TW200816397A - Flash memory device with single-poly structure and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

200816397 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明侧於—種半導體裝置及其製造方法，特別係關於一 種具有單雜構讀閃雜猶纽錄造方法，藉以快閃 圮憶體裝置能夠取得減小之横斷面區域。 【先前技術】 快閃記憶體為-種能夠電重寫資料之可程式化唯讀記憶體 (PROM)，亚且是可抹除可程式化唯讀記憶體㈤奶⑷與電可 抹除可程式化唯敎㈣（EEPRQM)之結合。在可抹除程式 化唯讀記㈣（EPROM)中，記憶晶胞（咖町㈣）包含1 獨電晶體並具有較小晶胞面積，但是㈣每次必麵紫外線抹 除。在電可抹除可程式化唯讀記憶體（EEpR〇M)中，資料可以 電性抹除，但是記憶晶胞包含兩個電晶體並具有較大晶胞面積。 快閃記憶體te置使用-單獨電晶體，以執行EPR()M程式輸入 方法以及EEPROM抹除方法之裝置。由於儲存其中之資訊不會消 失，即使當電源斷開時，因此這樣的快閃記憶體被稱作為〃非易 失性記憶體。考慮到這點，快閃記憶體區別於動態隨機存取記憶 體（DRAM)、靜態隨機存取記憶體（SRAM)或者其他類似記憶 在晶胞陣列系統的基礎上，快閃記憶體可以分類為非或型 (NOR)結構以及與非型（NAND)結構，其中非或型結構中晶 胞係平行排列於位元線與接地之間，與非型結構中晶胞係串行排 200816397 列於位70線與接地之間。當執行讀操作時，由於具有平行結構之 非或型快閃記㈣能夠高速隨機存取，因此非或型㈣記憶體廣 泛應用於啟動可攜式行動電話。具有串列結構之與非型快閃記憶 體具有低㈤取速度，但具有高寫入速度，因此適用於儲存資料以 及有利於小型化。此外，在單位晶胞（unit㈣）結構之基礎上， -快閃記憶體可以分類為堆疊閘極（stackgate)型與分離閘極（_ gate)型，並域可以在電荷儲存層形狀之基礎上，分為漂浮間裝 Γ 置與矽氧化氮氧化矽（SONOS)裝置。 同時，非或型裝置設計為記憶晶胞係平行連接至位元線。因 此，如果晶胞電晶體之電壓低於施加至麵擇記鐘裝置之 控制閘極之電壓（通常是零伏），則無論選擇記憶體裝置打開還是 斷開二電流均傳導於源極與汲極之間。由於所有記憶體裝置在打 開狀態下被讀取’因此上述現象可能導致操作失敗。此外，為了 產生執錄於溝道熱載流子注人之程式所需之電壓，非或型褒置 品要一咼谷虿升壓電路（boostingeircui〇。 為了解決上述問題，目前已提出通常稱作為分離閘極,，之 間極結構。「第！圖」顯示具有分離閘極之單位晶胞電晶體之橫斷 面’其中分離難具有雙多晶雜構。請參考「第〗圖」，一源極 擴散區域12s以及-沒極擴散區域12d係形成於基板狀主動區 域内，並且透過插人-酿絕緣層14，—漂浮閘16鄰近汲極擴散 區域_成於基板1G上方。並且，_控綱22由漂浮閉16頂 8 200816397 部延伸至其側壁，進而控制閘22 一端係平行於基板1〇。控制閑 2 /、/7TT浮閘16透過一閘間絕緣層丨$互相絕緣，並且一隨道絕緣 層20設置於基板1〇與控制閘22之間。 在具有上述「第1圖」顯示之分離閘極之記憶體裝置中，如 果分別施加電壓Vth與電壓Vpp至控制問22以及及極擴散區域 • 12d ’則電流從源極擴散區域12s傳導至汲極擴散區域m，並且 由電流傳導引起的電子，在來自漂浮閘16之靜電力影響下，穿過 域層被狀m間16巾。以此方式，能夠執行翻程式。然 後’如果提供一高電壓至控制閘22，並且源極擴散區域12s與汲 極擴散區域12d接地，在提供至控制閘22之高電壓影響下，載入 漂洋閘16中之電子當自漂浮閘16被福勒·諾罕（f_n)随道化時， 電子被抹除。 然而，在上述分離閘極裝置中，由於控制間之溝道係透過照 補程形成，因此難於精確控讎道長度。