具有單層?xùn)艠O的非易失性存儲(chǔ)裝置的制造方法
【專利說明】具有單層?xùn)艠O的非易失性存儲(chǔ)裝置
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2014年10月31日向韓國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)的韓國(guó)申請(qǐng)案號(hào)10-2014-0150677的優(yōu)先權(quán)，所述韓國(guó)申請(qǐng)的全部公開內(nèi)容通過引用合并于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開內(nèi)容的實(shí)施例涉及非易失性(nonvolatile)存儲(chǔ)裝置，并且更具體而言涉及具有單層?xùn)艠O的非易失性存儲(chǔ)裝置。
【背景技術(shù)】
[0004]非易失性存儲(chǔ)裝置是即使在其電源供應(yīng)被中斷時(shí)仍然保持所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)裝置。非易失性存儲(chǔ)裝置的各種單元結(jié)構(gòu)以及各種單元陣列設(shè)計(jì)已經(jīng)被提出以改善其性能。非易失性存儲(chǔ)裝置的典型的單位存儲(chǔ)單元利用一種堆疊的柵極結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)包含依序地堆疊在半導(dǎo)體基板上的柵極絕緣層(被稱為隧道絕緣層)、浮動(dòng)?xùn)艠O、柵極間的電介質(zhì)層、以及控制柵極。
[0005]由于電子系統(tǒng)隨著新的制造技術(shù)的發(fā)展而變得更小，因此片上系統(tǒng)(SOC)產(chǎn)品已經(jīng)有演進(jìn)，而且在高性能的數(shù)字系統(tǒng)中變得很重要。所述SOC產(chǎn)品的每一個(gè)可包含在單一芯片中執(zhí)行各種功能的多個(gè)半導(dǎo)體裝置。例如，所述SOC產(chǎn)品可包含被整合在單一芯片中的至少一個(gè)邏輯裝置以及至少一個(gè)存儲(chǔ)裝置。因此，嵌入式非易失性存儲(chǔ)裝置的制造技術(shù)可能是將所述非易失性存儲(chǔ)裝置嵌入于所述SOC產(chǎn)品中所需的。
[0006]為了將所述非易失性存儲(chǔ)裝置嵌入于所述SOC產(chǎn)品中，非易失性存儲(chǔ)裝置的制程技術(shù)必須是與內(nèi)含在所述SOC產(chǎn)品中的邏輯裝置的制程技術(shù)相容的。一般而言，邏輯裝置是采用具有單一柵極結(jié)構(gòu)的晶體管，然而非易失性存儲(chǔ)裝置是采用具有一種例如是雙柵極結(jié)構(gòu)的堆疊的柵極結(jié)構(gòu)的單元晶體管。因此，制造包含非易失性存儲(chǔ)裝置及邏輯裝置的SOC產(chǎn)品可能會(huì)需要復(fù)雜的制程技術(shù)。于是，采用單層?xùn)艠O單元結(jié)構(gòu)的非易失性存儲(chǔ)裝置作為用于嵌入式非易失性存儲(chǔ)裝置的候選是非常有吸引力的。換言之，用于制造邏輯裝置的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)制程技術(shù)可以輕易地應(yīng)用到采用單層?xùn)艠O的非易失性存儲(chǔ)裝置的制造。因此，當(dāng)SOC產(chǎn)品被設(shè)計(jì)以包含采用單層?xùn)艠O單元結(jié)構(gòu)的非易失性存儲(chǔ)裝置時(shí)，所述SOC產(chǎn)品可以輕易地利用CMOS制程技術(shù)來加以制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]各種實(shí)施例針對(duì)具有單層?xùn)艠O的非易失性存儲(chǔ)裝置。
