TWI775303B - Memory device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本揭露是有關於一種記憶體元件及其製造方法,且特別是有關於一種非揮發性記憶體。The present disclosure relates to a memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a non-volatile memory.
在現代電子產品中,記憶體扮演不可或缺的角色。除了用於儲存使用者資料,記憶體也用於儲存處理器的程式碼以及處理器運算過程中所需要的暫存資料。一般而言,記憶體可分為揮發性記憶體與非揮發性記憶體。揮發性記憶體所儲存的資料會在斷電後消失,而非揮發性記憶體在斷電後仍可保持所儲存的資料。In modern electronic products, memory plays an indispensable role. In addition to storing user data, the memory is also used to store the code of the processor and the temporary data required in the operation of the processor. Generally speaking, memory can be divided into volatile memory and non-volatile memory. The data stored in volatile memory will disappear after a power failure, while the data stored in non-volatile memory will remain after a power failure.
快閃記憶體為一種廣泛應用的非揮發性記憶體。快閃記憶體由浮閘電晶體(floating gate transistor)構成,其包括被絕緣層隔開的控制閘極與浮置閘極。控制閘極用於控制浮閘電晶體的開關。另一方面,電荷可儲存於浮置閘集中,而影響浮閘電晶體的起始電壓(threshold voltage)。藉由起始電壓的變化,浮閘電晶體可用於儲存資料。提高控制閘極與浮置閘極之間的電容耦合(capacitive coupling),可降低浮閘電晶體的寫入電壓,且可降低相鄰浮閘電晶體之間的干擾。然而,目前因受限於製程,難以在不增加浮閘電晶體的面積之條件下提高上述的電容耦合。Flash memory is a widely used non-volatile memory. Flash memory consists of a floating gate transistor, which includes a control gate and a floating gate separated by an insulating layer. The control gate is used to control the switching of the floating thyristor. On the other hand, charge can be stored in the floating gate set, which affects the threshold voltage of the floating gate transistor. Floating gate transistors can be used to store data by changing the starting voltage. Improving the capacitive coupling between the control gate and the floating gate can reduce the write voltage of the floating gate transistor and reduce the interference between adjacent floating gate transistors. However, it is currently difficult to improve the above-mentioned capacitive coupling without increasing the area of the floating thyristor due to the limitation of the manufacturing process.
本揭露提供一種記憶體元件及其製造方法,可提高浮置閘極與控制閘極之間的電容耦合。The present disclosure provides a memory device and a manufacturing method thereof, which can improve the capacitive coupling between the floating gate and the control gate.
本揭露的一個態樣提供一種記憶體元件,包括:浮置閘極,設置於基底上且具有梳狀部,其中所述梳狀部具有彼此側向間隔開的多個條狀圖案;閘間介電層,覆蓋所述浮置閘極的所述梳狀部的上表面;閘極耦合層,覆蓋所述閘間介電層;以及控制閘極,包括立於所述閘極耦合層上的導電插塞,且電性連接於所述閘極耦合層,其中所述控制閘極在垂直方向上與水平方向上電容耦合於所述浮置閘極的所述梳狀部。One aspect of the present disclosure provides a memory device, including: a floating gate disposed on a substrate and having a comb-shaped portion, wherein the comb-shaped portion has a plurality of stripe patterns laterally spaced apart from each other; between the gates a dielectric layer covering the upper surface of the comb-shaped portion of the floating gate; a gate coupling layer covering the inter-gate dielectric layer; and a control gate including standing on the gate coupling layer The conductive plug is electrically connected to the gate coupling layer, wherein the control gate is capacitively coupled to the comb-shaped portion of the floating gate in the vertical direction and the horizontal direction.
在一些實施例中,閘間介電層與閘極耦合層實質上完整地覆蓋浮置閘極的梳狀部的上表面。In some embodiments, the inter-gate dielectric layer and the gate coupling layer substantially completely cover the upper surface of the comb portion of the floating gate.
在一些實施例中,記憶體元件更包括金屬矽化物層。金屬矽化物層形成於閘極耦合層上。控制閘極的導電插塞經由金屬矽化物層而電性連接於閘極耦合層。In some embodiments, the memory device further includes a metal silicide layer. A metal silicide layer is formed on the gate coupling layer. The conductive plug of the control gate is electrically connected to the gate coupling layer through the metal silicide layer.
在一些實施例中,浮置閘極更具有延伸於基底的主動區上並透過穿遂介電層而與主動區接觸的另一部分。In some embodiments, the floating gate further has another portion extending over the active region of the substrate and in contact with the active region through the tunnel dielectric layer.
在一些實施例中,記憶體元件更包括隔離結構。隔離結構設置於基底中且圍繞主動區。In some embodiments, the memory device further includes an isolation structure. The isolation structure is disposed in the substrate and surrounds the active region.
在一些實施例中,浮置閘極的梳狀部、閘間介電層與閘極耦合層交疊隔離結構。In some embodiments, the comb portion of the floating gate, the inter-gate dielectric layer, and the gate coupling layer overlap the isolation structure.
在一些實施例中,閘間介電層更覆蓋浮置閘極的梳狀部的側壁,且閘極耦合層更填入於浮置閘極的梳狀部的多個條狀圖案之間的空間中。In some embodiments, the inter-gate dielectric layer further covers the sidewalls of the comb-shaped portion of the floating gate, and the gate coupling layer is further filled in between the strip patterns of the comb-shaped portion of the floating gate. in space.