因此，在操作控制閑 之過程巾’會不可避免轉在·錢流變化。此外，由於控制 開、N型金屬氧化半導體讀電晶體（麵⑹與p型金屬氧解 導體讀電晶體（PMOS)、隨道或載流子注入區域等，係平行形成 於基板表面上，因此限制了晶胞尺寸的減小。 ^ 因此，上文描述之習知分離間極裝置不僅佔據較大面積，還 需要電源線用於各個區域，進而導致非常複雜的晶胞結構。、< 【發明内容】 9 200816397 馨於以上的問題，本發明旨在—種 記情體I詈居苴制* 、虿早夕日日矽結構之快閃 址，二，、錢方法’猎以充分避免由於習知技術之局限盘 缺點所造成之一或多個問題。 ° 口此本發明目的在於提供一種具有單_多s Μ# 憶體裝置及衫衫*〜夕結構之快閃記 /、錢方法，進而能夠得到減小之晶胞面積。 有關本發明的其他特徵及優點，將在下文的說明中得到閣 样:領域具有普獅之技藝者根據下面的試驗顯然瞭解 Λ月的Μ特徵’或者可以透過實踐本發明而學習之 發明的目的及其他伽，可喊過 2 式特別指出的結構實現及獲得。胃及申4利耗圍以及圖 因此’為達上述目的及優點，本發明所揭露之具有 ^構^閃記_置之製造槪切师形成一氧二 於―半導體基板上方，其中半導體基板具有- Ρ井區或者一 Ν井 區；形成-淺溝槽隔離（STI)於半導體基板以及氧化層中；透過 /主射接雜物於部份P井區或者N井區中，形成-漂移區；然後， 开^閘極氧化層以及—多晶韻於p或N井區、漂移區以及淺 /槽隔離（STI)上方；透過圖案化閘極氧化層以及多晶石夕層，形 成—控制閘圖案；形成—源極區以及_祕區於控制閘圖案之相 對側；沉積-氮化㈣於控制酬案上，並_氮切層，以形 =間pw包圍控制閘圖案之侧壁；形成複數個絕緣層於控制問圖 木上’以及形成過孔圖案以分別電性連接至源極區與沒極區；以 200816397 及提供一汲極以及一源極，以分別電性連接至過孔圖案。 此外’本發明還提供了一種具有單_多晶石夕結構之快閃記憶體 裝置，係包含有一控制閘圖案、一源極區與一汲極區、—漂移區、 過孔圖案以及-汲極與-祕；於此，控侧瞧係提供於具有p 井區域或者N井區域之半導體基板上，源極區與没極區係配備於 控制閘圖案之兩侧。漂移區沿著汲極區之侧向形成於部份p井區 域或者N井區域上，過關㈣分職性連接至源極區與沒極 區，汲極與源極係分別電性連接至過孔圖案之上端。 【實施方式】 有關本發明的特徵與實作，賊合圖式作最佳實施例詳細說 明如下。其中_參考符號將在全部圖式中表示相同或相似 之元件。 下面，將結合「第2A圖」至「第2H圖」圖，描述本發明較 佳實施例之具有單·多祕結構之㈣練猶置及其製造方法。 首先，如「第2A圖」顯示，一氧化層11〇係形成於半導體基 板100上，以及注入雜質於半導體基板綱中，以形成一证井或 者HN井區域120。 …、後’為了形成如「第2B圖」顯示之淺溝槽隔離（STI)，除 形成裝置隔離層（「第2B圖」未顯示）之區域之外，提供一光阻 130於氧化層110上。在使用光阻13〇作為姓刻光罩姓刻氧化層 110的同時，形成複數個溝槽。 11 200816397 用於掩埋溝槽之氧化物，例如_ 咖—虱化矽（Si〇2)等，係提供 至半導體基板100上方，以覆蓋氧化；nn ^ ^手宁扠严 士 「 虱化層110。當溝槽由氧化物掩埋 …如❻圖」顯示，則形成—裝置隔離層14〇，以限定一主 動區域。 *在戦裝置隔離層M0之後，如「第2D圖」顯示，除裝置隔 離層1'之外，一 p型摻雜物係注入半導體基板觸之井區 。之預疋上种，以形成一 P漂移區15〇。隨後，執行雜刻製 程，以除去氧化層lum及裝置隔離層⑽之部份上表面。接著， 成閑極氧化層副於裝置隔離層⑽p漂移區⑼以及冊 井區120上。這裡，p漂移 15()之深度係大於—源極區2⑻之深 度其中源極區200將於下文描述之步驟中形成。這使得源極區 200舆P漂移區150具有不對稱結構。 一多晶石夕層係形成於閘極氧化層160上，並且多晶石夕層no 與閘極氧化層160均圖案化，以形成如「第2E圖」顯示之控制問 圖案幵y成之控制閘圖案橫穿由裝置隔離層14〇限定之複數個主 動區。 