在下文中為“氮化物”)，其較佳地係藉由化學蒸汽沉積(CVD)或電漿化學蒸汽沉積(PECVD)經形成覆蓋氧化物層12。圖1B圖示該所得的結構之一橫截面。
一旦第一及第二層12/14已形成，適合的光阻劑材料16即施用在該氮化物層14上並執行一遮罩步驟以選擇性地將該光阻劑材料自，如於圖1C中所示，於該Y或是縱
列方向上延伸的特定區域(條帶18)中去除。該光阻劑材料16經去除處，該等曝光的氮化物層14及氧化物層12係使用標準的蝕刻技術(亦即，非等向性的氮化物及氧化物/電介質蝕刻製程)於該條帶18中蝕刻去除以於該結構中形成溝渠20。相鄰條帶18間的距離W可如所使用製程之最小的微影蝕刻特徵般小。接著使用一矽蝕刻製程以將溝渠20向下延伸進入該矽基體10，如於圖1D中所示。該光阻劑材料16未經去除處，保留該氮化物層14及氧化物層12。於圖1D中所示該所得的結構現定義與隔離區域24交錯的活性區域22。
該結構經進一步加工以去移該保留的光阻劑16。接著，藉由沉積一厚氧化物層於溝渠20中形成諸如二氧化矽的一隔離材料，接著藉由化學-機械-拋光(CMP)蝕刻(使用氮化物層14作為一蝕刻停止層)以去除在溝渠20中氧化物塊件26之外的該氧化物層，如於圖1E中所示。該保留的氮化物及氧化物層14/12接著使用氮化物/氧化物蝕刻製程加以去除，留下STI氧化物塊件26沿著隔離區域24延伸，如於圖1F中所示。
以上所述該STI隔離方法係為形成隔離區域24的較佳方法。然而，該網為熟知的局部矽氧化技術(LOCOS)隔離方法(例如，凹陷式LOCOS，多晶矽緩衝LOCOS，等等。)可交替地使用，其中該等溝渠20可不延伸進入該基體，以及可於條帶區域18中在該基體表面之曝光部份上形成(例如，成長)隔離材料。圖1A至1F圖示該基體之該記憶
體胞元陣列區域，其中將在由該隔離區域24加以分開的該活性區域22中形成記憶體胞元縱列。
於圖1F中所示的該結構係進一步如下地經加工以形成非揮發性記憶體胞元。圖2A至2H顯示由與圖1F正交的一視野(沿著如圖1C及1F中所示的線2A-2A)觀視於該活性區域22中該結構的該等橫截面視圖，作為以下執行的該等加工步驟。如於圖2A中所示，藉由使用一傳統式植入製程於該基體10中植入一N型式材料形成一NWEL區域30(針對一P型電晶體的邏輯井區域)以形成一深源極接面。執行一MWEL遮罩及植入製程以界定該基體之該表面下方的一記憶體井32。形成一絕緣層34(較佳地為氧化物)覆蓋該基體10(例如，藉由沉積或熱氧化成長)。對於層34的一非限制示範性厚度係為80-200Å。形成一多晶矽層36(在下文中為“多晶矽”)覆蓋該氧化物層34(例如，藉由多晶矽沉積)。於圖2B中圖示該所得的結構。
形成一絕緣層38(例如，氮化物)覆蓋該多晶矽層36(例如，藉由氮化物沉積)。接著執行一光微影蝕刻製程，在該氮化物層38上施加適合的光阻劑材料，並執行一遮罩步驟以選擇性地去除該光阻劑材料及選擇性地將特定部分之氮化物層38曝光。接著執行一非等向性氮化物蝕刻以將該氮化物層38之該等曝光部分去除，因而產生向下延伸至多晶矽層36的溝渠40及選擇性地曝光該多晶矽層36。於圖2C中圖示該所得的結構。
接著形成一絕緣材料層42覆蓋該結構(亦即，位在氮化物層38上並填注溝渠40)，如圖2D中所圖示。層42較佳地係為氧化物。接著使用一氧化物非等向性蝕刻以去除除了沿著溝渠40之側壁的該材料之間隔件44之外的氧化物42。形成間隔件於業界係廣為熟知的，並包括沉積一材料覆蓋一結構之輪廓，接著進行非等向性蝕刻，藉此將該材料自該結構的水平表面移除，同時該材料相當大程度地完整保留在該結構的垂直定向表面上(具有一圓滑的上表面)。間隔件44經形成以致其係藉在多晶矽層36之頂部表面處一小的但明確界定的間隙46分開。就一非限定實例而言，該間隙46之寬度可為150-2000Å。於圖2E中圖示所得的結構。