在一些實施例中,述閘間介電層具有彼此側向間隔開的多個部分,分別覆蓋浮置閘極的梳狀部的多個條狀圖案。閘極耦合層亦具有彼此側向間隔開的多個部分,分別覆蓋閘間介電層的所述多個部分。In some embodiments, the inter-gate dielectric layer has a plurality of portions laterally spaced apart from each other, respectively covering a plurality of stripe patterns of combs of the floating gate. The gate coupling layer also has portions laterally spaced apart from each other, covering the portions of the inter-gate dielectric layer, respectively.
在一些實施例中,控制閘極更包括至少一導電牆,延伸於浮置閘極的梳狀部的相鄰條狀圖案之間。In some embodiments, the control gate further includes at least one conductive wall extending between adjacent strip patterns of the comb-shaped portion of the floating gate.
本揭露的另一態樣提供一種記憶體元件的製造方法,包括:在基底上方形成浮置閘極,其中浮置閘極具有梳狀部,且所述梳狀部具有彼此側向間隔開的多個條狀圖案;在浮置閘極的梳狀部上形成閘間介電層;在閘間介電層上形成閘極耦合層;以及在基底上形成控制閘極,其中控制閘極包括立於閘極耦合層上的導電插塞,且電性連接於閘極耦合層,且其中控制閘極在垂直方向上與水平方向上電容耦合於浮置閘極的梳狀部。Another aspect of the present disclosure provides a method of fabricating a memory device, comprising: forming a floating gate over a substrate, wherein the floating gate has comb-shaped portions, and the comb-shaped portions have laterally spaced apart a plurality of stripe patterns; forming an inter-gate dielectric layer on the comb portion of the floating gate; forming a gate coupling layer on the inter-gate dielectric layer; and forming a control gate on the substrate, wherein the control gate comprises The conductive plug stands on the gate coupling layer and is electrically connected to the gate coupling layer, and wherein the control gate is capacitively coupled to the comb-shaped portion of the floating gate in the vertical direction and the horizontal direction.
基於上述,藉由在浮置閘極與控制閘極的導電插塞之間設置閘極耦合層,可增加控制閘極與浮置閘極之間的電容耦合面積。在一些實施例中,閘極耦合層覆蓋浮置閘極的上表面與側壁,因此可使電性連接於閘極耦合層的控制閘極在垂直方向與水平方向上經由閘極耦合層而電容耦合於浮置閘極。在另一些實施例中,閘極耦合層可用於增加控制閘極與浮置閘極在垂直方向上的電容耦合面積,且控制閘極更可包括延伸於浮置閘極側邊的導電牆。如此一來,控制閘極仍可在垂直方向與水平方向上電容耦合於浮置閘極。Based on the above, by disposing the gate coupling layer between the floating gate and the conductive plug of the control gate, the capacitive coupling area between the control gate and the floating gate can be increased. In some embodiments, the gate coupling layer covers the top surface and sidewalls of the floating gate, so that the control gate electrically connected to the gate coupling layer can be capacitively connected to the gate coupling layer in the vertical and horizontal directions through the gate coupling layer. coupled to the floating gate. In other embodiments, the gate coupling layer can be used to increase the capacitive coupling area between the control gate and the floating gate in the vertical direction, and the control gate can further include a conductive wall extending on the side of the floating gate. In this way, the control gate can still be capacitively coupled to the floating gate in the vertical and horizontal directions.
