專利名稱：閃存單元及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體存儲器件，并且更特別地涉及非易失性存儲器及其制造方法。
背景技術(shù)：
目前可用的非易失性存儲器有幾種形式，包括電可編程只讀存儲器(EPROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)和閃速EEPROM。
美國專利6,091,104和6,291,297公開了一種分裂柵極存儲單元，其具有相對較小的尺寸、有效的擦除性能和相對較小的編程電流要求。通過選擇柵極、控制柵極和浮置柵極的自對準(zhǔn)而獲得了小尺寸，并且通過利用從浮置柵極的銳利弧形側(cè)邊至選擇柵極的富勒-諾德海姆隧穿(Fowler-Nordheim tunneling)提供擦除效率。通過利用來自選擇柵極與浮置柵極之間的偏置柵極溝道區(qū)至浮置柵極的銳利弧形側(cè)邊的中央溝道熱載流子注入，保持小的編程電流。
這種類型的存儲單元如圖1所示，其具有浮置柵極16、控制柵極17和選擇柵極18，這些柵極都以多晶硅制成?？刂茤艠O疊置在浮置柵極之上，選擇柵極位于疊置的柵極的側(cè)邊。這種類型的單元具有按三重多晶硅制造工藝形成的三個多晶硅柵極，因此有時稱為3P自對準(zhǔn)分裂柵極單元。
在編程模式中，對控制柵極施加大約10伏的偏壓，對選擇柵極施加大約-2伏的偏壓，對源極19施加大約-6伏的偏壓。于是，建立起跨越選擇柵極18與浮置柵極16之間的中央溝道柵極氧化層21的強(qiáng)電場，使得電子被加速并且注入浮置柵極，如箭頭22所示。
在擦除模式中，對控制柵極施加約-10伏的負(fù)電壓，對選擇柵極施加約6伏的正電壓。在此模式中，跨越選擇柵極與浮置柵極的弧形側(cè)壁24之間的中間多晶氧化層(inter-poly oxide)23的電場啟動了富勒-諾德海姆隧穿，電子從浮置柵極流向選擇柵極，如箭頭所示。
采用3P自對準(zhǔn)分裂柵極單元結(jié)構(gòu)和獨特的編程和擦除技術(shù)，雖然可使其單元尺寸小于普遍使用的ETOX結(jié)構(gòu)的尺寸，但隨著單元尺寸降低到幾百納米的范圍內(nèi)，受到從源極中和相鄰的控制柵極和浮置柵極堆疊之間的深窄谷中去除多晶硅的需求的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型改進(jìn)的閃存單元及其制造方法。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種具有上述特征的存儲單元和制造方法，克服現(xiàn)有技術(shù)的局限和缺點。
本發(fā)明又一目的在于提供一種具有上述特征的存儲單元和制造方法，其中存儲單元尺寸非常小，并且提供明顯提高的編程和擦除性能。
為了實現(xiàn)上述和其它目的，根據(jù)本發(fā)明，提供一種閃存及其制造方法，其中在襯底中的源極擴(kuò)散區(qū)相對的側(cè)邊形成垂直疊置的浮置柵極和控制柵極對，在源極擴(kuò)散區(qū)正上方和疊置的柵極之間形成擦除柵極，在疊置柵極與擦除柵極相對的側(cè)邊形成選擇柵極，編程通道從選擇柵極與疊置柵極之間的襯底中的中間溝道區(qū)延伸到浮置柵極面對選擇柵極的邊緣部分，而擦除通道從浮置柵極面對擦除柵極的邊緣部分延伸到源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極。在一些實施例中，源極區(qū)與擦除柵極電連接，在另一些實施例中，在控制柵極的一側(cè)或兩側(cè)，浮置柵極橫向突出超出控制柵極。這些存儲單元的尺寸非常小，提供的編程和擦除性能充分優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的存儲單元。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的分裂柵極NOR閃存單元的剖面圖；圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明的自對準(zhǔn)分裂柵極NOR型閃存單元陣列的兩個實施例沿圖5的線2-2截取的剖面示意圖；圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明的自對準(zhǔn)分裂柵極NOR型閃存單元陣列的另兩個實施例的剖面圖，與圖2A和2B類似；圖4A至4E是根據(jù)本發(fā)明的自對準(zhǔn)分裂柵極NOR型閃存單元陣列的其它實施例的剖面圖，與圖2A和2B類似；圖5是圖2A至2B、3A至3B和4A至4E的實施例的頂視平面圖；圖6A至6E是說明根據(jù)本發(fā)明的NOR型閃存單元陣列制造方法的一個實施例中的步驟的示意剖面圖；圖7A至7E是說明根據(jù)本發(fā)明的NOR型閃存單元陣列制造方法的第二實施例中的步驟的示意剖面圖；圖8A至8D是說明根據(jù)本發(fā)明的NOR型閃存單元陣列制造方法的第三實施例中的步驟的示意剖面圖；以及圖9是圖2A至2B、3A至3B和4A至4E的各實施例中所示類型的小存儲單元陣列的電路圖。
具體實施例方式
在圖2A和2B的實施例中，兩個存儲單元28共用一個公共擦除柵極29。每個單元具有垂直疊置的自對準(zhǔn)浮置柵極31和控制柵極32，浮置柵極31相對較薄(例如100至700)而控制柵極32位于浮置柵極之上。每個單元還具有選擇柵極33，位于疊置的浮置柵極和控制柵極的一側(cè)。由遍及整個晶片沉積的多晶硅層同時形成選擇柵極和擦除柵極，然后在干法蝕刻工藝中各向異性地蝕刻。