執行一具有極高選擇性具氧化物之一多晶矽蝕刻以去除在間隙46下面多晶矽層36之曝光部分，導致一溝渠48延伸穿過多晶矽層36向下至氧化物層34，如於圖2F中所圖示，溝渠48具有大約與間隙46相同的寬度。使用一氮化物蝕刻以去除層38，以及使用氧化物蝕刻以去除間隔件44，如於圖2G中所圖示。
接著使用一微影多晶矽蝕刻以去除部分之多晶矽層36，留下多晶矽塊件50及52。執行一適合的離子植入(以及可能的退火處理)以分別地在該基體10中鄰近多晶矽塊件52及50處形成N型式第一(源極)區域54及第二(汲極)區域56。藉由一氧化沉積及蝕刻製程，側向地鄰近多晶矽塊件52及50並與之緊靠地形成絕緣間隔件58(例如，氧化
物)，並亦以氧化物填注溝渠48因此在多晶矽塊件52及50之間形成一薄氧化物絕緣層59。於圖2H中圖示該所得的記憶體胞元結構。圖2H之該記憶體胞元結構的進一步加工可包括絕緣及接點形成，其係為業界所廣為熟知的並且於本文中不再進一步說明。
如於圖2H中所顯示，上述製程形成一具第一及第二區域54/56的記憶體胞元該等區域分別地構成源極及汲極區域(儘管熟知此技藝之人士知道在操作期間源極及汲極可切換)。多晶矽塊件52構成浮動閘極，以及多晶矽塊件50構成控制閘極。通道區域60係經界定位在該基體10的表面部分，其係位在源極與汲極54/56之間。上述由相同多晶矽層形成該等浮動及控制閘極50/52以及在閘極50/52之間形成薄絕緣層59的方法係為有利的，因為其在閘極50/52相互對齊上提供最大控制，以及在其間該絕緣層59之厚度上的最大控制。此外，層59之厚度會小於用以製作該記憶體胞元所使用之該微影蝕刻製程的該等幾何形狀。以上方法係與用以在相同晶片上製作相關聯邏輯元件的製程相容的，並且與其他記憶體胞元形成方法比較減少了所需微影蝕刻術光罩的數量。
儘管於該等圖式中顯示並於以上說明一單一記憶體胞元之形成，但熟知此技藝之人士將瞭解的是利用該上述方法在該相同的晶圓上同時地形成該等胞元的一陣列，並且實際上可以成對地形成共有汲極區域或源極區域。浮動閘極52控制位在浮動閘極52下方該通道區域(60a)
之該部分，以及控制閘極50控制位在控制閘極50下方該通道區域(60b)之該區域。分裂胞元式記憶體胞元的操作及原理係於美國專利第5,572,054號中加以說明，其之揭示內容於此係針對所有的目的併入本案以為參考資料他的揭露是為了所有目地被參考，並特別地關於具一浮動閘極及一控制閘極，穿隧作用(tunneling)，的一非揮發性記憶體胞元之操作及原理，並藉此形成一記憶體胞元之陣列。
應注意的是，如於本文所使用，該等用語“覆蓋(over)”及“在..上(on)”二者在內地包括“直接地在..上”(無中間材料、元件或配置於其間的空間)及“間接地在..上”(中間材料、元件或配置於其間的空間)。同樣地，該用語“相鄰(adjacent)”包括“直接地相鄰”(無中間材料、元件或配置於其間的空間)及“間接地相鄰”(中間材料、元件或配置於其間的空間)。例如，構成一元件“覆蓋在一基體上”可包括直接地將該元件構成在該基體上其間無中間材料/元件，以及間接地將該元件構成在該基體上其間具有一或更多的中間材料/元件。
應瞭解的是本發明並不限制在上述說明及本文圖解的該等具體實施例，但包含涵蓋於該等附加請求項之範疇內的任何及所有變化形式。例如，本文中本發明所參考者並不意欲限制任何請求或請求條件之範疇，反而僅參考由該等請求項的其中一項或是更多項所涵蓋的一或更多之特性。以上所說明的材料、製程及數例僅係為示範性的，並不應視為限制該等請求項。儘管該先前方法說明使