圖1A是依照本揭露一些實施例的嵌入有記憶體元件10的半導體結構100的剖視示意圖。圖1B是圖1A所示的記憶體元件10的平面示意圖。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of a
請參照圖1A,在一些實施例中,記憶體元件10為嵌入式記憶體元件。在此些實施例中,記憶體元件10可形成於半導體結構100的記憶體區100A中,而邏輯電路可形成於半導體結構100的邏輯區100B中。記憶體區100A與邏輯區100B之交界可由形成於基底102中的隔離結構104之一部分來界定。基底102可為半導體晶圓,或者可為半導體上覆絕緣體(semiconductor-on-insulator,SOI)晶圓。舉例而言,半導體晶圓或SOI晶圓中的半導體材料可包括矽。此外,在一些實施例中,隔離結構104可為溝渠隔離結構,且可由基底102的頂面往基底102內部延伸。Referring to FIG. 1A , in some embodiments, the
在一些實施例中,記憶體元件10的每一記憶胞元(memory cell)包括存取電晶體AT以及浮閘電晶體FT。浮閘電晶體FT用於儲存資料,而存取電晶體AT連接於浮閘電晶體FT,且可用於控制浮閘電晶體FT的存取。在一些實施例中,存取電晶體AT形成於主動區AA的表層區域上。主動區AA可為形成於基底102中的井區,且被隔離結構104的一部分環繞。存取電晶體AT包括形成於主動區AA上的閘極106以及形成於主動區AA中的摻雜區108、摻雜區110。摻雜區108與摻雜區110位於閘極106的相對兩側並具有與主動區AA的導電型不同的另一導電型,且可作為存取電晶體AT的汲極與源極。存取電晶體AT導通時,可在主動區AA的位於摻雜區108與摻雜區110之間的部分形成導電通道。另一方面,當存取電晶體AT關斷時,上述導電通道則不存在。在一些實施例中,存取電晶體AT與浮閘電晶體FT藉由共汲極/源極(例如是摻雜區108)而彼此相連。在此些實施例中,浮閘電晶體FT的其中一端子的電位由存取電晶體AT控制。如此一來,存取電晶體AT能夠控制浮閘電晶體FT的開關,進而控制浮閘電晶體FT的存取。In some embodiments, each memory cell of the
如圖1A所示,閘極106與主動區AA的表面之間更設置有閘介電層112。在一些實施例中,閘介電層112的材料包括氧化矽。此外,閘極106與閘介電層112的周圍更可設置至少一間隙壁114。舉例而言,間隙壁114可包括間隙壁114a以及間隙壁114b。間隙壁114b設置於間隙壁114a的外側,且間隙壁114a可具有延伸於間隙壁114b下方的延伸部。在一些實施例中,間隙壁114a與間隙壁114b分別可由氧化矽或氮化矽構成。在主動區AA中的摻雜區108、摻雜區110可位於間隙壁114的外側(例如是位於間隙壁114b的外側),且可或可不略為延伸至間隙壁114的下方。在一些實施例中,存取電晶體AT更包括位於主動區AA中的一對輕摻雜區116。此一對輕摻雜區116設置於摻雜區108、摻雜區110的彼此面對的側邊,且可視為摻雜區108、摻雜區110的延伸部分。如此一來,輕摻雜區116可延伸於間隙壁114下方,且可或可不略為延伸至閘介電層112下方。輕摻雜區116的導電型可等同於與摻雜區108、摻雜區110的導電型,且輕摻雜區116的摻雜濃度可低於摻雜區108、摻雜區110的摻雜濃度。As shown in FIG. 1A , a gate
另一方面,在一些實施例中,浮閘電晶體FT包括浮置閘極120、摻雜區122以及與存取電晶體AT共用的摻雜區108。浮置閘極120的一部分形成於主動區AA上,而摻雜區122、摻雜區108則位於主動區AA中且位於浮置閘極120的該部分的相對兩側。摻雜區122、摻雜區108的導電型可不同於主動區AA的導電型,且可作為浮閘電晶體FT的汲極與源極。浮閘電晶體FT導通時,可在主動區AA的位於摻雜區122、摻雜區108之間的部分形成導電通道。另一方面,當浮閘電晶體FT關斷時,上述導電通道則不存在。此外,在寫入操作期間,載子可由上述導電通道穿遂至浮置閘極120中。另一方面,在抹除操作期間,儲存於浮置閘極120中的載子可藉由穿遂效應而返回主動區AA中。在一些實施例中,浮置閘極120與存取電晶體AT的閘極106由相同的材料構成。On the other hand, in some embodiments, the floating gate transistor FT includes a floating
主動區AA與浮置閘極120的位於主動區AA上的部分之間更設置有穿遂介電層124。在一些實施例中,穿遂介電層124與存取電晶體AT的閘介電層112由相同的材料構成。此外,相似於存取電晶體AT的間隙壁114,浮置閘極120與穿遂介電層124的周圍可設置有至少一間隙壁126。舉例而言,間隙壁126可包括間隙壁126a與間隙壁126b。間隙壁126b設置於間隙壁126a的外側,且間隙壁126a可具有延伸於間隙壁126b下方的延伸部。在一些實施例中,間隙壁126a與間隙壁126b分別可由氧化矽或氮化矽構成。在主動區AA中的摻雜區108、摻雜區122可位於間隙壁126的外側(例如是位於間隙壁126b的外側),且可或可不略為延伸至間隙壁126的下方。在一些實施例中,存取電晶體AT更包括位於主動區AA中的一對輕摻雜區128。此一對輕摻雜區128設置於摻雜區108、摻雜區122的彼此面對的側邊,且可視為摻雜區108、摻雜區122的延伸部分。如此一來,輕摻雜區128可延伸於間隙壁126下方,且可或可不略為延伸至穿遂介電層124下方。輕摻雜區128的導電型可等同於與摻雜區108、摻雜區122的導電型,且輕摻雜區128的摻雜濃度可低於摻雜區108、摻雜區122的摻雜濃度。A