[0008]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，一種非易失性存儲(chǔ)裝置包括:有源區(qū)域，在第一方向上延伸；第一單層?xùn)艠O，與所述有源區(qū)域交叉并且在第二方向上延伸；第二單層?xùn)艠O，與所述有源區(qū)域交叉以與所述第一單層?xùn)艠O在所述第一方向上間隔開，并且在所述第二方向上延伸；以及選擇柵極，與所述有源區(qū)域交叉。所述選擇柵極包含:第一選擇柵極主線和第二選擇柵極主線，其與所述有源區(qū)域交叉以與所述第一單層?xùn)艠O和第二單層?xùn)艠O平行；選擇柵極互連線，其將所述第一選擇柵極主線的第一端連接至所述第二選擇柵極主線的第一端；以及選擇柵極延伸部，其從所述選擇柵極互連線的一部分延伸以被設(shè)置在所述第一單層?xùn)艠O和第二單層?xùn)艠O的第一端之間。所述第一選擇柵極主線處于所述第一單層?xùn)艠O的與所述第二單層?xùn)艠O相對(duì)的側(cè)邊，并且所述第二選擇柵極主線處于所述第二單層?xùn)艠O的與所述第一單層?xùn)艠O相對(duì)的側(cè)邊。
[0009]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，一種非易失性存儲(chǔ)裝置包括:有源區(qū)域，在第一方向上延伸；第一單層?xùn)艠O，與所述有源區(qū)域交叉并且在第二方向上延伸；第二單層?xùn)艠O，與所述有源區(qū)域交叉以與所述第一單層?xùn)艠O在所述第一方向上間隔開，并且在所述第二方向上延伸；以及選擇柵極，其與所述有源區(qū)域交叉。所述選擇柵極包含第一選擇柵極主線和第二選擇柵極主線，其與所述有源區(qū)域交叉以與所述第一單層?xùn)艠O和第二單層?xùn)艠O平行；第一選擇柵極互連線，將所述第一選擇柵極主線的第一端連接至所述第二選擇柵極主線的第一端；第二選擇柵極互連線，將所述第一選擇柵極主線的第二端連接至所述第二選擇柵極主線的第二端；第一選擇柵極延伸部，從所述第一選擇柵極互連線的一部分延伸以被設(shè)置在所述第一單層?xùn)艠O與第二單層?xùn)艠O的第一端之間；以及第二選擇柵極延伸部，從所述第二選擇柵極互連線的一部分延伸以被設(shè)置在所述第一單層?xùn)艠O與第二單層?xùn)艠O的第二端之間。所述第一選擇柵極主線處于所述第一單層?xùn)艠O的與所述第二單層?xùn)艠O相對(duì)的側(cè)邊，并且所述第二選擇柵極主線處于所述第二單層?xùn)艠O的與所述第一單層?xùn)艠O相對(duì)的側(cè)邊。
[0010]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，一種非易失性存儲(chǔ)裝置包括:有源區(qū)域，在第一方向上延伸；第一單層?xùn)艠O，與所述有源區(qū)域交叉并且在第二方向上延伸；第二單層?xùn)艠O，與所述有源區(qū)域交叉以與所述第一單層?xùn)艠O在所述第一方向上間隔開，并且在所述第二方向上延伸；以及第一選擇柵極和第二選擇柵極，與所述有源區(qū)域交叉。所述第一選擇柵極包含第一選擇柵極主線，與所述有源區(qū)域交叉以與所述第一單層?xùn)艠O平行；第一選擇柵極延伸部，其被設(shè)置在所述第一單層?xùn)艠O與第二單層?xùn)艠O的第一端之間；以及第一選擇柵極互連線，將所述第一選擇柵極主線的第一端連接至所述第一選擇柵極延伸部的第一端。所述第二選擇柵極包含第二選擇柵極主線，與所述有源區(qū)域交叉以與所述第二單層?xùn)艠O平行；第二選擇柵極延伸部，其被設(shè)置在所述第一單層?xùn)艠O與第二單層?xùn)艠O的第二端之間；以及第二選擇柵極互連線，將所述第二選擇柵極主線的第一端連接至所述第二選擇柵極延伸部的第一端。所述第一選擇柵極主線處于所述第一單層?xùn)艠O的與所述第二單層?xùn)艠O相對(duì)的側(cè)邊，并且所述第二選擇柵極主線處于所述第二單層?xùn)艠O的與所述第一單層?xùn)艠O相對(duì)的側(cè)邊。
【附圖說明】
[0011]本公開內(nèi)容的實(shí)施例在參照附圖以及相應(yīng)的詳細(xì)說明下將會(huì)變得更明顯，其中:
[0012]圖1是示出根據(jù)一實(shí)施例的一種非易失性存儲(chǔ)裝置的單位單元的布局圖；
[0013]圖2是沿著圖1的1-1 ’線所截取的橫截面圖；
[0014]圖3是沿著圖1的I1-1I ’線所截取的橫截面圖；
[0015]圖4是在圖1中所示的單位單元的等效電路；
[0016]圖5是示出在圖4中所示的單位單元的編程操作的電路圖；
[0017]圖6是示出在圖4中所示的單位單元的擦除操作的電路圖；
[0018]圖7是示出在圖4中所示的單位單元的讀取操作的電路圖；
[0019]圖8是示出根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例的一種非易失性存儲(chǔ)裝置的單位單元的布局圖；
[0020]圖9是沿著圖8的II1-1II’線所截取的橫截面圖；
[0021]圖10是沿著圖8的IV -1V’線所截取的橫截面圖；
[0022]圖11是沿著圖8的V - V’線所截取的橫截面圖；
[0023]圖12是在圖8中所示的單位單元的等效電路；
[0024]圖13是示出根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例的一種非易失性存儲(chǔ)裝置的單位單元的布局圖；
[0025]圖14是沿著圖13的V1- VI’線所截取的橫截面圖；
[0026]圖15是沿著圖13的VI1- W線所截取的橫截面圖；
[0027]圖16是沿著圖13的VID - VT線所截取的橫截面圖；
[0028]圖17是在圖13中所示的單位單元的等效電路；
[0029]圖18是示出在圖17中所示的單位單元的編程操作的電路圖；
[0030]圖19是示出在圖17中所示的單位單元的擦除操作的電路圖；以及
[0031]圖20是示出在圖17中所示的單位單元的讀取操作的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032]當(dāng)非易失性存儲(chǔ)裝置的單位單元是利用單層?xùn)艠O設(shè)計(jì)而被實(shí)現(xiàn)時(shí)，一種陣列控制柵極(ACG)可能是在單層浮動(dòng)?xùn)艠O處感應(yīng)耦合電壓所需的。一般而言，ACG可被形成在基板中，以與被設(shè)置在基板上的單層浮動(dòng)?xùn)艠O重疊。在此例中，單位單元應(yīng)該被設(shè)計(jì)成使得在單層浮動(dòng)?xùn)艠O與ACG之間的重疊面積大于特定值。這是因?yàn)殡S著在單層浮動(dòng)?xùn)艠O與ACG之間的重疊面積增加，單位單元的親合率(coupling rat1)會(huì)增高，以改善單位單元的性能。然而，隨著在單層浮動(dòng)?xùn)艠O與ACG之間的重疊面積增加，單位單元占用的平面面積也可能會(huì)增加而劣化非易失性存儲(chǔ)裝置的集成密度。在以下的實(shí)施例中，單層浮動(dòng)?xùn)艠O的耦合電壓可以在不使用ACG下，利用被設(shè)置以圍繞單層浮動(dòng)?xùn)艠O的側(cè)壁的選擇柵極來加以感應(yīng)。尤其，連接至選擇柵極的字線可以額外與單層浮動(dòng)?xùn)艠O重疊。此外，在字線與單層浮動(dòng)?xùn)艠O之間的多個(gè)寄生電容性構(gòu)件可以并聯(lián)連接，以增加單位單元的耦合率。
[0033]將會(huì)了解到的是，盡管第一、第二、第三等等的術(shù)語可能在此被使用來描述各種的元件，但是這些元件不應(yīng)該受限于這些術(shù)語。這些術(shù)語只是被用來區(qū)別一個(gè)元件與另一元件。因此，在某些實(shí)施例中的第一元件可能在其它實(shí)施例中被稱為第二元件，而不脫離本公開內(nèi)容的教不。
[0034]同樣將會(huì)理解到的是，當(dāng)元件被稱為位于另一元件“上”、“之上”、“上面”、“下”、“之下”或是“下面”時(shí)，其可以與另一元件直接接觸、或是至少一個(gè)介于中間的元件可以存在于兩者之間。于是，在此所用的例如是“上”、“之上”、“上面”、“下”、“之下”、“下面”與類似的術(shù)語只是為了描述特定實(shí)施例的目的而已，因而并不限制本公開內(nèi)容的范疇。