在襯底中形成源極擴(kuò)散區(qū)和漏極擴(kuò)散區(qū)34和36，源極區(qū)在擦除柵極和浮置柵極的邊緣部分之下延伸。漏極區(qū)在與疊置的柵極相對的選擇柵極的邊緣部位之下延伸，并且與相鄰單元(未示出)中的選擇柵極共用。
在這些實施例中，編程發(fā)生在選擇柵極與浮置柵極之間的中央溝道區(qū)37中。在編程操作過程中，對控制柵極施加約-10伏的偏壓，對選擇柵極施加約1至3伏的偏壓，對源極區(qū)施加約-6伏的偏壓，而漏極區(qū)接地。這些偏壓條件在選擇柵極與浮置柵極之間的溝道區(qū)37中產(chǎn)生垂直取向的強(qiáng)電場，通過來自溝道區(qū)的熱電子注入向浮置柵極的邊緣部位輸送電子，如箭頭38所示。有時這稱為源極側(cè)注入。
與在浮置柵極的編程相同的一例擦除的現(xiàn)有技術(shù)相比，在本發(fā)明的存儲單元中，在浮置柵極的相對側(cè)進(jìn)行編程和擦除。共用的擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)獨立地施加偏壓或者電連接以利于擦除操作期間的電子隧穿。
在圖2A的實施例中，利用透過浮置柵極之下的柵極氧化薄層39到源極區(qū)的隧穿進(jìn)行擦除。在此實施例中，對控制柵極施加負(fù)向偏壓至約-10伏的電平，對源極區(qū)施加約6伏的偏壓，從而在浮置柵極的邊緣部位與源極擴(kuò)散區(qū)之間建立強(qiáng)電場。該電場使得電子從浮置柵極的邊緣部位經(jīng)柵極氧化層隧穿到源極，如箭頭41所示。
按此方式的擦除具有以下優(yōu)點，即與浮置柵極和擦除柵極之間的中間多晶氧化層相比，熱柵極氧化層非常穩(wěn)定的和耐用。為了避免相對于淺源極結(jié)的帶間隧穿的可能性，擦除柵極可以是浮置的或者被施加使源極擴(kuò)散區(qū)邊緣部位中的強(qiáng)電場偏移的偏置電壓。選擇柵極和擦除柵極的分離還具有以下優(yōu)點，可使選擇柵極氧化層的厚度得以獨立調(diào)節(jié)，以便適應(yīng)低電壓讀取操作。
在圖2B的實施例中，利用從浮置柵極到擦除柵極的電子隧穿進(jìn)行擦除。控制柵極或接地或負(fù)向偏置，襯底接地，擦除柵極56正向偏置至約6至12伏的電壓。在浮置柵極的邊緣部位如此建立的電場促進(jìn)了電子從浮置柵極到擦除柵極的隧穿，如箭頭42所示。如果需要，源極可以浮置或者偏置到適度的正電平，以幫助重新分配與浮置柵極的下角相關(guān)的聚集電場。
圖3A和3B所示的單元結(jié)構(gòu)與圖2A和2B的類似，相同的附圖標(biāo)記在不同實施例中代表相應(yīng)的元件。但是，在圖3A和3B的實施例中，源極擴(kuò)散區(qū)34和擦除柵極29電連接在一起，通過對控制柵極32施加負(fù)向偏壓至約-10伏的電平進(jìn)行擦除操作，源極和擦除柵極的結(jié)點約為6伏，選擇柵極和漏極浮置。這樣，沿由擦除柵極圍繞且位于源極擴(kuò)散區(qū)之下的浮置柵極邊緣產(chǎn)生均勻分布的強(qiáng)電場，電子從浮置柵極向擦除柵極和源極區(qū)兩者隧穿，如箭頭42、43所示。于是，擦除效率大于僅采用中間多晶隧穿的效率，帶間隧穿被來自擦除柵極的最近的角的電場所抑制。
在圖3B的實施例中，擦除柵極和源極結(jié)點進(jìn)一步約束于浮置柵極之下的絕緣襯底溝道44。這為電子46提供了從浮置柵極到溝道的附加隧穿通路，并消除了源極擴(kuò)散區(qū)中的帶間隧穿。
如圖4A至4E所示，根據(jù)單元耦合以及控制柵極32與選擇柵極33和擦除柵極29之間的電絕緣的需要，浮置柵極31可以在控制柵極的一側(cè)或者兩側(cè)朝向選擇柵極和/或擦除柵極橫向突出。
在圖4A的實施例中，浮置柵極31的邊緣部位31a和31b在控制柵極32的兩側(cè)橫向延伸超出側(cè)壁，并增強(qiáng)了與選擇柵極和擦除柵極的耦合。
在圖4B的實施例中，僅有浮置柵極靠近擦除柵極的邊緣部位31b延伸超出控制柵極?？拷x擇柵極的邊緣部位31a與控制柵極的側(cè)壁對齊。
圖4C所示的實施例具有帶圓形側(cè)邊31a和31b的相對較薄的浮置柵極31，正如美國專利6,091,104和6,291,297中所示的存儲單元。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于提供了透過中間多晶氧化層到擦除柵極的增強(qiáng)的電子隧穿，以及持久耐用。
在圖4D的實施例中，相對較薄的浮置柵極31的邊緣部位31a和31b在控制柵極32的兩側(cè)橫向延伸超出側(cè)壁，增強(qiáng)了浮置柵極與選擇柵極和擦除柵極之間的耦合。
在這些實施例的每一個中，浮置柵極超出控制柵極側(cè)邊的延伸在500或更小的量級。
采用本發(fā)明的單元結(jié)構(gòu)，制造得以簡化，因為不必從源極區(qū)和控制柵極與浮置柵極堆疊之間的谷中去除多晶硅。這些單元結(jié)構(gòu)在編程和擦除性能兩方面，與現(xiàn)有技術(shù)相比，也具有明顯的優(yōu)點。
在由擦除柵極相對的兩側(cè)的兩個浮置柵極和控制柵極疊層共用的源極區(qū)34上的自對準(zhǔn)擦除柵極的設(shè)置，消除了對選擇柵極多晶硅去除的需要。這使得制造更加容易，且在源極開口中可以使用最小的特征尺寸，極大地降低了單元尺寸。
在浮置柵極的相對兩側(cè)對單元進(jìn)行電編程和電擦除。這樣具有以下優(yōu)點，即在編程和擦除操作過程中，可以獨立地控制和優(yōu)化進(jìn)入和離開浮置柵極的電子遷移，而沒有因電子俘獲而導(dǎo)致的隧道氧化層耗盡的危險。在現(xiàn)有技術(shù)的器件中，在中間多晶氧化層中俘獲的電子可建立起令人討厭的電場，這種電場降低了電子透過溝道柵極氧化層的中央溝道注入。此外，俘獲電子的聚集和釋放加速了氧化層的退化。采用分離的電子注入位置和擦除位置，氧化層的耗盡和對離子注入有影響的令人討厭的電場的建立能夠被減到最小。結(jié)果，分離的選擇柵極和擦除柵極在存儲單元的循環(huán)工作過程中提供更好的氧化層耐久性。