請參照圖1A與圖1B,浮置閘極120更延伸至主動區AA的範圍之外。如圖1A所示,浮置閘極120的延伸部分120e可位於環繞主動區AA的隔離結構104上。如圖1B所示,浮置閘極120的延伸部分120e可包括梳狀部CM以及連接部BR。浮置閘極120的梳狀部CM具有多個彼此側向間隔開的條狀圖案,且此些條狀圖案分別以其一端(例如是圖1B所示的底端)而與相鄰條狀圖案側向連接。舉例而言,梳狀部CM的多個條狀圖案沿方向Y延伸,而用於連接多個條狀圖案的橫向圖案可沿方向X延伸。另一方面,浮置閘極120的位於主動區AA內的部分藉由連接部BR而連接於梳狀部CM。在一些實施例中,連接部BR沿方向Y延伸。需注意的是,在圖1A中浮置閘極120的位於隔離結構104上的部分可為浮置閘極120的梳狀部CM的多個條狀圖案(如圖1B所示)的剖視示意圖。Referring to FIGS. 1A and 1B , the floating
請參照圖1A,在一些實施例中,穿遂介電層124並未設置於浮置閘極120的延伸部分120e與隔離結構104之間。此外,在一些實施例中,浮置閘極120的延伸部分120e亦被間隙壁126圍繞。再者,浮閘電晶體FT更包括位於浮置閘極120的延伸部分120e之上的閘間介電層130、閘極耦合層132以及控制閘極134。控制閘極134電性連接於閘極耦合層132,且控制閘極134與閘極耦合層132透過閘間介電層130而電容耦合於浮置閘極120的延伸部分120e。控制閘極134用於控制浮閘電晶體FT的開關,而與控制閘極134電容耦合的浮置閘極120影響浮閘電晶體FT的起始電壓。藉由在控制閘極134與浮置閘極120之間設置閘極耦合層132,可增加控制閘極134與浮置閘極120之間的耦合面積,而可提高控制閘極134與浮置閘極120之間的電容耦合。如此一來,可有效地降低浮閘電晶體FT的操作電壓與能耗。如圖1A與圖1B所示,閘間介電層130、閘極耦合層132與控制閘極134設置於浮置閘極120的梳狀部CM上,而可能並未覆蓋浮置閘極120的連接部BR以及位於主動區AA上的部分。在一些實施例中,閘間介電層130與閘極耦合層132實質上完整地覆蓋浮置閘極120的梳狀部CM的上表面。如圖1A所示,在一些實施例中,閘間介電層130共形地覆蓋浮置閘極120的梳狀部CM及其周圍的間隙壁126。閘極耦合層132覆蓋閘間介電層130,且填入於浮置閘極120的梳狀部CM的多個條狀圖案之間的凹陷。控制閘極134可包括多個導電插塞134a,且多個導電插塞134a立於閘極耦合層132上。在一些實施例中,多個導電插塞134a可位於浮置閘極120的梳狀部CM的相鄰條狀圖案之間。如圖1B所示,在一些實施例中,浮置閘極120的梳狀部CM的相鄰條狀圖案之間可設置有彼此分離的多個導電插塞134a。閘間介電層130可由介電材料構成,而閘極耦合層132與控制閘極134可由導體材料構成。舉例而言,上述介電材料可包括四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane,TEOS)氧化矽、高介電常數(higk-k)介電材料(例如是介電常數大於3.9的介電材料)或其組合。另一方面,構成閘極耦合層132的導體材料可例如是包括多晶矽,而構成控制閘極134的導體材料可例如是包括鎢。Referring to FIG. 1A , in some embodiments, the
請參照圖1A,半導體結構100更可包括位於邏輯區100B內的電晶體T。電晶體T可為邏輯電路中的一個主動元件。換言之,邏輯電路還可包括其他的主動元件及/或被動元件。在一些實施例中,電晶體T在結構與配置方面可相似或等同於存取電晶體AT,但電晶體T與存取電晶體AT可具有相同或不同的導電型。相似於存取電晶體AT,電晶體T設置於被隔離結構104環繞的主動區AA’的表層區域上。電晶體T可包括形成於主動區AA’上的閘極136以及形成於主動區AA’中的摻雜區138與摻雜區140。摻雜區138與摻雜區140位於閘極136的相對兩側並具有與主動區AA’的導電型不同的另一導電型,且可作為電晶體T的汲極與源極。在一些實施例中,閘極136下方更設置有閘介電層142,且閘極136與閘介電層142的周圍可設置有一或多個間隙壁144(例如是包括間隙壁144a與間隙壁144b)。另外,電晶體T可更包括一對輕摻雜區146。電晶體T的閘極136、摻雜區138、摻雜區140、閘介電層142、間隙壁144與輕摻雜區146可類似於存取電晶體AT的閘極106、摻雜區108、摻雜區110、閘介電層112、間隙壁114與輕摻雜區116,此處將不再詳以敘述。Referring to FIG. 1A , the
在一些實施例中,半導體結構100更包括金屬矽化物層150。金屬矽化物層150橫跨記憶體區100A與邏輯區100B。在記憶體區100A內,金屬矽化物層150的一些部分覆蓋摻雜區108、摻雜區110以及摻雜區122的頂面,且覆蓋閘極106以及浮置閘極120的位於主動區AA上方的部分。此外,在記憶體區100A內,金屬矽化物層150的另一些部分覆蓋閘極耦合層132的上表面,使得控制閘極134(例如是控制閘極134的導電插塞134a)透過金屬矽化物層150的此部分而與閘極耦合層132接觸。另一方面,在邏輯區100B內,金屬矽化物層150的一些部分覆蓋閘極136、摻雜區138與摻雜區140的上表面。在一些實施例中,金屬矽化物層150的材料可包括矽化鈦、矽化鎢、矽化鉭、矽化鉬、矽化鈷、矽化鎳或其類似者。In some embodiments, the
在一些實施例中,半導體結構100更包括多個導電插塞152。一些導電插塞152立於記憶體區100A內的摻雜區110以及摻雜區122上,以建立與存取電晶體AT、浮閘電晶體FT的電性連接。在存取電晶體AT與浮閘電晶體FT藉由摻雜區108而相互連接的實施例中,摻雜區108可為電性浮置,而其上方可能並未設置有導電插塞。另一方面,另一些導電插塞152則立於邏輯區100B內的摻雜區138與摻雜區140上,以建立與電晶體T的汲極與源極的電性連接。此外,如圖1B所示,存取電晶體AT的閘極106上也可設置有另一導電插塞152。相似地,儘管未繪示於圖1A或圖1B中,邏輯區100B內的電晶體T的閘極136上方也可選擇性地設置額外的導電插塞152(並未繪示)。在一些實施例中,相較於設置在浮置閘極120之上的導電插塞134a(亦即控制閘極134的一部分)、設置在閘極106上方的導電插塞152以及設置在閘極136上的額外導電插塞152,立於摻雜區110、摻雜區122、摻雜區138與摻雜區140上的導電插塞152可具有較高的高度。此外,在一些實施例中,導電插塞134a、導電插塞152可藉由相同的導體材料(例如是鎢)構成。In some embodiments, the
