專利名稱：非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，更確切地說屬于一種非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元及制作方法。
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圖1，為一種基本的平面型非揮發(fā)性快閃存儲器單元結(jié)構(gòu)的剖面圖，這種結(jié)構(gòu)有著廣泛地應(yīng)用，如集成電路中儲存信息、在可編程邏輯器件中可以保存結(jié)構(gòu)信息、以及用作可編程的只讀存儲器等等。它是非揮發(fā)性的，在十年或十年以上的時間里，在斷電的情況下都可以保存信息，在它的壽命里可以編程/擦寫許多次，它是一種電可編可擦存儲器或快閃存儲器單元。
隨著集成電路技術(shù)和半導(dǎo)體加工工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體器件尺寸的不斷縮小，器件工作電壓的不斷降低和功耗的減小，以及集成電路向系統(tǒng)芯片(SOC)的發(fā)展，存儲單元，特別是非揮發(fā)性存儲單元在嵌入式應(yīng)用和移動設(shè)備方面的應(yīng)用前景越來越廣闊，這也就要求存儲單元能具有好的工作特性，如低的工作電壓和高的編程/擦除速度，低功耗，非揮發(fā)性，可編程性，高的可靠性，好的瞬態(tài)特性等等。
由此可見，一個高性能的非揮發(fā)性存儲單元是必需的，特別是低壓和高編程速度的存儲單元對于滿足嵌入式應(yīng)用和移動通信的需要是必要的。
本發(fā)明提一種非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元的制作方法，包括如下步驟步驟1在硅襯底上制作出有源區(qū)和場氧區(qū)，場氧區(qū)用于器件之間的隔離，有源區(qū)為載流子的工作區(qū)和引線區(qū)；步驟2在硅襯底上干法刻蝕出一個槽，形成該結(jié)構(gòu)的臺面；步驟3做出柵氧化層，用于存儲器件的隧穿氧化層；步驟4做一氮化硅側(cè)墻，用于在溝道中間形成高閾值區(qū)；步驟5在柵氧上淀積第一層多晶硅，用于作存儲器件的浮柵；步驟6生長一層氧化硅/氮化硅/氧化硅復(fù)合介質(zhì)膜，用于作多晶硅間介質(zhì)；步驟7生長第二層多晶硅，用作存儲器件的控制柵；步驟8源漏區(qū)的N型擴(kuò)散，形成源漏接觸區(qū)和存儲器件的擦除區(qū)域。
本發(fā)明一種非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元，其中包括一硅襯底，在硅襯底刻蝕出臺面；兩源區(qū)分別作在臺面的上下表面；一柵氧化層，該柵氧化層生長在硅襯底的臺面上；一多晶硅層生長在柵氧化層上；一復(fù)合介質(zhì)層生長在多晶硅層上；一控制柵層生長在復(fù)合介質(zhì)層上。
其中復(fù)合介質(zhì)層是由氧化層、氮化硅及氧化層復(fù)合而成。
圖2是本發(fā)明提出的新的非揮發(fā)性存儲單元的結(jié)構(gòu)圖；圖3A是本發(fā)明提出的新的存儲單元的特殊柵結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3B是多晶硅間氧化硅/氮化硅/氧化硅復(fù)合膜結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖4是本發(fā)明提出的新的存儲單元的制作版圖；圖5是本發(fā)明提出的新的存儲單元的工作原理圖。
本發(fā)明一種非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元，其中包括一硅襯底201，在硅襯底201刻蝕出臺面203；兩源區(qū)204、205分別作在臺面203的上下表面；一柵氧化層206，該柵氧化層206生長在硅襯底201的臺面203上；一多晶硅層207生長在柵氧化層206上；一復(fù)合介質(zhì)層208生長在多晶硅層207上；一控制柵層209生長在復(fù)合介質(zhì)層208上。
其中復(fù)合介質(zhì)層208是由氧化層306、氮化硅307及氧化層308復(fù)合而成。
制作本發(fā)明的存儲單元的方法包括以下幾個步驟步驟1在硅襯底上制作出有源區(qū)和場氧區(qū)，場氧區(qū)用于器件之間的隔離，有源區(qū)為載流子的工作區(qū)和引線區(qū)；步驟2在硅襯底上干法刻蝕出一個槽，形成該結(jié)構(gòu)的臺面；步驟3做出柵氧化層，用于存儲器件的隧穿氧化層；步驟4做一氮化硅側(cè)墻，用于在溝道中間形成高閾值區(qū)；步驟5在柵氧上淀積第一層多晶硅，用于作存儲器件的浮柵；步驟6生長一層氧化硅/氮化硅/氧化硅復(fù)合介質(zhì)膜，用于作多晶硅間介質(zhì)；