[0035]進(jìn)一步將會(huì)理解到的是，當(dāng)元件被稱為“連接”或“耦接”至另一元件時(shí)，其可以直接連接或親接至另一元件、或者介于中間的元件可以存在。
[0036]圖1是示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的一種非易失性存儲(chǔ)裝置的單位單元100的布局圖。圖2是沿著圖1的1-1 ’線所截取的橫截面圖，并且圖3是沿著圖1的I1-1I’線所截取的橫截面圖。
[0037]參照?qǐng)D1至3，單位單元100可包含有源區(qū)域130，有源區(qū)域130是利用在基板110中所形成的隔離層120來加以界定。在某些實(shí)施例中，基板110可以是單晶硅基板。或者是，基板110可以是除了硅基板之外的半導(dǎo)體基板。在某些實(shí)施例中，基板110可以是一種絕緣體上硅(SOI)基板，其包含依序堆疊的支撐基板、埋入式絕緣層以及單晶硅層。當(dāng)基板110包含半導(dǎo)體基板或是半導(dǎo)體層時(shí)，半導(dǎo)體基板或半導(dǎo)體層可以具有第一導(dǎo)電類型，例如是P型。當(dāng)基板110具有與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型，即N型時(shí)，具有第一導(dǎo)電類型的阱區(qū)域可被設(shè)置在基板110中。有源區(qū)域130可以在第一方向上延伸。在本實(shí)施例中，第一方向可以是任意的方向，并且第二方向可以是實(shí)質(zhì)垂直于第一方向。
[0038]第一雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141、第二雜質(zhì)結(jié)區(qū)域142、第三雜質(zhì)結(jié)區(qū)域143、第四雜質(zhì)結(jié)區(qū)域144以及第五雜質(zhì)結(jié)區(qū)域145可以沿著第一方向而被設(shè)置在有源區(qū)域130的上方區(qū)域中，以和彼此間隔開。在某些實(shí)施例中，第一雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141可以作用為通用的源極區(qū)域，并且第二及第三雜質(zhì)結(jié)區(qū)域142及143可以作用為漏極區(qū)域。所有的第一至第五雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141至145都可被重?fù)诫s第二導(dǎo)電類型的雜質(zhì)，例如是N型雜質(zhì)。第一雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141可被設(shè)置在有源區(qū)域130的中央?yún)^(qū)域中。第二及第三雜質(zhì)結(jié)區(qū)域142及143分別可被設(shè)置在有源區(qū)域130的兩端中。第四雜質(zhì)結(jié)區(qū)域144可被設(shè)置在第一及第二雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141及142之間，并且第五雜質(zhì)結(jié)區(qū)域145可被設(shè)置在第一及第三雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141及143之間。
[0039]第一柵極絕緣層151以及第一單層?xùn)艠O161可以依序地被堆疊在介于第一及第四雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141及144之間的有源區(qū)域130上。第二柵極絕緣層152以及第二單層?xùn)艠O162可以依序地被堆疊在介于第一及第五雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141及145之間的有源區(qū)域130上。在某些實(shí)施例中，第一及第二柵極絕緣層151及152的每一個(gè)可包含硅氧化物層，并且第一及第二單層?xùn)艠O161及162的每一個(gè)可包含多晶硅層。第一雜質(zhì)結(jié)區(qū)域141可以利用在第一及第二單層?xùn)艠O161及162之間的間隔而被露出。如圖1所示，第一及第二單層?xùn)艠O161及162可被設(shè)置以與有源區(qū)域130交叉并且在第二方向上延伸。因此，第一單層?xùn)艠O161的一部分可以與有源區(qū)域130重疊，并且第一單層?xùn)艠O161的其余部分可以與隔離層120重疊。類似地，第二單層?xùn)艠O162的一部分可以與有源區(qū)域130重疊，并且第二單層?xùn)艠O162的其余部分可以與隔離層120重疊。
[0040]選擇柵極180可包含第一選擇柵極主線181a、第二選擇柵極主線181b、選擇柵極互連線182、以及選擇柵極延伸部183。第三柵極絕緣層153可被設(shè)置在選擇柵極180與基板110之間。換言之，第三柵極絕緣層153可被設(shè)置在選擇柵極180與有源區(qū)域130之間、以及在選擇柵極180與隔離層120之間。在某些實(shí)施例中，第三柵極絕緣層153可包含硅氧化物層，并且選擇柵極180可包含多晶硅層。
[0041]第一選擇柵極主線181a可被設(shè)置以與介于第二及第四雜質(zhì)結(jié)區(qū)域142及144之間的有源區(qū)域130重疊。明確地說，第一選擇柵極主線181a可以與有源區(qū)域130交叉，并且可以在第二方向上延伸以與第一單層?xùn)艠O161平行。第一選擇柵極主線181a可被設(shè)置在第一單層?xùn)艠O161的與第二單層?xùn)艠O162相對(duì)的側(cè)邊處。第二選擇柵極主線181b可被設(shè)置以與介于第三及第五雜質(zhì)結(jié)區(qū)域143及145之間的有源區(qū)域130重疊。明確地說，第二選擇柵極主線181b可以與有源區(qū)域130交叉，并且可以在第二方向上延伸以與第二單層?xùn)艠O162平行。第二選擇柵極主線181b可被設(shè)置在第二單層?xùn)艠O162的與第一單層?xùn)艠O
161相對(duì)的側(cè)邊。
[0042]選擇柵極互連線182可以將第一選擇柵極主線181a的第一端連接至第二選擇柵極主線181b的第一端。如圖1中所示，選擇柵極互連線182可以不與有源區(qū)域130重疊，而與隔離層120重疊。選擇柵極互連線182可以與有源區(qū)域平行，即在第一方向上延伸，以具有條帶或線的形狀。選擇柵極互連線182可以是與第一及第二單層?xùn)艠O161及162間隔開某一距離。
[0043]選擇柵極延伸部183可以從選擇柵極互連線182的側(cè)壁的一部分延伸以具有某一長(zhǎng)度。如圖1所示，選擇柵極延伸部183可以延伸在與第二方向?yàn)橄喾吹姆较蛏?。換言之，選擇柵極延伸部183可以垂直于選擇柵極互連線182，即從選擇柵極互連線182朝向有源區(qū)域130來延伸。因此，選擇柵極延伸部183可被設(shè)置在第一及第二單層?xùn)艠O161及162之間。于是，選擇柵極延伸部183的一端可以與有源區(qū)域130相鄰。選擇柵極延伸部183可以不與有源區(qū)域130重疊，而是與隔離層120重疊。
[0044]在本實(shí)施例中，選擇柵極互連線182可被設(shè)置在有源區(qū)域130的第一側(cè)邊處。或者是，在某些實(shí)施例中，選擇柵極互連線182可被設(shè)置在有源區(qū)域130的與有源區(qū)域130的第一側(cè)邊相對(duì)的第二側(cè)邊處，以將第一選擇柵極主線181a的第二端連接至第二選擇柵極主線181b的第二端。在此例中，選擇柵極延伸部183可以從選擇柵極互連線182的側(cè)壁的一部分在第二方向上來延伸，以被設(shè)置在第一及第二單層?xùn)艠O161及162之間。
[0045]如圖2及圖3所不，第一電介質(zhì)層171可被設(shè)置在第一單層?xùn)艠O161與第一選擇柵極主線181a之間，并且第二電介質(zhì)層172可被設(shè)置在第二單層?xùn)?