TW201630164A - 隔離結構及具有其之非揮發性記憶體的製造方法 - Google Patents

Abstract

一種隔離結構的製造方法，適用於非揮發性記憶體的製程中。此方法是提供基底，並於基底上依序形成介電層、導體層及硬罩幕層。圖案化硬罩幕層及導體層，而形成暴露出介電層的第一溝槽。於基底上形成第一襯層。移除第一溝槽所暴露的第一襯層及介電層，以暴露基底。於導體層及硬罩幕層的側壁形成間隙壁。以具有間隙壁的導體層及硬罩幕層為罩幕，移除部分基底，以形成第二溝槽。之後於第二溝槽中形成一隔離層，其中導體層之間的間距大於第二溝槽的寬度。

Description

隔離結構及具有其之非揮發性記憶體的製造方法

本發明是有關於一種半導體元件的製造方法，且特別是有關於一種隔離結構及具有其之非揮發性記憶體的製造方法。

非揮發性記憶體元件由於具有可多次資料之存入、讀取、抹除等動作，且存入之資料在斷電後也不會消失之優點，因此已成為個人電腦和電子設備所廣泛採用的一種記憶體元件。

典型的非揮發性記憶體元件，係以摻雜的多晶矽製作浮置閘極(floating gate)與控制閘極(control gate)。一般來說，浮置閘極與控制閘極之間的閘極耦合率(gate-coupling ratio，GCR)愈大，以及浮置閘極間的干擾(floating gate coupling)越低，其操作所需之工作電壓將愈低，而記憶體的操作速度與效率會隨之提升。而提高閘極耦合率之方法包括增加閘間介電層之電容或減少穿隧介電層之電容。

隨著科技的日新月異，半導體元件之集積度亦不斷提高，因而各種記憶體元件尺寸也必須進一步縮減。但是，當欲縮減記憶體元件尺寸時，會產生穿隧介電層電場過大而造成崩潰(tunnel oxide breakdown)，導致元件可靠度(reliability)下降的問題。為了進一步提升元件的可靠度與穩定性，需要提供能夠改善上述問題的技術方案。

有鑑於此，本發明提供一種隔離結構的製造方法，可降低穿隧介電層電場，提高閘極耦合率，從而提升元件效能並提升元件的可靠度。

本發明另提供一種具有上述隔離結構的非揮發性記憶體的製造方法，除可提高閘極耦合率之外，亦可增加將形成控制閘極的導體層的填溝能力，同時減少浮置閘極彼此間的干擾。

本發明的一種隔離結構的製造方法，包括下列步驟。提供基底，並於此基底上依序形成介電層、第一導體層及硬罩幕層。接著，圖案化硬罩幕層及第一導體層，而形成暴露出介電層的第一溝槽。然後，於基底上形成第一襯層。移除第一溝槽所暴露的第一襯層及介電層以暴露基底，而於第一導體層及硬罩幕層的側壁形成間隙壁。接著，以具有間隙壁的第一導體層及硬罩幕層為罩幕，移除部分基底，以形成第二溝槽。接著於第二溝槽形成隔離層，其中，第一導體層之間的間距大於第二溝槽寬度。