這些存儲單元的另一個優(yōu)點在于，當(dāng)擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)電連接在一起時，利用從浮置柵極經(jīng)過浮置柵極之下的柵極氧化層到源極擴(kuò)散區(qū)的電子隧穿，可以進(jìn)一步方便擦除。突出的浮置柵極之下的源極結(jié)電場有助于分散圍繞圓形浮置柵極尖端的強(qiáng)電場，由此使得中間多晶氧化層更能承受延長的擦除周期中的電子俘獲。此外，物理隔離但電連接的擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)有助于降低因熱生長多晶氧化層凹角(re-entrant)導(dǎo)致的反向隧穿可能性，這種凹角已經(jīng)成為分裂柵極閃存中的常見問題。
本發(fā)明的存儲單元還可以消除擦除時經(jīng)常遇到的、浮置柵極電子到源極擴(kuò)散區(qū)的帶間隧穿。通過具有位于源極結(jié)正上方的擦除柵極，與具有源極側(cè)擦除的傳統(tǒng)單元相比，其伸展電場更小，并且更聚集的電場導(dǎo)致對靠近浮置柵極邊緣的源極結(jié)能帶彎曲的免除性的提高。此外，采用三重阱工藝，襯底和溝道可以被偏置到源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極電位，以致完全消除與源極結(jié)有關(guān)的帶間隧穿。
本發(fā)明的另一個重要特征是通過分離編程結(jié)點和擦除結(jié)點，可以利用快速發(fā)展的工藝技術(shù)單獨地調(diào)節(jié)和優(yōu)化相應(yīng)的器件。例如，選擇柵極氧化層可以是低電壓薄氧化層，其對于通過相同的選擇柵極進(jìn)行編程和擦除時是不可行的，因為擦除操作時選擇柵極需要高電壓。另外，可以在選擇柵極一側(cè)使用隔離物，以此避免為了優(yōu)化中間多晶氧化層處理而再進(jìn)入選擇柵極和從擦除柵極一側(cè)移出所引起的干擾。
在圖5的平面圖中，為了便于說明，未示出源極擴(kuò)散區(qū)與擦除柵極之間的電連接。
圖4A和4C的NOR型存儲單元陣列可以通過圖6A至6E所示方法來制造。在此方法中，在單晶硅襯底49上熱生長氧化層48，在該襯底上預(yù)先構(gòu)圖有與位線67平行的場氧化層或者淺溝槽隔離60的條紋，如圖5所示。該襯底可以是P阱、P襯底或者N阱材料的形式。
之后，在氧化層上沉積厚度為100至1000量級的多晶硅或非晶硅(poly 1)的導(dǎo)電層51，如果浮置柵極31的側(cè)邊準(zhǔn)備形成為圖4C所示的圓形，則應(yīng)沉積較薄的層，如果邊緣不準(zhǔn)備形成圓形，則應(yīng)沉積較厚的層。
沿平行于位線的方向?qū)υ損oly 1層進(jìn)行構(gòu)圖，隨后在其上形成介電膜52(中間多晶電介質(zhì))。該膜可以是純氧化物，也可以是氧化物和氮化物的組合，在一個優(yōu)選實施例中，該膜是ONO膜，由30至100厚的氧化物底層、60至300厚的氮化物中間層和30至100厚的氧化物頂層構(gòu)成。
poly 1材料優(yōu)選摻雜1017至1020cm-3量級水平的磷、砷或硼。這可以通過在沉積poly 1層時的原位摻雜來實現(xiàn)，也可以通過直接向poly 1層的離子注入或經(jīng)過中間多晶電介質(zhì)的離子注入來實現(xiàn)。
在中間多晶電介質(zhì)上沉積第二層多晶硅(poly 2)53，隨后蝕刻形成控制柵極32。poly 2沉積到1500至3500的厚度，并用磷、砷或硼重?fù)诫s到1020至1021cm-3量級的水平。采用化學(xué)汽相沉積(CVD)，在poly 2層上形成300至3000厚的氧化物層54或氮化物層46并用做掩模，并用以防止在隨后的干法蝕刻步驟中將控制柵極蝕刻掉。
在光刻步驟中確定控制柵極圖形，隨后將氧化層或氮化層54以及poly2層53未被遮掩的部分各向異性地蝕刻掉，在控制柵極上留下厚介電帽層54，如圖6B所示。然后在控制柵極的側(cè)邊上生長相對較薄的熱氧化層56，保護(hù)其免受后續(xù)處理中可能存在的CVD損害。之后，在整個晶片上沉積深度約為300至500的介電膜(未示出)，例如氧化膜或氮化膜，然后進(jìn)行各向異性蝕刻，從平坦表面去除介電膜，在控制柵極的側(cè)邊留下介電隔離物57。氮化硅是特別優(yōu)選的隔離物材料，因為氮化硅的獨特拉應(yīng)力特性有利于增強(qiáng)硅氧化，因此在柵極氧化過程中使浮置柵極的側(cè)邊成為圓形。
另外，可以通過poly 2材料的熱氧化形成隔離物57，或者通過氧化物或氮化硅的組合氧化和沉積形成隔離物。
形成介電隔離物之后，對中間多晶電介質(zhì)52、poly 1層51和氧化層48進(jìn)行各向異性蝕刻，形成多個分離柵極疊層59，如圖6C所示。每個柵極疊層包括浮置柵極31、控制柵極32、浮置柵極之下的柵極氧化層48、兩個柵極之間的中間多晶電介質(zhì)52、以及控制柵極上的較厚帽層54。
在疊置的柵極的相鄰對之間的襯底中注入源極擴(kuò)散區(qū)34，如圖6D所示，隨后進(jìn)行另一次熱氧化，形成用于選擇柵極的溝道柵極氧化層61、位于浮置柵極側(cè)邊上的多晶氧化層62、以及位于源注入?yún)^(qū)上的熱氧化層63。選擇柵極氧化層具有約40至200的厚度，將其用做隧道氧化層。如果需要不同厚度的氧化層，則可以進(jìn)行一個或多個附加的氧化步驟。在熱氧化之前或之后可以沉積厚度約為50至200的薄CVD氧化層，以改善氧化膜的質(zhì)量，并降低選擇柵極與浮置柵極之間的干擾。