在一些實施例中,層間介電層154全面性地覆蓋於基底102上,而覆蓋存取電晶體AT、浮閘電晶體FT與電晶體T的設置於基底102上的構件,且側向環繞導電插塞134a及導電插塞152。如此一來,導電插塞134a與導電插塞152可視為穿過層間介電層154,而建立與存取電晶體AT、浮閘電晶體FT與電晶體T的電性連接。此外,在一些實施例中,蝕刻停止層156更襯附於層間介電層154的下方。在此些實施例中,蝕刻停止層156可共形地覆蓋基底102及存取電晶體AT、浮閘電晶體FT與電晶體T的設置於基底102上的構件。此外,導電插塞134a可穿過蝕刻停止層156而電性連接於閘極耦合層132(例如是經由金屬矽化物層150而電性連接於閘極耦合層132)。相似地,導電插塞152可穿過蝕刻停止層156而電性連接於存取電晶體AT、浮閘電晶體FT與電晶體T的摻雜區與閘極106、閘極136(例如是經由金屬矽化物層150而電性連接於此些摻雜區與閘極)。舉例而言,層間介電層154與蝕刻停止層156可分別由氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或其類似者構成。In some embodiments, the
如上所述,藉由設置閘極耦合層132,可增加控制閘極134與浮置閘極120之間的電容耦合。具體而言,相較於將控制閘極形成為另一梳狀結構而與浮置閘極120的梳狀部CM側向地電容耦合,本揭露實施例的浮置閘極120在縱向與橫向兩者上經由閘極耦合層132而電容耦合於控制閘極134。藉由提高浮置閘極120與控制閘極134之間的電容耦合,可有效降低浮閘電晶體FT的操作電壓。As described above, by providing the
圖2是圖1A所示的半導體結構100的根據一些實施例的製造流程圖。圖3A至圖3I是圖2所示的製造流程期間各階段的結構的剖視示意圖。FIG. 2 is a fabrication flow diagram of the
請參照圖2與圖3A,進行步驟S100,以在基底102中形成隔離結構104與主動區AA、主動區AA’。在隔離結構104為溝渠隔離結構的實施例中,形成隔離結構104的方法可包括藉由微影製程與蝕刻製程而在基底102的表面形成凹陷,接著在凹陷內填入絕緣材料而形成隔離結構104。另一方面,可藉由微影製程與離子植入製程在基底102的暴露區域中形成主動區AA、主動區AA’。在一些實施例中,可先形成隔離結構104再形成主動區AA、主動區AA’。再替代實施例中,也可先形成主動區AA、主動區AA’,接著再形成隔離結構104。Referring to FIG. 2 and FIG. 3A , step S100 is performed to form the
請參照圖2與圖3B,進行步驟S102,以在基底102上形成閘介電層112與閘介電層142、閘極106與閘極136、穿遂介電層124與浮置閘極120。在一些實施例中,可藉由熱氧化製程而選擇性地在主動區AA、主動區AA’的表面形成氧化層。隨後,可藉由沈積製程(例如是化學氣相沈積製程)而在隔離結構104與此氧化層上形成全面披覆的閘極材料層。接著,藉由微影製程與蝕刻製程移除閘極材料層的一些部分以及此些部分下方的氧化層。氧化層的保留部分可形成閘介電層112、閘介電層142與穿遂介電層124。另一方面,閘極材料層的保留部分形成閘極106、閘極136與浮置閘極120。2 and FIG. 3B , step S102 is performed to form the
請參照圖2與圖3C,進行步驟S104,以在主動區AA、主動區AA’中形成輕摻雜區116、輕摻雜區128與輕摻雜區146。在一些實施例中,可藉由離子植入製程形成上述的輕摻雜區。在此離子植入製程期間,可使用閘極106、閘極136、浮置閘極120與隔離結構104作為遮罩,使得僅有主動區AA、主動區AA’的暴露部分經離子植入為輕摻雜區116、輕摻雜區128與輕摻雜區146。2 and 3C, step S104 is performed to form the lightly doped
請參照圖2與圖3D,進行步驟S106,以在主動區AA、主動區AA’上形成間隙壁114、間隙壁126與間隙壁144,並在主動區AA、主動區AA’內形成摻雜區108、摻雜區110摻雜區122、摻雜區138與摻雜區140。在一些實施例中,藉由沈積製程(例如是化學氣相沈積製程)在目前的結構上形成一或多層間隙壁材料層,接著進行回蝕刻製程(例如是使用非等向性蝕刻製程)移除間隙壁材料層的一些部分。間隙壁材料層的保留部分可形成間隙壁114、間隙壁126與間隙壁144。此外,在一些實施例中,以閘極106、閘極136、浮置閘極120、間隙壁114、間隙壁126、間隙壁144以及隔離結構104作為遮罩而進行離子植入製程,以在主動區AA、主動區AA’的暴露部分形成摻雜區108、摻雜區110摻雜區122、摻雜區138與摻雜區140。2 and 3D, step S106 is performed to form
請參照圖2與圖3E,進行步驟S108,以在目前結構上形成介電層300。介電層300全面且共形地覆蓋圖3D所示的結構。在將參照圖3H所描述的步驟中,介電層300將被圖案化而形成閘間介電層130。在一些實施例中,藉由沈積製程(例如是化學氣相沈積製程)來形成介電層300。Referring to FIG. 2 and FIG. 3E, step S108 is performed to form a
請參照圖2與圖3F,進行步驟S110,以在目前的結構上形成導體層302。導體層302全面地覆蓋於介電層300上。在將參照圖3H所描述的步驟中,導體層302將被圖案化而形成閘極耦合層132。在一些實施例中,藉由沈積製程(例如是化學氣相沈積製程)來形成導體層302。Referring to FIG. 2 and FIG. 3F , step S110 is performed to form the