在本發明之一實施例中，上述於第二溝槽形成隔離層的步驟，包括：於第二溝槽中形成第二襯層，進行回火製程，於第二溝槽中填入絕緣材料層，以及進行固化製程。

在本發明之一實施例中，上述形成第一襯層的方法包括臨場蒸氣產生法、熱氧化法或原子層沉積法。

在本發明之一實施例中，上述介電層的材質包括氧化矽。

在本發明之一實施例中，上述第一導體層包括摻雜多晶矽層及非摻雜多晶矽層。

在本發明之一實施例中，上述硬罩幕層的材質包括氮化矽或氧化矽。

在本發明之一實施例中，上述第一襯層的材質包括氧化矽。

在本發明之一實施例中，上述絕緣材料層的材質包括旋塗式介電材質(spin-on dielectric,SOD)。

在本發明之一實施例中，上述第二襯層的材質包括氧化矽。

本發明的一種非揮發性記憶體的製造方法，包括下列步驟。提供基底，並於基底上依序形成介電層、第一導體層及硬罩幕層。接著，圖案化硬罩幕層及第一導體層，以形成第一溝槽。於硬罩幕層及第一導體層的側壁形成間隙壁。以具有間隙壁的第一導體層及硬罩幕層為罩幕，移除部分基底，以形成第二溝槽。於第二溝槽中形成隔離層，第一導體層之間的間距大於第二溝槽 的寬度。移除硬罩幕層，並於基底上形成閘間介電層。於閘間介電層上形成第二導體層。圖案化第二導體層、閘間介電層及第一導體層，以形成控制閘極及浮置閘極。

在本發明之一實施例中，上述第一導體層包括摻雜多晶矽層及非摻雜多晶矽層。

在本發明之一實施例中，上述形成該第一襯層的方法包括臨場蒸氣產生法、熱氧化法或原子層沉積法。

在本發明之一實施例中，上述介電層的材質包括氧化矽。

在本發明之一實施例中，上述硬罩幕層的材質包括氮化矽或氧化矽。

在本發明之一實施例中，上述第一襯層的材質包括氧化矽。

在本發明之一實施例中，上述閘間介電層的材質包括氧化矽/氮化矽/氧化矽。

在本發明之一實施例中，上述第二導體層的材質包括摻雜多晶矽。

基於上述，藉由本發明所提供之隔離結構及具有其之非揮發性記憶體的製造方法，製作出的相鄰兩浮置閘極的間距較隔離結構溝槽的寬度大，使得相鄰兩浮置閘極的間距較習知技術寬，而在形成成為控制閘極的導體時能有較好的填溝能力，也能降低浮置閘極間的干擾，從而提升元件效能。此外，相鄰兩浮置閘極的間距較隔離結構溝槽寬度大，能降低穿隧介電層電場而不 易產生穿隧介電層崩潰，而提升元件可靠度與穩定性。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧基底

102‧‧‧介電層

104、104a、104b、120‧‧‧導體層

104c‧‧‧浮置閘極

106、106a、106b‧‧‧硬罩幕層

108‧‧‧第一溝槽

110‧‧‧第一襯層

110a‧‧‧間隙壁

112‧‧‧第二溝槽

114‧‧‧第二襯層

116‧‧‧絕緣材料層

118‧‧‧閘間介電層

122‧‧‧隔離層

W1、W2‧‧‧寬度

圖1A至圖1E為依照本發明之實施例所繪示之非揮發性記憶體的製造方法的流程剖面示意圖。

圖1A至圖1E為依照本發明之實施例所繪示之非揮發性記憶體的製造方法的流程剖面示意圖。應注意，圖1A至圖1E所示的剖面圖為與記憶單元之字元線(word line)方向平行(或垂直於記憶單元之位元線(bit line)方向)。

請參照圖1A，首先提供基底100，基底100例如是矽基底。在基底100上依序形成介電層102、導體層104及硬罩幕層106。

介電層102的材質例如是氧化矽，其形成方法例如是熱氧化法。

導體層104例如是由導體層104a及導體層104b所構成的雙層結構。導體層104a的材質例如是非摻雜多晶矽，其形成方法例如是化學氣相沈積法。導體層104b的材質例如是摻雜多晶 矽，其形成方法例如是利用化學氣相沈積法先形成一層未摻雜多晶矽層後，再進行離子植入步驟以形成之，當然也可以採用臨場植入摻質的方式而以化學氣相沈積法形成。雙層結構可以增大導體層104的表面積，也就是使其成為浮置閘極(如圖1E所示)後的表面積增大，進而增加與後續形成的控制閘極的耦合率。在本實施例中，導體層104以雙層為例做說明，當然亦可以是單層或多層結構。

硬罩幕層106例如是由硬罩幕層106a與硬罩幕層106b所構成的雙層結構。硬罩幕層106a的材質例如是氮化矽，其形成方法例如是化學氣相沉積法。硬罩幕層106b的材質例如是氧化矽，其形成方法例如是化學氣相沉積法。在本實施例中，硬罩幕層106以雙層為例做說明，當然亦可以是單層或多層結構。