在熱氧化過程中，浮置柵極的側(cè)壁31a、31b成為圓形，這是因為在接近poly 1與中間多晶電介質(zhì)的底氧化層之間的界面以及poly 1與浮置柵極氧化層之間的界面，poly 1的氧化速率較快。這種圓形的彎曲導(dǎo)致電場增強(qiáng)效應(yīng)，這有利于從浮置柵極到選擇柵極的電子隧穿。而且，側(cè)邊緣的圓形化消除了局部化的俘獲效應(yīng)，這種效應(yīng)發(fā)生在單元工作于擦除模式且電子從浮置柵極向選擇柵極隧穿時浮置柵極的方角附近的隧道氧化層中。在圓形化的浮置柵極與源極擴(kuò)散區(qū)電連接的應(yīng)用中，局部化的俘獲進(jìn)一步被電場平滑所抑制。
作為這些處理步驟的結(jié)果，每個控制柵極與其之下的浮置柵極自對準(zhǔn)，控制柵極比浮置柵極窄，浮置柵極的邊緣部位橫向延伸超出控制柵極的側(cè)邊。可以優(yōu)化氧化處理，保證在氧化生長時浮置柵極的突出邊緣部位上作用適當(dāng)?shù)膽?yīng)力，導(dǎo)致浮置柵極的側(cè)邊圓形化。
在熱氧化之后，在整個晶片上沉積導(dǎo)電層(poly-3)。該層通常是摻雜的多晶硅或多晶硅化物(polycide)，沉積厚度在1500至4000的量級。對poly-3層進(jìn)行各向異性蝕刻，形成擦除柵極29和選擇柵極33，如圖6E所示。按此方式形成的擦除柵極和選擇柵極與控制柵極自對準(zhǔn)并且與其平行。
在選擇柵極33的外側(cè)壁上沉積厚度為200至600量級的氮化硅層，蝕刻形成隔離物66，之后在隔離物之間的襯底中注入漏極擴(kuò)散區(qū)36。接著實施金屬化，并且蝕刻形成位線67和自對準(zhǔn)的位線接觸68，在處理過程中采用氮化硅隔離物防止氧化層蝕刻。
圖7A至7E展示了一種制造單元陣列的方法，其中浮置柵極僅在面對擦除柵極的一側(cè)延伸超出控制柵極(圖4E的實施例)。該方法大體與圖6A至6E的方法相同，除去某些步驟的進(jìn)行順序不同。
在此實施例中，形成起始層，蝕刻氧化物或氮化物層54和poly 2層53，形成控制柵極32，在控制柵極的側(cè)邊上生長熱氧化層56，如同圖6A至6E的實施例。但是，在這一點上，在將要形成漏極擴(kuò)散區(qū)的區(qū)域69中蝕刻掉poly 1層51和介電膜52。在控制柵極的側(cè)邊形成介電隔離物57，位于將形成選擇柵極的側(cè)邊的隔離物延伸到柵極氧化層48，而位于將形成擦除柵極的側(cè)邊的隔離物終止于介電層52，如圖7B所示。
使用介電帽層54和介電隔離物57作為掩模，蝕刻掉48、51和52各層的暴露部分，留下分離的柵極疊層，在疊置的擦除柵極或源極側(cè)邊，浮置柵極的邊緣部位31b延伸到介電隔離物57之下，如圖7C所示。
該方法的其余部分如同以上結(jié)合圖6A至6E所述那樣，主要區(qū)別僅在于浮置柵極面對擦除柵極的邊緣31b形成圓形，因為只有這些部位在氧化步驟中是暴露的。
圖8A至8D展示了另一種制造NOR單元陣列的方法，其中浮置柵極在控制柵極的兩側(cè)延伸。與其它方法一樣沉積起始層，在將要形成選擇柵極和擦除柵極的區(qū)域蝕刻掉poly 1、poly 2和中間多晶層，留下疊置的控制柵極32和浮置柵極31，如圖8B所示。
然后通過poly 1和poly 2的熱氧化，在浮置柵極和控制柵極的暴露的側(cè)壁或者邊緣上同時形成氧化隔離物71，如圖8C所示。較薄的poly 1層限制了浮置柵極邊緣上的氧化物生長，這導(dǎo)致控制柵極上的氧化隔離物比浮置柵極上的氧化隔離物厚。這種隔離物的自對準(zhǔn)形成在控制柵極與后續(xù)形成的擦除柵極之間提供了足夠的絕緣，并且為擦除結(jié)點處的互補擦除隧穿提供了足夠薄的氧化層。在氧化處理工藝期間，浮置柵極的側(cè)邊31a、31b成為如上所述的圓形。
然后在襯底中注入源極擴(kuò)散區(qū)34，生長柵極氧化層61、63，如同其它實施例一樣地形成。然后形成選擇柵極33和擦除柵極29，如圖8D所示，之后還形成漏極擴(kuò)散區(qū)、位線和位線接觸，如同其它實施例一樣。
對于擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)連接在一起作為擦除結(jié)點的單元陣列的實施例，其典型的偏壓條件組如表1所列。擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)未電連接的各個實施例，在擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)的偏壓方面提供了更大的彈性，因此，在全面增強(qiáng)擦除隧穿和防止帶間隧穿方面也提供了更大的彈性。
表1

(全部數(shù)值均按伏特為單位)在擦除操作期間，電子被強(qiáng)制從浮置柵極向源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極隧穿，在浮置柵極中留下的大多數(shù)是正離子。當(dāng)跨越隧道氧化層的電場大于10mV/cm時，富勒-諾德海姆隧穿變得明顯，具有足夠能量的電子能夠從陰極電極(浮置柵極)隧穿到陽極電極(源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極)。
在表1所示擦除模式中，對被選定存儲單元的控制柵極施加-7至-12伏的偏壓電平，對選擇柵極施加3至7伏的偏壓，位線和源極結(jié)點保持浮置。在此例中，控制柵極與浮置柵極之間的耦合率通常約為65％至80％，即控制柵極電壓的約65％至80％耦合到浮置柵極。對擦除結(jié)點(擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū))與溝道襯底一起施加偏壓，完全消除源極結(jié)中的帶間隧穿，代價僅是耦合率稍有降低。