請參照圖2與圖3G,進行步驟S112,以在浮置閘極120的延伸部分120e上形成遮罩圖案304。遮罩圖案304覆蓋浮置閘極120的延伸部分120e及其周圍的間隙壁126與其上方的介電層300與導體層302。另一方面,浮置閘極120、間隙壁126、介電層300與導體層302的其他部分以及存取電晶體T、電晶體T則未被遮罩圖案304所覆蓋。在一些實施例中,遮罩圖案304為光阻圖案。在此些實施例中,可藉由微影製程形成遮罩圖案304。Referring to FIG. 2 and FIG. 3G , step S112 is performed to form a
請參照圖2與圖3H,進行步驟S114,以移除介電層300與導體層302的未被遮罩圖案304覆蓋的部分。如此一來,存取電晶體AT的閘極106、浮閘電晶體FT的浮置閘極120的延伸部分120e以外的部分、電晶體T的閘極136暴露出來。此外,摻雜區108、摻雜區110、摻雜區122、摻雜區138、摻雜區140以及隔離結構104的一部分亦暴露出來。介電層300的保留部分形成閘間介電層130,而導體層302的保留部分形成閘極耦合層132。在一些實施例中,藉由蝕刻製程完成上述的移除步驟。在此蝕刻製程期間,遮罩圖案304可作為蝕刻遮罩。Referring to FIG. 2 and FIG. 3H , step S114 is performed to remove the portions of the
在完成上述的移除步驟之後,可移除遮罩圖案304。移除遮罩圖案304之後,閘極耦合層132暴露出來。在一些實施例中,藉由剝除(stripping)製程移除遮罩圖案304。After the above-mentioned removing steps are completed, the
請參照圖2與圖3I,進行步驟S116,以形成金屬矽化物層150。金屬矽化物層150經選擇性地形成於閘極耦合層132、浮置閘極120的延伸部分120e以外的部分、閘極106、閘極136、摻雜區108、摻雜區110、摻雜區122摻雜區138以及摻雜區140的表面上,而可能並未覆蓋隔離結構104的暴露部分。在一些實施例中,藉由沈積製程(例如是物理氣相沈積製程)將金屬層先全面性地披覆於圖3H所示的結構上,藉著藉由熱處理製程而使含矽材料與金屬層產生反應而生成金屬矽化物。隨後,可移除金屬層的未反應部分。所留下的金屬矽化物即形成金屬矽化物層150。Referring to FIG. 2 and FIG. 3I , step S116 is performed to form the
請參照圖2與圖1A,進行步驟S118,以形成蝕刻停止層156與層間介電層154。蝕刻停止層156全面地且共形地覆蓋於圖3I所示的結構上,而層間介電層154全面地形成於蝕刻停止層156上。在一些實施例中,分別藉由沈積製程(例如是化學氣相沈積製程)形成蝕刻停止層156與層間介電層154。Referring to FIG. 2 and FIG. 1A , step S118 is performed to form the
接著,進行步驟S120,以形成導電插塞134a、導電插塞152。在一些實施例中,形成導電插塞134a、導電插塞152的方法包括形成穿過層間介電層154與蝕刻停止層156的穿孔,接著藉由沈積製程、鍍覆製程或其組合而在此些穿孔中填入導電材料,以形成導電插塞134a、導電插塞152。Next, step S120 is performed to form the
至此,已藉由一些實施例的製造方法完成圖1A所示的半導體結構100。儘管未繪示出,隨後更可在層間介電層154上形成更多金屬化層與層間介電層,且可進行封裝製程而形成半導體晶粒。需注意的是,即便是不形成閘極耦合層132的製造流程,也需要類似於圖3G所示的微影製程以定義出欲形成金屬矽化物層的位置。在本揭露實施例中,使用上述的微影製程來圖案化導體層302而形成金屬矽化物層150。換言之,相較於不形成閘極耦合層132的製造流程,本揭露實施例並未因額外形成閘極耦合層132而增加額外的微影製程。So far, the
圖4A是依照本揭露另一些實施例的嵌入有記憶體元件40的半導體結構400的剖視示意圖。圖4B是圖4A所示的記憶體元件40的平面示意圖。圖4A、圖4B所示的半導體結構400與記憶體元件40相似於圖1A、圖1B所示的半導體結構100與記憶體元件10。以下僅描述不同實施例之間的差異處,相同或相似處則不再贅述。此外,相似的元件符號代表相似的構件(例如是閘極耦合層132與閘極耦合層432)。FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of a
請參照圖4A與圖4B,位於浮置閘極120的延伸部分120e之上的閘極耦合層432沿著浮置閘極120的延伸部分120e延伸,而可能不覆蓋其周圍的間隙壁126及隔離結構104。然而,考量製程誤差,閘極耦合層432也有可能部分地覆蓋浮置閘極120的延伸部分120e周圍的間隙壁126。此外,閘間介電層430位於閘極耦合層432與浮置閘極120的延伸部分120e之間,而可能不覆蓋或部分覆蓋浮置閘極120的延伸部分120e周圍的間隙壁126。再者,由於閘極耦合層432堆疊於浮置閘極120的延伸部分120e上而非全面性地覆蓋浮置閘極120的延伸部分120e及其周圍的間隙壁126與隔離結構104,金屬矽化物層450可選擇性地覆蓋於上述堆疊結構的頂面,而可能不(或僅部分地)延伸至上述堆疊結構周圍的間隙壁126上方。4A and 4B, the
在一些實施例中,控制閘極434包括導電插塞434a與導電牆434b。如圖4A所示,導電插塞434a立於閘極耦合層432上。如圖4B所示,在一些實施例中,導電牆434b延伸於浮置閘極120的梳狀部CM的多個條狀圖案之側邊,且可實質上平行於此些條狀圖案。在此些實施例中,浮置閘極120的梳狀部CM的多個條狀圖案之間的間距可經調整以使此些條狀圖案之間的空間足以容納導電牆434b。如此一來,如圖4A所示,控制閘極434可藉由導電插塞434a而在垂直方向上經由閘極耦合層432及閘間介電層430而與浮置閘極120電容耦合。另一方面,控制閘極434可藉由導電牆434b而在水平方向上經由間隙壁126而與浮置閘極120電容耦合。如圖4A所示,在一些實施例中,導電插塞434a可由金屬矽化物層450的頂面延伸至層間介電層154的頂面,而導電牆434b可由隔離結構104的頂面延伸至層間介電層154的頂面。在此些實施例中,導電牆434b的高度大於導電插塞434a的高度。另外,在一些實施例中,導電插塞434a與導電牆434b藉由額外的導電通孔、導電跡線及/或其他導電構件(皆未繪示)而彼此連接。In some embodiments, the control gate 434 includes a