然後，如「第2F圖」顯示，使用氧化物形成一覆蓋層18〇， 以覆蓋包含閘極氧化層16〇與多晶矽17〇之控制閘圖案。 提供一預定光阻圖案（圖中未顯示）於覆蓋層180上，並且 使用光阻圖案作為光罩，以注人摻雜離子於基板中 。由此，如「第 2G圖」顯示，一源極區2〇〇，其輕微摻雜有n+摻雜物以及p +摻 12 200816397 濰物’係形成於即將成為源極之區域中，以及一 型輕摻雜汲極 (LDD)區190形成於即將形成汲極之區域内。 之後，沉積一氮化矽層於包含閘極氧化層160、多晶矽層170 以及覆盍層180之控制閘整個表面上，並且藉由反侧製程，形 成由氮化層製成之間隔210圍繞控制閘之侧壁。 當然，可以執行石夕化處理於覆蓋層18〇上，以使得覆蓋層18〇 之部份區域轉化為石夕化物。 最後，補:個絕緣層2n、212以及213形成於上述PMOS單 多晶石夕結構上方’並且穿過絕緣層2U、212以及213，形成過孔 圖案（via-pattem) 214及215。由此，如「第2H圖」顯示，如果 錄230與源極240分別電性接觸至過孔圖案214與215，則完成 一快閃記憶體裝置。 由於本發明之'_記憶财置具有單j祕結構，因此如果 提供35伏之電壓至汲極，則透過汲極區域之多閘極以及P漂移區 域150導致的電離化，進而產生電子孔對。這時，在電場影響下， 所產生之電子孔向祕區移動，反之，部份電子向源極區移動， 亚且麵電子被注人漂浮乡祕巾。注人漂浮多雛之電子量係 由閘極氧化層之厚度、多閘極與p漂移區15()之重疊區域以 及P漂移區150之摻雜程度所確定。 「第3圖」顯示為當掃描汲極電源穿過本發明之快閃記憶體 裝置時各個端子之電流量圖表。從「第3圖」，可以間接預測即將 13 200816397 注入多閘極之電子數量，並且還能夠發現閘極電流值在大約35伏 得非4尚。在「第3圖」顯示之圖表中，橫座標表示没-源極 電壓Vds，Id表示汲電流’ is表示源電流，Ig表示閘電流，㈣ 表示基板電流，以及縱座標表示對數（l〇g)尺度。 第4圖」為顯示本發明之具有複_單結構之快閃記憶體中感 - 應壓力之前及之後電壓-電壓曲線圖。在「第4圖」顯示之圖表中， 橫座標表示汲-源極電壓Vds，以及縱座標表示汲電流记。從「第 4圖」了以瞭解’在感應壓力之前和之後，電流量在$伏位 置處有快速變化。這是因為械賴力時，電子被注人漂浮多間 極，進而導致下降一閾值電壓Vt。 不同於具有基本使用兩個電晶體之閘極結構之習知快閃記憶 體的是，在本發明之單-多晶石夕閘極結構中，一·電晶體用作單 位晶胞，以減少單位晶胞之大州最小。並且，由於施加至汲極 區域之π I壓’雖然在程式執行過程中可能出現電流浅漏，但是 L助具有和;絲區域不對稱結構之輕推雜〉及極區跡本發明 之單-多晶矽閘極結構不存在電流洩漏之風險。 • t如上文所述，本發明能夠在不需要額外處理步驟或處理光罩 , 之情況下，實現一快閃記憶晶胞。 八料’由於間極具有單-多晶石夕結構，因此能夠利用普通互補 金屬氧化半導體（CM0S)製造技術製造快閃記憶體裝置。並且， 不同於其他形狀之單·多晶石夕快閃記憶晶胞，本發明之快閃記憶體 14 200816397 裝置不佔用較大區域。 〜雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 疋本發明’任何純相像技藝者，在不麟本發明之精神和範圍 内’虽可作些許之更動麵飾，因此本發明之專娜護範圍須視 本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 第1圖為習知具有分離閘結構之快閃記憶體錢之剖視圖· 第2A圖至第2H圖為顯示本發明之具有單·多晶石夕結構之快閃 記憶體裝置之製造方法之剖視圖；以及 、人 第3圖與第4圖為本發明之具有單_多晶雜構之快閃記憶體 裝置之性能圖表。 【主要元件符號說明】 10 基板 12s 源極擴散區域 12d 淡極擴散區域 14 閘極絕緣層 16 漂浮閘 18 閘間絕緣層 20 隨道絕緣層 22 控制閘 Vth 電壓 15 200816397