采用這些偏壓條件，控制柵極與擦除結(jié)點之間的大部分電壓出現(xiàn)在被浮置柵極的圓形側(cè)邊所圍繞的隧道氧化層兩端，該電壓觸發(fā)富勒-諾德海姆隧穿，使得電子從浮置柵極向擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)隧穿。由于浮置柵極變得更加正性充電，所以存儲單元的閾值電壓降低到約-5至-1伏的電平。這導(dǎo)致對控制柵極施加1至3伏的偏壓時在浮置柵極之下的溝道中形成反轉(zhuǎn)層。因此，擦除操作之后存儲單元處于導(dǎo)通狀態(tài)(邏輯“1”)。
在未被選擇的存儲單元，控制柵極的偏壓為0伏，擦除柵極是浮置的或者偏壓為3至7伏。采用這些條件，控制柵極與擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)之間的電場強(qiáng)度不足以產(chǎn)生富勒-諾德海姆隧穿。
在編程過程中，通過熱載流子注入，電子從中央溝道區(qū)注入到浮置柵極，浮置柵極成為負(fù)性充電。在表1所示的例子中，被選擇的存儲單元的控制柵極被施加7至12伏的偏壓電平，選擇柵極被施加1.5至3伏的偏壓，位線被施加0伏的偏壓，并對包括源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極的擦除結(jié)點施加4至8伏。
采用這些偏壓條件，大部分的源極到漏極的電壓出現(xiàn)在選擇柵極與浮置柵極之間的中央溝道區(qū)的兩端，這在中央溝道區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)電場。浮置柵極經(jīng)過源極結(jié)點和控制柵極也與高電壓耦合，這導(dǎo)致在中央溝道區(qū)與浮置柵極之間的氧化層兩端建立起垂直強(qiáng)電場。在編程操作期間電子從選擇柵極位線流向源極時，它們被中央溝道區(qū)兩端的電場加速，其中某些變熱。
熱電子被浮置柵極與中央溝道區(qū)之間的垂直電場加速，結(jié)果大多數(shù)熱電子越過高約3.1eV的氧化層勢壘，并注入浮置柵極。
基于編程的完成，浮置柵極成為負(fù)性充電，存儲單元的閾值電壓提高到3至6伏量級的電平。因此，當(dāng)讀取操作期間對控制柵極施加1至3伏的偏壓時，存儲單元截止，或者處于非導(dǎo)通狀態(tài)(邏輯“0”)。
在未被選擇的存儲單元中，位線和源極結(jié)點的偏壓是0伏，控制柵極的偏壓是-5至-7伏，而選擇柵極的偏壓是1.5至3伏?？刂茤艠O上的相對較大的負(fù)電壓使得浮置柵極之下的溝道截止，由此防止未被選擇的存儲單元的位線與源極之間的電流流動。
在讀取模式，對被選擇的存儲單元施加偏壓，控制柵極是1至3伏，源極是1.5至3伏，位線是0伏，而選擇柵極是3至5伏。當(dāng)存儲單元處于擦除狀態(tài)時，由于浮置柵極溝道和選擇柵極溝道都被導(dǎo)通，所以讀取呈現(xiàn)導(dǎo)通狀態(tài)(邏輯“1”)。當(dāng)存儲單元處于編程狀態(tài)時，由于浮置柵極溝道被截止，所以讀取呈現(xiàn)非導(dǎo)通狀態(tài)(邏輯“0”)。
在未被選擇的存儲單元中，對位線和源極結(jié)點施加0伏偏壓，對控制柵極施加-5至-7伏偏壓，并對選擇柵極施加3至5伏偏壓?？刂茤艠O上相對較大的負(fù)電壓使得浮置柵極之下的溝道截止，由此防止未被選擇的單元的位線與源極之間的電流流動。
圖9是圖2A至2B、3A至3B、以及4A至4E的各實施例中的單元結(jié)構(gòu)的電路圖。如該圖所示，本發(fā)明的單元結(jié)構(gòu)以電連接在一起的擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)用于擦除操作，提供了易于解碼的存儲單元陣列。
本發(fā)明具有多個重要特征和優(yōu)點。通過在浮置柵極和控制柵極的疊層的相對側(cè)設(shè)置選擇柵極和擦除柵極，在浮置柵極的相對側(cè)設(shè)置編程通道和擦除通道，與編程通道和擦除通道彼此靠近并且位于浮置柵極的同一側(cè)的現(xiàn)有器件相比，該單元具有更好的性能和耐用性。而且，與選擇柵極分離的擦除通道，使得選擇柵極晶體管可以使用相對較薄的柵極氧化層，以此適應(yīng)低電壓應(yīng)用。
選擇柵極和擦除柵極同時形成并且與浮置柵極和控制柵極疊層自對準(zhǔn)。利用源極區(qū)上的多晶硅作為擦除柵極，而不是將其去除，該單元能夠制造成明顯小于現(xiàn)有技術(shù)。
由于氧化層是由硅襯底生長的，所以浮置柵極之下的柵極氧化層非常穩(wěn)定耐用，利用浮置柵極延伸超出控制柵極，電子也趨向于經(jīng)中間多晶氧化層隧穿到擦除柵極。這種中間多晶隧穿一般比柵極氧化層隧穿更為有效，并且易于限制大扇區(qū)擦除操作的源極擴(kuò)散區(qū)的帶間隧穿被降低。
把擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)電連接在一起，將帶間隧穿進(jìn)一步降低到充分被消除的程度，還提高了對中間多晶氧化層中的電荷俘獲的免除性。對單元溝道可以施加與源極擴(kuò)散區(qū)和被控制柵極和浮置柵極共用的擦除柵極相同電位的偏壓，在擦除操作期間進(jìn)一步消除了源極擴(kuò)散區(qū)中的帶間隧穿。
采用圓形的浮置柵極邊緣和分離的編程和擦除通道和結(jié)點，極大地降低了中間多晶氧化層的退化，利用圓形角增強(qiáng)了隧穿電場。這種電場增強(qiáng)也使得可以使用較厚的隧道氧化層，同時保持足夠的電子隧穿。