接著，請參照圖1B，圖案化硬罩幕層106、導體層104，而形成暴露出介電層102的第一溝槽108。圖案化的方法例如是於基底100上形成圖案化光阻層(未圖示)，以圖案化光阻層為罩幕，蝕刻硬罩幕層106、導體層104，然後再去除圖案化光阻層。之後，於基底100上形成第一襯層110。第一襯層110的材質例如是氧化矽，其形成方法例如是熱氧化法，但不限於此，也可以採用臨場蒸氣產生法(in-situ steam generation,ISSG)或原子層沉積法(atomic layer deposition,ALD)來形成。

然後，請參照圖1C，移除第一溝槽108所暴露的第一襯層110及介電層102以暴露基底100，並於導體層104及硬罩幕層 106的側壁形成間隙壁110a。移除第一溝槽108所暴露的第一襯層110及介電層102的方法例如是非等向性蝕刻法。同時，非等向性蝕刻法也會將硬罩幕層106上的第一襯層110一併移除。接著，以具有間隙壁110a的導體層104及硬罩幕層106為罩幕，移除部分基底100，以形成第二溝槽112。移除部份基底100的方法例如是進行蝕刻製程。

接下來，請參照圖1D，於第二溝槽112中形成隔離層122。隔離層122例如由第二襯層114及絕緣材料層116構成。

於第二溝槽112中形成隔離層122包括下列步驟。於第二溝槽112中形成第二襯層114。第二襯層114的材質例如是氧化矽，其形成方法例如是熱氧化法，當然也可以採用臨場蒸氣產生法。然後，在含氮的環境下進行回火製程。於第二溝槽112中填入一絕緣材料層116。絕緣材料層116的材質例如是旋塗式介電材質(spin-on dielectric,SOD)或其他適當之絕緣材料。接著進行一固化製程，並定義出主動區。填入絕緣材料層116的方法例如是旋轉塗佈法，但不限於此，也可以是先以化學氣相沉積法形成一層絕緣材料層116，再以化機械研磨進行平坦化後，進行回蝕刻(etch back)以移除至少一部分的絕緣材料層116。

接著，請參照圖1E，移除硬罩幕層106。移除硬罩幕層106的方法例如是利用蝕刻法依序移除罩幕層106b及罩幕層106a。

然後，於基底100上形成閘間介電層118。閘間介電層118的材質例如是氧化矽/氮化矽/氧化矽，其形成方法例如是利用化學氣相沉積法或是熱氧化法依序形成一層氧化矽層、一層氮化矽層與一層氧化矽層。當然，閘間介電層118的材質還可以是氧化矽、氮化矽或氧化矽/氮化矽等材料，其形成方法例如是依照其材質以不同的反應氣體進行化學氣相沉積法。

然後，於閘間介電層118上形成導體層120。導體層120的材質例如是摻雜多晶矽，其形成方法例如是利用化學氣相沈積法先形成一層未摻雜多晶矽層後，再進行離子植入步驟以形成之，當然也可以採用臨場植入摻質的方式而以化學氣相沈積法形成。最後，圖案化導體層120、閘間介電層118及導體層104，圖案化的導體層120形成控制閘極，導體層104形成浮置閘極104c。至於後續完成非揮發性記憶體之製程為所屬技術領域中具通常知識者所周知，在此不再贅述。

本發明之製造隔離結構與具有此隔離結構之非揮發性記憶體的方法，其製作出相鄰兩浮置閘極104c的間距寬度W1大於第二溝槽112的寬度W2，不再如習知技術兩者寬度相等。使得接下來形成的導體層120能有較好的填溝能力，也能降低浮置閘極104c間的干擾，從而提升元件效能。此外，浮置閘極104c彼此的間距寬度W1大於第二溝槽112寬度W2，使得穿隧介電層電場降低而不易產生穿隧氧化層崩潰，提升元件可靠度與穩定性。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧基底