Vpp 電壓 100 半導體基板 110 氧化層 120 HP/HN井區域 130 光阻 140 裝置隔離層 150 P漂移區 160 閘極氧化層 170 多晶矽層 180 覆蓋層 190 輕才夢雜没極（LDD )區 200 源極區 210 間隔 211 絕緣層 212 絕緣層 213 絕緣層 214 過孔圖案 215 過孔圖案 230 汲極 240 源極 16

Claims (1)

1. 200816397 十、申清專利範圍： u單夕晶石夕結構之快閃記憶體裝置之製造方法，係 以下步驟： 成氧化層於一半導縣板上方，其中該+導體基板具 有一 Ρ井區或者一 Ν井區； 中·形成~淺溝槽隔離⑽）於該半導體基板以及該氧化層 、透過注射摻雜物於部份該Ρ井區或者該Ν井區中，形成一 漂移區； 形成難氧化層以及一多晶石夕層於該Ρ或Ν井區、該漂 私區以及該淺溝槽隔離（STI)上方； 透過圖案化該閘極氧化層以及該多晶石夕層，形成一控制問 圖案； 形成一源極區以及一汲極區於該控制閘圖案之相對側； 沉積-氮化石夕層於該控制閘圖案上，並細該氮化石夕層， 以形成一間隔包圍該控制閘圖案之侧壁； 形成複數個絕緣層於該控制閘圖案上，以及形成過孔圖案 以分別電性連接至該源極區與該汲極區；以及 提供一汲極以及一源極，以分別電性連接至該過孔圖案。 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中在形成該控制閘 圖案之步驟中，該多晶矽層為一單層。 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中在形成該漂移區 17 2· 200816397 之步驟中，該漂祕包含與該控期圖案重疊之侧部，並且具 有之深度大於該源極區之深度。 其中在形成該控制閘 P型金屬氧化半導體 4·如申請專利範圍第1項所述之製造方法 圖案之步驟中，該控制閘圖案包含高壓 (PMOS)之漂浮多閘極。 5.如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中在形成該源極區 與該錄區之步驟中’該源極區係推雜有一 播雜物以及一 P +摻雜物。 6. 如申请專利麵第丨項所述之製造方法，其中在形成該漂移區 之步驟中，如果該半導體基板為p型基板，則注入一 p型換雜 物於該N井區域之上部，以形成-p漂移區。 y 7. 如申請專利範圍第1項所述之製造方法，其中在形成該漂移區 之步驟中，如果該半導體基板為N型基板，則注入一 N型掺 雜物於該P井區域之上部，以形成-N漂移區。 8. -種具有單_多晶雜構之快閃記紐較，係包含有： 控制閘圖案’係提供於具有p井區域或者N井區域之半 區與7汲極區’係提供於該控制閘圖案之兩侧； 、一漂移區’係沿著該汲極區之侧向形成於部份該P井區域 或者該N井區域中； 過孔圖案，係、分別電性連接至該源極區與該汲極區；以及 18 200816397 汲極與-雜，係分戦性連接至該過孔圖案之上端。 9·如申明專利範圍第8項所述之快閃記憶體裝置，其中該控制閑 圖案包含一單獨多晶石夕層。 10.如申料利範圍第8項所述之快閃記憶體裝置，其中該漂移區 包含與該控制閘圖案重疊之侧部，並且該漂移區之深度大於該 源極區。 11 ·如申請專利範圍第8項所述之快閃記憶㈣置，其中該控制問 圖案包含高壓p型金屬氧化半導體（PM0S)之漂浮多間極。 !2·如申請專利範圍第8項所述之快閃記憶體裝置，其中該源極區 係#雜有一 n+摻雜物以及一 P +摻雜物。 13. 如申請專利範圍第8項所述之快閃記憶體裝置，其中如果該半 導體基板為P型基板，則該漂移區為一 p漂移區，其中該p漂 移區係透過注入一P型摻雜物於該N井區域之上部而形成。 14. 如申請專利範圍第8項所述之快閃記憶體裝置，其中如果該半 導體基板為N型基板，則該漂移區為一 N漂移區，其中該N 漂移區係透過注入一 N型摻雜物於該P井區域之上部而形成。 19