用適當地摻雜的多晶矽作為用於形成記憶體胞元的該傳導性材料，但對於熟知此技藝之人士而言應為清楚的是於此揭示內容以及該等附加的請求項之上下文中，“多晶矽”係有關於能夠用於形成非揮發性記憶體胞元之該等元件的任何適合的傳導性材料。此外，可使用任何適合的絕緣體以取代二氧化矽或氮化矽。此外，任何其之蝕刻特性不同於二氧化矽(或任何絕緣體)以及不同於多晶矽(或任導體)之蝕刻特性的適合的材料可經使用以取代氮化矽。他的不同於矽氧化物的特性及從聚化矽可被使以替代矽氮化物。進一步地，如由該等請求項係為顯而易見的，並非所有方法步驟需要以所圖示或是主張之準確的順序執行，反而是以容許正確地形成本發明之記憶體胞元的任何順序。儘管於本文中揭示形成一具有N形式區域的P型式基體，但可交替地使用具有一於其中形成P式區域的N樣式基體。單一的絕緣或傳導材料層可經形成作為多重的該等材料層，且反之亦然。儘管於該等圖式中顯示在溝渠40的相對側邊上係為一對間隔件44，但熟知此技藝之人士應察知的是該等間隔件當形成於孔洞或是溝渠中時可經連續地形成並連接在一起。最後，相對於恰好具有二側向地相鄰閘極的一記憶體胞元揭示由一單一多晶矽層形成二傳導性閘極，本發明相等地應用在相對於任何二側向地相鄰閘極而具有附加閘極的記憶體胞元(例如，該等記憶體胞元構態其附加地包括一選擇閘極及/或一抹除閘極)。
10‧‧‧半導體基體
30‧‧‧NWEL區域
32‧‧‧記憶體井
34‧‧‧絕緣層
50‧‧‧塊件/控制閘極
52‧‧‧塊件/浮動閘極
54‧‧‧第一(源極)區域
56‧‧‧第二(汲極)區域
58‧‧‧絕緣間隔件
59‧‧‧薄氧化物絕緣層
60,60a,60b‧‧‧通道區域
Claims (8)
- 一種形成一半導體記憶體胞元的方法，其包含：在基體上形成一第一絕緣層材料；在該第一絕緣層上形成一傳導層材料；在該傳導層上形成一第二絕緣層材料；在該第二絕緣層中形成一第一溝渠，該第一溝渠係向下延伸至該傳導層並曝光該該傳導層；於該第一溝渠中形成間隔件，該等間隔件係於該第一溝渠之底部處藉由一將該傳導層之一部分曝光的間隙分開；藉由執行一非等向性蝕刻穿過該間隙而形成一第二溝渠穿過該傳導層；以一留下藉由該第二溝渠而相互分開的第一及第二塊件的該傳導層之材料之方式，選擇性地去除部分之該傳導層；以絕緣材料填充該第二溝渠；於該基體中形成第一及第二間隔開的區域，於其間的該基體中具有一通道區域，其中該等第一及第二區域具有一第一傳導性型式以及該通道區域具有不同於該第一傳導性型式的一第二傳導性型式，以及其中該通道區域包括位在該第一塊件下方的一第一部分及位在該第二塊件下方的一第二部分。
- 如請求項1之方法，其進一步包含： 在形成該第二溝渠之後，去除該第二絕緣層及該等間隔件。
- 如請求項1之方法，其進一步包含：於該基體中藉由植入一第二傳導性型式材料而在該基體中形成一井區域，其中該第一區域係形成於該井區域中。
- 如請求項3之方法，其中該第二塊件之一部分係經配置覆蓋該井區域。
- 如請求項1之方法，其進一步包含：於該基體中植入一材料以在該基體中位於該通道區域下方形成一井區域。
- 如請求項1之方法，其進一步包含：形成一側向地與該第一塊件毗鄰的絕緣材料間隔件；形成一側向地與該第二塊件毗鄰的絕緣材料間隔件。
- 如請求項1之方法，其中該第二塊件之一側向邊緣係與該第一區域之一側向邊緣對齊。
- 如請求項1之方法，其中該第一塊件之一側向邊緣係與該第二區域之一側向邊緣對齊。
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