102‧‧‧介電層

104a、104b、120‧‧‧導體層

104c‧‧‧浮置閘極

110a‧‧‧間隙壁

114‧‧‧第二襯層

116‧‧‧絕緣材料層

118‧‧‧閘間介電層

122‧‧‧隔離層

W1、W2‧‧‧寬度

Claims (18)

1. 一種隔離結構的製造方法，包括：提供一基底；於該基底上依序形成一介電層、一導體層及一硬罩幕層；圖案化該硬罩幕層及該導體層，而形成暴露出該介電層的一第一溝槽；於該基底上形成一第一襯層；移除該第一溝槽所暴露的該第一襯層及該介電層，以暴露該基底，而於該導體層及該硬罩幕層的側壁形成一間隙壁；以具有該間隙壁的該導體層及該硬罩幕層為罩幕，移除部分該基底，以形成一第二溝槽；以及於該第二溝槽中形成一隔離層，該導體層之間的間距大於該第二溝槽的寬度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之隔離結構的製造方法，其中於該第二溝槽形成該隔離層包括：於該第二溝槽中形成一第二襯層；進行一回火製程；於該第二溝槽中填入一絕緣材料層；以及進行一固化製程。
3. 如申請專利範圍第1項所述之隔離結構的製造方法，其中形成該第一襯層的方法包括臨場蒸氣產生法、熱氧化法或原子層沉積法。
4. 如申請專利範圍第1項所述之隔離結構的製造方法，其中該介電層的材質包括氧化矽。
5. 如申請專利範圍第1項所述之隔離結構的製造方法，其中該導體層的材質包括摻雜多晶矽層及非摻雜多晶矽層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之隔離結構的製造方法，其中該硬罩幕層的材質包括氮化矽或氧化矽。
7. 如申請專利範圍第1項所述之隔離結構的製造方法，其中該第一襯層的材質包括氧化矽。
8. 如申請專利範圍第2項所述之隔離結構的製造方法，其中該絕緣材料層的材質包括旋塗式介電材質。
9. 如申請專利範圍第2項所述之隔離結構的製造方法，其中該第二襯層的材質包括氧化矽。
10. 一種非揮發性記憶體的製造方法，包括：提供一基底，該基底上已依序形成有一介電層、一第一導體層及一硬罩幕層；圖案化該硬罩幕層及該第一導體層，以形成一第一溝槽；於該硬罩幕層及該第一導體層的側壁形成一間隙壁；以具有該間隙壁的該第一導體層及該硬罩幕層為罩幕，移除部分該基底，以形成一第二溝槽；於該第二溝槽中形成一隔離層，該第一導體層之間的間距大於該第二溝槽的寬度；移除該硬罩幕層； 於該基底上形成一閘間介電層；於該閘間介電層上形成一第二導體層；以及圖案化該第二導體層、該閘間介電層及該第一導體層，以形成一控制閘極及一浮置閘極。
11. 如申請專利範圍第10項所述之非揮發性記憶體的製造方法，其中該第一導體層包括摻雜多晶矽層及非摻雜多晶矽層。
12. 如申請專利範圍第10項所述之非揮發性記憶體的製造方法，其中形成該第一襯層的方法包括臨場蒸氣產生法、熱氧化法或原子層沉積法。
13. 如申請專利範圍第10項所述之非揮發性記憶體的製造方法，其中該介電層的材質包括氧化矽。
14. 如申請專利範圍第10項所述之非揮發性記憶體的製造方法，其中該硬罩幕層的材質包括氮化矽或氧化矽。
15. 如申請專利範圍第10項所述之非揮發性記憶體的製造方法，其中該第一襯層的材質包括氧化矽。
16. 如申請專利範圍第10項所述之非揮發性記憶體的製造方法，其中該閘間介電層的材質包括氧化矽/氮化矽/氧化矽。
17. 如申請專利範圍第10項所述之非揮發性記憶體的製造方法，其中該第二導體層的材質包括摻雜多晶矽。
18. 如申請專利範圍第10項所述之非揮發性記憶體的製造方法，其中於該第二溝槽形成該隔離層包括：於該第二溝槽中形成一第二襯層； 進行一回火製程；於該第二溝槽中填入一絕緣材料層；以及進行一固化製程。