除了改善氧化層的可靠性，將編程和擦除通道分離于浮置柵極的相對邊緣部位，也有利于為了低電壓應(yīng)用而獨立調(diào)節(jié)選擇柵極氧化層厚度。此外，在源極擴(kuò)散區(qū)上具有擦除柵極有助于在更進(jìn)一步縮小單元尺寸所需要的淺源極擴(kuò)散時降低帶間隧穿。
由以上所述可知，提供了一種新型改進(jìn)的閃存單元及其制造方法。雖然僅詳細(xì)說明了上述特定的優(yōu)選實施例，但正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解，在不脫離由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍的條件下，可以做出特定的變化和改動。
權(quán)利要求
1.一種閃存單元陣列，包括襯底；襯底中的源極擴(kuò)散區(qū)；位于源極擴(kuò)散區(qū)的相對側(cè)的浮置柵極和控制柵極的垂直疊置對；在源極擴(kuò)散區(qū)正上方并且在疊置的柵極之間的擦除柵極；位于疊置柵極的與擦除柵極相對的側(cè)邊的選擇柵極；從選擇柵極與疊置的柵極之間的襯底中的中央溝道區(qū)到面對選擇柵極的浮置柵極的邊緣部位的編程通道；以及，從面對擦除柵極的浮置柵極的邊緣部分延伸到源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極的擦除通道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，其中，擦除柵極和源極擴(kuò)散區(qū)電連接在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，其中，浮置柵極朝向擦除柵極橫向地延伸超出控制柵極。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的閃存單元陣列，其中，浮置柵極延伸超出控制柵極達(dá)500。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，其中，浮置柵極相對較薄并且具有圓形側(cè)邊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，其中，浮置柵極具有100至700量級的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，包括在浮置柵極與擦除柵極的邊緣部分之間具有200至1000量級厚度的隧穿電介質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的閃存單元陣列，其中，隧穿電介質(zhì)選自由CVD氧化硅、熱生長氧化硅、以及其組合構(gòu)成的組。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，包括位于每個控制柵極上厚度在1000至3000量級的介電帽層。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的閃存單元陣列，其中，電介質(zhì)選自由CVD氧化硅、熱生長氧化硅、以及其組合構(gòu)成的組。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，其中，源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極與浮置柵極和控制柵極的疊層對自對準(zhǔn)并且位于疊層對之間。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，包括在兩個相鄰選擇柵極之間的襯底中的位線擴(kuò)散區(qū)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，包括用于編程和讀取的厚10至200的選擇柵極氧化層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，包括具有10至500量級的厚度的擦除柵極氧化層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，其中，為了選擇性地控制從浮置柵極到源極擴(kuò)散區(qū)、擦除柵極和溝道區(qū)的電子遷移，源極擴(kuò)散區(qū)、擦除柵極和中央溝道區(qū)可以獨立地施加偏壓或者電連接在一起。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，包括位于控制柵極側(cè)壁的介電隔離物。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的閃存單元陣列，其中，利用選自由CVD氧化硅、CVD氮化硅、熱生長氧化硅及其組合構(gòu)成的組的介電材料制成介電隔離物。