步驟7生長第二層多晶硅，用作存儲器件的控制柵；步驟8源漏區(qū)的N型擴(kuò)散，形成源漏接觸區(qū)和存儲器件的擦除區(qū)域。
本發(fā)明的新的非揮發(fā)性存儲單元與普通結(jié)構(gòu)不同之處在于，參閱圖2，它把其溝道202做成一個臺面203，這能有效地改變縱向和垂直電場在溝道中的分布，同時該結(jié)構(gòu)能通過這一臺面203結(jié)構(gòu)改變載流子在溝道202中的運(yùn)動方向，從平行于溝道202運(yùn)動改向?yàn)榇怪被蚪拼怪庇跍系?02運(yùn)動，這樣能有效地提高載流子211向浮柵207的注入效率并且由于載流子211改變方向朝著浮柵207運(yùn)動，從而能有效地降低它的工作電壓，既可以不需采用需要高壓的熱載流子211的注入方式。從而在系統(tǒng)芯片(Syatem On A Chip)中能很好地與CMOS器件兼容，由此也可以看出它的良好的應(yīng)用前景。
源區(qū)204做在臺面203的下表面，漏區(qū)205做在臺面203的上表面，是一種該發(fā)明的新結(jié)構(gòu)的工作模式；把漏區(qū)204做在臺面203的下表面，把源區(qū)205做在臺面203的上表面，是該發(fā)明新結(jié)構(gòu)的另一種工作模式，兩種工作模式都具有很好的注入效率和低的工作電壓。
圖3A為本發(fā)明的特殊柵結(jié)構(gòu)的剖面圖，在氮化硅側(cè)墻305下面有一個較濃的P+302摻雜區(qū)，它是在刻蝕臺面203之前，在光刻膠的掩蔽下采用角度注入而形成的。它兩側(cè)的P-區(qū)303是通常的調(diào)閾值注入形成的，這樣的結(jié)構(gòu)有利于在溝道中央形成一個較大閾值區(qū)，使得源漏電壓在此產(chǎn)生最大的電場，有利于載流子211的注入效率的提高。在硅襯底201上刻蝕出臺面203后，做柵氧化層206和LPCVD氮化硅層，然后采用反刻制作出氮化硅側(cè)墻305，再把在刻蝕過程中受到損傷的柵氧化層用氫氟酸漂掉，重新制作柵氧化層206。這樣，該發(fā)明的新結(jié)構(gòu)的特殊柵結(jié)構(gòu)就制作成了。
在制作完浮柵多晶硅207以后，生長一層氧化層306/氮化硅307/氧化層308復(fù)合介質(zhì)層208，其剖面結(jié)構(gòu)如圖3B，其中氧化層306/氮化硅307/氧化層308各層厚度分別為5nm/10nm/5nm，當(dāng)然具體的數(shù)值可以變化，只要能保證存儲單元的可靠性就行。
圖4為我們實(shí)施本發(fā)明的光刻版圖。
存儲單元的隔離區(qū)210可以采用不同的工藝技術(shù)，如LOCOS、溝槽LOCOS、PBLOCOS、STI(淺溝槽隔離)等工藝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。采用STI或介質(zhì)填充隔離可以獲得平坦化的表面從而減小所帶來的覆蓋問題。這也是隨著器件尺寸的縮小而必須采用的一種隔離技術(shù)，采用有源區(qū)版401形成隔離區(qū)210。
如圖2所示，在做完隔離區(qū)210以后，先光刻出臺面區(qū)(用光刻版402)，然后采用角度離子注入，如圖3B所示，在硅襯底301上形成一個較濃的注入P+區(qū)302，再用等離子體干法刻蝕機(jī)在硅襯底301上刻蝕出一個臺面203，如圖3C所示。在這之后進(jìn)行調(diào)閾值注入形成圖3A中所示的P-區(qū)303，然后生長柵氧化層(如10nm厚)和LPCVD氮化硅(如80nm厚)，反刻就可以在臺面203處形成氮化硅側(cè)墻。把受損傷的柵氧化層用氫氟酸漂掉，再重新生長一層?xùn)叛趸瘜?，就形成了該發(fā)明的新的結(jié)構(gòu)。
第一層多晶硅淀積在柵氧化層上，并進(jìn)行磷摻雜，這第一層多晶硅用于制作存儲單元中的浮柵207，這是用來存儲電荷以表示它的存儲狀態(tài)的，它用光刻版403來定義浮柵區(qū)間，然后用干法刻蝕來形成，它不可以與其他的存儲單元相連。
離子注入來形成源204漏205的N+區(qū)。
氧化和LPCVD工藝技術(shù)來制備多晶硅間介質(zhì)層ONO208，其結(jié)構(gòu)如圖3D所示，氮化硅上的氧化硅用濕氧或蒸汽(Steam)氧化來制備。
采用LPCVD工藝在ONO層208上生長第二層多晶硅層209，這第二層多晶硅是用來制作存儲單元的控制柵209，用光刻版404定義出存儲單元的控制柵209，采用干法刻蝕工藝制作出控制柵209。
在控制柵209制作完成后，做一薄層的氧化層，以防止電荷泄漏，然后生長一層厚的低溫氧化層(LTO)，制作出多晶硅和源漏上的接觸孔，濺射金屬層，光刻刻蝕出金屬引線，并進(jìn)行合金。
制作完以上步驟以后，生長一層鈍化層來覆蓋存儲單元，以防潮濕和電荷泄漏。這一鈍化層可以用氮化硅、BPSG或其他的絕緣型材料來制作。
圖5為該發(fā)明的新結(jié)構(gòu)的工作示意圖，為了滿足今后SOC應(yīng)用的需要，在編程過程中，采用漏加VD，柵加高壓VCG，源接地的偏置方式工作，在擦除過程中，采用源加正壓VS，柵加負(fù)壓VCG，漏浮空的偏置方式工作。
本發(fā)明的非揮發(fā)性存儲單元，存儲單元由浮柵、控制柵、源和漏組成，該單元可以用作EEPEOM單元或Flash Memory單元。該發(fā)明的存儲單元用于存儲數(shù)據(jù)。并且在斷電的情況下仍然能夠保存數(shù)據(jù)。與普通平面溝道型的存儲單元相比較而言，該發(fā)明的存儲單元具有三維的溝道，由此使得縱向和垂直于溝道的電場在溝道中能很好地匹配，使得載流子的注入效率能有效地提高，并能降低其工作電壓。因而具有很好的編程速度和低工作電壓特性。
本發(fā)明特別的是，存儲單元只需在原有的平面型的存儲單元的基礎(chǔ)上，加上一步簡單的槽刻蝕，就能制備出該發(fā)明提出的特殊的溝道結(jié)構(gòu)，然后在槽的位于溝道中間的一側(cè)做一個氮化硅的側(cè)墻，而其他工藝條件都與工業(yè)界成熟的平面型存儲單元的工藝條件一樣，因而在只增加有限的幾步工藝的條件下可以獲得具有優(yōu)良性能的非揮發(fā)性存儲單元。在臺面的低端是存儲單元的源端，高端是存儲單元的漏端。該存儲單元采用溝道熱電子注入方式把該存儲單元編程至一個高閾值狀態(tài)，采用Fowler-Nordheim隧穿把該存儲單元擦處至一個低閾值狀態(tài)。在采用低壓進(jìn)行編程時不需利用熱電子注入方式也可以完成編程注入。這是該發(fā)明的存儲單元可以有效降低工作電壓的一個重要特性。
權(quán)利要求
1.一種非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元的制作方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在硅襯底上制作出有源區(qū)和場氧區(qū)，場氧區(qū)用于器件之間的隔離，有源區(qū)為載流子的工作區(qū)和引線區(qū)；步驟2在硅襯底上干法刻蝕出一個槽，形成該結(jié)構(gòu)的臺面；步驟3做出柵氧化層，用于存儲器件的隧穿氧化層；步驟4做一氮化硅側(cè)墻，用于在溝道中間形成高閾值區(qū)；步驟5在柵氧上淀積第一層多晶硅，用于作存儲器件的浮柵；步驟6生長一層氧化硅/氮化硅/氧化硅復(fù)合介質(zhì)膜，用于作多晶硅間介質(zhì)；步驟7生長第二層多晶硅，用作存儲器件的控制柵；步驟8源漏區(qū)的N型擴(kuò)散，形成源漏接觸區(qū)和存儲器件的擦除區(qū)域。
2.一種非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元，其特征在于，其中包括一硅襯底，在硅襯底刻蝕出臺面；兩源區(qū)分別作在臺面的上下表面；一柵氧化層，該柵氧化層生長在硅襯底的臺面上一多晶硅層生長在柵氧化層上；一復(fù)合介質(zhì)層生長在多晶硅層上；一控制柵層生長在復(fù)合介質(zhì)層上。
3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元，其特征在于，其中復(fù)合介質(zhì)層是由氧化層、氮化硅及氧化層復(fù)合而成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非平面結(jié)構(gòu)的非揮發(fā)性存儲器單元及制作方法,該方法包括如下步驟:步驟1:在硅襯底上制作出有源區(qū)和場氧區(qū),場氧區(qū)用于器件之間的隔離,有源區(qū)為載流子的工作區(qū)和引線區(qū)；步驟2:在硅襯底上干法刻蝕出一個槽,形成該結(jié)構(gòu)的臺面；步驟3:做出柵氧化層,用于存儲器件的隧穿氧化層；步驟4:做一氮化硅側(cè)墻,用于在溝道中間形成高閾值區(qū)；步驟5:在柵氧上淀積第一層多晶硅,用于作存儲器件的浮柵；步驟6:生長一層氧化硅/氮化硅/氧化硅復(fù)合介質(zhì)膜,用于作多晶硅間介質(zhì)；步驟7:生長第二層多晶硅,用作存儲器件的控制柵；步驟8:源漏區(qū)的N型擴(kuò)散,形成源漏接觸區(qū)和存儲器件的擦除區(qū)域。
文檔編號H01L21/8239GK1423320SQ0113966
公開日2003年6月11日 申請日期2001年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月4日
發(fā)明者歐文, 錢鶴, 李明 申請人:中國科學(xué)院微電子中心