圖5A至圖5B是在製造圖4A所示的半導體結構400的流程中的一些階段的剖視示意圖。5A-5B are schematic cross-sectional views of some stages in the process of fabricating the
關於圖4A所示的半導體結構400的製造流程,首先可進行參照圖2以及圖3A至圖3F所說明的步驟S100至步驟S110。接著,請參照圖2與圖5A,在步驟S112處,於導體層302上形成遮罩圖案600。在隨後的步驟中,遮罩圖案600將用以定義出閘間介電層430與閘極耦合層432。遮罩圖案600覆蓋浮置閘極120的梳狀部CM的條狀圖案,且沿著此些條狀圖案延伸。此外,遮罩圖案可能不(或僅部分地)覆蓋這些條狀圖案周圍的間隙壁126。在一些實施例中,遮罩圖案600為光阻圖案,且可藉由微影製程形成遮罩圖案600。Regarding the manufacturing process of the
請參照圖2與圖5B,在步驟S114處,移除介電層300與導體層302的未被遮罩圖案600覆蓋的部分。介電層300的保留部分形成閘間介電層430,而導體層302的保留部分形成閘極耦合層432。在一些實施例中,藉由蝕刻製程完成上述的移除步驟。在此蝕刻製程期間,遮罩圖案600可作為蝕刻遮罩。在完成上述的移除步驟之後,可移除遮罩圖案600。移除遮罩圖案600之後,閘極耦合層432暴露出來。在一些實施例中,藉由剝除(stripping)製程移除遮罩圖案600。Referring to FIG. 2 and FIG. 5B , in step S114 , the parts of the
隨後,在步驟S116處,形成金屬矽化物層450。金屬矽化物層450經選擇性地形成於浮置閘極120、閘極106、閘極136、閘極耦合層432、摻雜區108、摻雜區110、摻雜區122、摻雜區138以及摻雜區140的暴露表面上,而可能並未覆蓋隔離結構104的暴露表面。在一些實施例中,可藉由參照圖3I所說明的形成金屬矽化物層150的方法來形成圖5B所示的金屬矽化物層450。Subsequently, at step S116, a
請參照圖2與圖4A,在步驟S118處,以形成蝕刻停止層156與層間介電層154。蝕刻停止層156全面地且共形地覆蓋於圖5B所示的結構上,而層間介電層154全面地形成於蝕刻停止層156上。Referring to FIG. 2 and FIG. 4A , in step S118 , an
隨後,在步驟S120處,形成導電插塞434a、導電牆434b與導電插塞152。在一些實施例中,形成導電插塞434a、導電牆434b與導電插塞152的方法包括形成穿過層間介電層154與蝕刻停止層156的穿孔及溝渠,接著藉由沈積製程、鍍覆製程或其組合而在此些穿孔中填入導電材料,以形成導電插塞434a、導電牆434b與導電插塞152。Subsequently, at step S120, the
至此,已完成藉由一些實施例的製造方法完成圖4A所示的半導體結構400。儘管未繪示出,隨後更可在層間介電層154上形成更多金屬化層與層間介電層,且可進行封裝製程而形成半導體晶粒。So far, the
綜上所述,藉由在浮置閘極與控制閘極的導電插塞之間設置閘極耦合層,可增加控制閘極與浮置閘極之間的電容耦合面積。在一些實施例中,閘極耦合層覆蓋浮置閘極的上表面與側壁,因此可使電性連接於閘極耦合層的控制閘極在垂直方向與水平方向上經由閘極耦合層而電容耦合於浮置閘極。在另一些實施例中,閘極耦合層可用於提高控制閘極與浮置閘極在垂直方向上的電容耦合,且控制閘極更可包括延伸於浮置閘極側邊的導電牆。如此一來,控制閘極仍可在垂直方向與水平方向上電容耦合於浮置閘極。To sum up, by arranging the gate coupling layer between the floating gate and the conductive plug of the control gate, the capacitive coupling area between the control gate and the floating gate can be increased. In some embodiments, the gate coupling layer covers the top surface and sidewalls of the floating gate, so that the control gate electrically connected to the gate coupling layer can be capacitively connected to the gate coupling layer in the vertical and horizontal directions through the gate coupling layer. coupled to the floating gate. In other embodiments, the gate coupling layer can be used to improve the capacitive coupling between the control gate and the floating gate in the vertical direction, and the control gate can further include a conductive wall extending from the side of the floating gate. In this way, the control gate can still be capacitively coupled to the floating gate in the vertical and horizontal directions.