18.一種閃存單元陣列，包括襯底；形成在襯底上的隧道氧化層；位于隧道氧化層之上的相對較薄的浮置柵極；比浮置柵極明顯更厚的控制柵極，位于浮置柵極之上并且與其垂直對準(zhǔn)；位于控制柵極頂部的相對較厚的介電帽層；位于控制柵極相對側(cè)邊的介電隔離物；位于控制柵極與浮置柵極之間的電介質(zhì)；位于浮置柵極和控制柵極的相對側(cè)的選擇柵極和擦除柵極，至少部分地延伸到控制柵極上的介電隔離物之上，但并不延伸到控制柵極頂部上的介電帽層之上；在選擇柵極和擦除柵極之下的柵極氧化層；在與選擇柵極相鄰的襯底中的摻雜漏極擴(kuò)散區(qū)；在擦除柵極之下的襯底中的摻雜源極擴(kuò)散區(qū)；位于浮置柵極與擦除柵極的側(cè)邊之間的中間多晶隧道氧化層；電子隧穿通道，用于在擦除操作時使電子從浮置柵極遷移出，經(jīng)過隧道氧化層中的至少一個，到達(dá)源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極之中的至少一個；以及，熱載流子注入通道，用于在編程操作時將電子注入浮置柵極，其從選擇柵極與浮置柵極之間的溝道區(qū)延伸，經(jīng)過襯底上的隧道氧化層，到達(dá)浮置柵極，電子隧穿通道和熱電子注入通道分離地位于浮置柵極的相對側(cè)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，浮置柵極具有100至700量級的厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，浮置柵極和控制柵極具有垂直對準(zhǔn)的側(cè)壁。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，浮置柵極具有圓形側(cè)壁，并且朝向擦除柵極橫向地延伸超出控制柵極達(dá)500左右。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的閃存單元陣列，其中，浮置柵極與擦除柵極之間的中間多晶隧道氧化層具有200至1000量級的厚度，并且是選自由CVD氧化硅、熱生長氧化硅、以及其組合構(gòu)成的組。
23.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，控制柵極與擦除柵極之間的隔離物具有200至1000量級的厚度，并且是選自由CVD氧化硅、CVD氮化硅、熱生長氧化硅、以及其組合構(gòu)成的組。
24.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，控制柵極頂部上的介電帽層具有1000至3000量級的厚度，并且利用選自由CVD氧化硅、CVD氮化硅、熱生長氧化硅、以及其組合構(gòu)成的組的介電材料制成。
25.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極與浮置柵極和控制柵極自對準(zhǔn)。
26.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，包括襯底中與浮置柵極和控制柵極自對準(zhǔn)的位線擴(kuò)散區(qū)。
27.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，選擇柵極氧化層之下的氧化層具有10至200量級的厚度，并且用于編程和讀取操作。
28.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極可以獨立地施加偏壓或者電連接在一起，以便選擇性地控制從浮置柵極到源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極的電子遷移。
29.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，擦除柵極氧化層具有10至500量級的厚度，并且用于擦除操作。
30.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，源極擴(kuò)散區(qū)、擦除柵極和中間溝道區(qū)可以獨立地施加偏壓或者電連接在一起，以便選擇性地控制從浮置柵極到源極擴(kuò)散區(qū)、擦除柵極和溝道區(qū)的電子遷移。
31.根據(jù)權(quán)利要求18的閃存單元陣列，其中，控制柵極上的介電隔離物利用選自由CVD氧化硅、CVD氮化硅、熱生長氧化硅、以及其組合構(gòu)成的組的材料制成。
32.一種閃存單元陣列的制造方法，包括步驟在襯底上形成氧化層；在該氧化層上形成第一硅層；在第一硅層上形成介電膜；在該介電膜上形成第二硅層；去除部分的第二硅層，形成具有暴露側(cè)壁的多個控制柵極；在控制柵極的側(cè)壁形成介電隔離物；使用介電隔離物作為掩模，各向異性地蝕刻掉部分介電膜、氧化層和第一硅層，形成與控制柵極自對準(zhǔn)并且橫向?qū)挾缺瓤刂茤艠O更大的浮置柵極；在相鄰的浮置柵極之間的襯底中形成源極擴(kuò)散區(qū)；在源極擴(kuò)散區(qū)之上形成擦除柵極，在與擦除柵極相對的控制柵極和浮置柵極的側(cè)邊形成選擇柵極；在相鄰的選擇柵極之間的襯底中形成漏極擴(kuò)散區(qū)；以及，在柵極之上形成位線，并形成互連位線和漏極擴(kuò)散區(qū)的位線接觸。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中，通過在控制柵極和襯底上沉積第三硅層，并且去除控制柵極上的第三硅層部分，形成擦除柵極和選擇柵極。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，包括將源極擴(kuò)散區(qū)中的一個與其上的擦除柵極電連接在一起的步驟。
35.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其中，第一硅層和浮置柵極明顯比第二硅層和控制柵極更薄。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，包括使浮置柵極的側(cè)邊圓形化的步驟。
37.一種閃存單元陣列的制造方法，包括步驟在襯底上形成氧化層；在該氧化層上形成第一硅層；在第一硅層上形成介電膜；在該介電膜上形成第二硅層；去除部分的第二硅層，形成具有暴露側(cè)壁的多個控制柵極；去除控制柵極交替對之間的介電膜和第一硅層部分；在控制柵極的側(cè)壁形成介電隔離物，在介電膜和第一硅層已經(jīng)去除之處的控制柵極側(cè)邊上的隔離物一直延伸到氧化層，而在控制柵極的相對側(cè)的隔離物僅延伸到介電膜；使用僅延伸到介電膜的介電隔離物作為掩模，各向異性地蝕刻掉這些隔離物之間的介電膜和第一硅層部分，在隔離物僅延伸到介電膜的控制柵極一側(cè)，形成具有超出控制柵極的橫向突出部分的浮置柵極；在浮置柵極突出部分之間的襯底中形成源極擴(kuò)散區(qū)；在源極擴(kuò)散區(qū)之上形成擦除柵極；在隔離物一直延伸到氧化層之處的控制柵極和浮置柵極的側(cè)邊形成選擇柵極；在相鄰的選擇柵極之間的襯底中形成漏極擴(kuò)散區(qū)；以及，在柵極之上形成位線，并形成互連位線和漏極擴(kuò)散區(qū)的位線接觸。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中，通過在控制柵極和襯底上沉積第三硅層，并且去除控制柵極上的第三硅層部分，形成擦除柵極和選擇柵極。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，包括將源極擴(kuò)散區(qū)中的一個與其上的擦除柵極電連接在一起的步驟。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中，第一硅層和浮置柵極明顯比第二硅層和控制柵極更薄。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的方法，包括使浮置柵極的側(cè)邊圓形化的步驟。
42.一種閃存單元陣列的制造方法，包括步驟在襯底上形成氧化層；在該氧化層上形成第一硅層；在第一硅層上形成介電膜；在該介電膜上形成第二硅層；去除部分第二硅層、介電膜和第一硅層，形成具有暴露側(cè)壁的多個控制柵極和浮置柵極，浮置柵極明顯比控制柵極更??；氧化控制柵極和浮置柵極，控制柵極的氧化速率快于較薄的浮置柵極的氧化速率，更多的控制柵極被氧化掉，浮置柵極留下超出控制柵極的橫向突出部分；在相鄰的浮置柵極之間的襯底中形成源極擴(kuò)散區(qū)；在源極擴(kuò)散區(qū)之上形成擦除柵極；在與擦除柵極相對的控制柵極和浮置柵極的側(cè)邊形成選擇柵極；在相鄰的選擇柵極之間的襯底中形成漏極擴(kuò)散區(qū)；以及，在柵極之上形成位線，并形成互連位線和漏極擴(kuò)散區(qū)的位線接觸。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中，通過在控制柵極和襯底上沉積第三硅層，并且去除控制柵極上的第三硅層部分，形成擦除柵極和選擇柵極。
44.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，包括將源極擴(kuò)散區(qū)中的一個與其上的擦除柵極電連接在一起的步驟。
45.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中，在氧化步驟中使浮置柵極的側(cè)邊圓形化。
46.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中，優(yōu)化氧化，以便控制浮置柵極的突出邊緣部分中的氧化應(yīng)力和邊緣圓形化。
47.一種閃存單元陣列的制造方法，包括步驟在襯底上形成氧化層；在該氧化層上形成第一硅層；在第一硅層上形成介電膜；在該介電膜上形成第二硅層；去除部分該些硅層和介電膜，形成控制柵極和浮置柵極，控制柵極覆蓋浮置柵極，并通過介電膜與浮置柵極分離；在相鄰的浮置柵極之間的襯底中形成源極擴(kuò)散區(qū)；在控制柵極和氧化層的暴露部分上沉積第三硅層；以及，去除控制柵極之上的第三硅層部分，在源極擴(kuò)散區(qū)之上形成擦除柵極，并在與擦除柵極相對的控制柵極側(cè)邊形成選擇柵極。
48.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中，浮置柵極形成有朝向擦除柵極超出控制柵極的橫向突出部分。
49.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，其中，浮置柵極形成有朝向選擇柵極超出控制柵極的橫向突出部分。
50.根據(jù)權(quán)利要求47的方法，包括將源極擴(kuò)散區(qū)中的一個與其上的擦除柵極電連接在一起的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種閃存單元及其制造方法，其中，在襯底中的源極擴(kuò)散區(qū)相對的側(cè)邊形成垂直疊置的浮置柵極和控制柵極對，在源極擴(kuò)散區(qū)正上方和疊置的柵極之間形成擦除柵極，在疊置柵極與擦除柵極相對的側(cè)邊形成選擇柵極，編程通道從選擇柵極與疊置柵極之間的襯底中的中間溝道區(qū)延伸到浮置柵極面對選擇柵極的邊緣部分，而擦除通道從浮置柵極面對擦除柵極的邊緣部分延伸到源極擴(kuò)散區(qū)和擦除柵極。在一些實施例中，源極區(qū)與擦除柵極電連接，在另一些實施例中，在控制柵極的一側(cè)或兩側(cè)，浮置柵極橫向突出超出控制柵極。這些存儲單元的尺寸非常小，提供的編程和擦除性能充分優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的存儲單元。
文檔編號H01L21/8247GK1508874SQ200310114730
公開日2004年6月30日 申請日期2003年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月7日
發(fā)明者范德慈, 普 滕塔蘇德, 陳秋峰, 普拉蒂普·滕塔蘇德 申請人:前訊系統(tǒng)股份有限公司