10、40:記憶體元件
100、400:半導體結構
100A:記憶體區
100B:邏輯區
102:基底
104:隔離結構
106、136:閘極
108、110、122、138、140:摻雜區
112、142:閘介電層
114、114a、114b、126、126a、126b、144、144a、144b:間隙壁
116、128、146:輕摻雜區
120:浮置閘極
120e:延伸部分
124:穿遂介電層
130、430:閘間介電層
132、432:閘極耦合層
134、434:控制閘極
134a、152、434a:導電插塞
150、450:金屬矽化物層
154:層間介電層
156:蝕刻停止層
300:介電層
302:導體層
304、600:遮罩圖案
434b:導電牆
AA、AA’:主動區
AT:存取電晶體
BR:連接部
CM:梳狀部
FT:浮閘電晶體
S100、S102、S104、S106、S108、S110、S112、S114、S116、S118、S120:步驟
T:電晶體
X:方向
Y:方向
10, 40:
圖1A是依照本揭露一些實施例的嵌入有記憶體元件的半導體結構的剖視示意圖。 圖1B是圖1A所示的記憶體元件的平面示意圖。 圖2是圖1A所示的半導體結構的根據一些實施例的製造流程圖。 圖3A至圖3I是圖2所示的製造流程期間各階段的結構的剖視示意圖。 圖4A是依照本揭露一些實施例的嵌入有記憶體元件的半導體結構的剖視示意圖。 圖4B是圖4A所示的記憶體元件的平面示意圖。 圖5A至圖5B是在製造圖4A所示的半導體結構的流程中的一些階段的剖視示意圖。 1A is a schematic cross-sectional view of a semiconductor structure embedded with a memory device according to some embodiments of the present disclosure. FIG. 1B is a schematic plan view of the memory device shown in FIG. 1A . 2 is a fabrication flow diagram of the semiconductor structure shown in FIG. 1A in accordance with some embodiments. 3A-3I are schematic cross-sectional views of structures at various stages during the manufacturing flow shown in FIG. 2 . 4A is a schematic cross-sectional view of a semiconductor structure embedded with a memory device according to some embodiments of the present disclosure. FIG. 4B is a schematic plan view of the memory device shown in FIG. 4A . 5A-5B are schematic cross-sectional views at some stages in the process of fabricating the semiconductor structure shown in FIG. 4A.
10:記憶體元件
100:半導體結構
100A:記憶體區
100B:邏輯區
102:基底
104:隔離結構
106、136:閘極
108、110、122、138、140:摻雜區
112、142:閘介電層
114、114a、114b、126、126a、126b、144、144a、144b:間隙壁
116、128、146:輕摻雜區
120:浮置閘極
120e:延伸部分
124:穿遂介電層
130:閘間介電層
132:閘極耦合層
134:控制閘極
134a、152:導電插塞
150:金屬矽化物層
154:層間介電層
156:蝕刻停止層
AA、AA’:主動區
AT:存取電晶體
CM:梳狀部
FT:浮閘電晶體
T:電晶體
10: Memory Components
100:
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---|---|---|---|
TW110103988A TWI775303B (en) | 2021-02-03 | 2021-02-03 | Memory device and manufacturing method thereof |
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---|---|---|---|
TW110103988A TWI775303B (en) | 2021-02-03 | 2021-02-03 | Memory device and manufacturing method thereof |
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TW202232727A TW202232727A (en) | 2022-08-16 |
TWI775303B true TWI775303B (en) | 2022-08-21 |
Family
ID=82627664
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
TW110103988A TWI775303B (en) | 2021-02-03 | 2021-02-03 | Memory device and manufacturing method thereof |
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Country | Link |
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TW (1) | TWI775303B (en) |
Citations (2)
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---|---|---|---|---|
US20150145019A1 (en) * | 2013-06-13 | 2015-05-28 | SK Hynix Inc. | Nonvolatile memory device |
US20200152646A1 (en) * | 2018-11-09 | 2020-05-14 | Iotmemory Technology Inc. | Non-volatile memory |
-
2021
- 2021-02-03 TW TW110103988A patent/TWI775303B/en active
- 2021-03-11 CN CN202110266366.3A patent/CN114864675A/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20150145019A1 (en) * | 2013-06-13 | 2015-05-28 | SK Hynix Inc. | Nonvolatile memory device |
US20200152646A1 (en) * | 2018-11-09 | 2020-05-14 | Iotmemory Technology Inc. | Non-volatile memory |
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Publication number | Publication date |
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TW202232727A (en) | 2022-08-16 |
CN114864675A (en) | 2022-08-05 |
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Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent |