一種非揮發性存儲器及其製造方法
2023-07-17 13:37:36
專利名稱：一種非揮發性存儲器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種非揮發性存儲器及其製造方法，具體涉及一種使用帶浮柵的碰撞 電離型MOSFET來作為基本結構的非揮發性存儲器及其製造方法，屬於50納米以下的非揮 發性存儲器技術領域。
背景技術：
存儲器大致可分為兩類揮發性存儲器和非揮發性存儲器。揮發性存儲器在系統 關閉時立即失去存儲在內的信息，它需要持續的電源供應以維持數據。大部分的隨機存儲 器(RAM)都屬於揮發性存儲器。非揮發性存儲器在系統關閉或者無電源供應時仍能繼續保 持數據信息。非揮發性存儲器又可分為兩類，電荷阱型存儲器和浮柵型存儲器。在浮柵型 存儲器中，電荷被存儲在浮柵中，它們在無電源供應的情況下仍然可以保持。儲存在浮柵中 的電荷數量可以影響器件的閾值電壓，由此區分期間狀態的邏輯值1或0。
所有的浮柵型存儲器都具有類似的原始單元架構，如圖1所示，它們都具有層疊 的柵極結構，該層疊的柵極結構設置於襯底101之上，依序由隧穿氧化層104、浮柵105、介 質層106和控制柵極107所堆棧形成。並且，在柵極結構兩側的襯底101中，設置有源區 102和漏區103。
自從1967年貝爾實驗室的D. Kahng和S. M. Sze提出浮柵結構的非揮發性存儲器 後，基於柵堆疊的MOSFET結構的浮柵型非揮發性存儲器就以其在容量、成本和功耗上的優 勢成為半導體存儲器市場上的主流器件。但是，傳統MOSFET的最小亞閾值擺幅(SS)被限 制在60mv/dec，這限制了浮柵型存儲器的工作速度，而且，隨著半導體晶片集成度的不斷增 加，MOSFET的溝道長度也在不斷的縮短，當MOSFET的溝道長度變得非常短時，其源、漏極間 的漏電流隨溝道長度的縮小也迅速上升。發明內容
本發明的目的在於提出一種新型的浮柵型非揮發性存儲器及其製備方法，以克服 短溝道效應，並且提高亞閾值特性。
本發明提出的非揮發性存儲器，使用帶浮柵的碰撞電離型MOSFET作為基本結構， 具體包括一個半導體襯底；在所述半導體襯底內形成的電流溝道區域；在所述半導體襯底內所述電流溝道區域的一側形成的具有第一種摻雜類型的漏區； 在所述半導體襯底內所述電流溝道區域的非漏區側形成的具有第二種摻雜類型的源區；在所述電流溝道區域與所述源區之間形成的用於產生電離碰撞的碰撞電離區域； 覆蓋所述電流溝道區域形成的第一層柵介質層；在所述第一層柵介質層之上形成的作為電荷存儲節點的具有導電性的浮柵區；4覆蓋所述浮柵區形成的第二層柵介質層； 在所述第二層柵介質層之上形成的控制柵極。
進一步地，所述的半導體襯底為單晶矽或者為絕緣體上的矽(S0I)。所述的第一 層、第二層柵介質層由二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或者高介電常數的絕緣材料而形成。所 述的浮柵區由摻雜的多晶矽、鎢、氮化鈦或者合金材料所形成。
更進一步地，所述的第一種摻雜類型為η型，所述的第二種摻雜類型為P型；或者， 所述的第一種摻雜類型為P型，所述的第二種摻雜類型為η型。
同時，本發明還提出了上述非揮發性存儲器的製造方法，包括 提供一個半導體襯底；形成第一層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成漏區需摻雜的圖形；離子注入形成第一種摻雜類型的漏區；剝除第一層光刻膠；形成第一層絕緣薄膜；形成第一層導電薄膜；形成第二層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成器件的浮柵；剝除第二層光刻膠；形成第二層絕緣薄膜；形成第二層導電薄膜；形成第三層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成器件的控制柵極；剝除第三層光刻膠；形成第四層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成源區需摻雜的圖形； 離子注入形成第二種摻雜類型的源區； 剝除第四層光刻膠； 形成第三層絕緣薄膜； 形成第五層光刻膠； 掩膜、曝光、刻蝕形成接觸孔； 剝除第五層光刻膠； 形成金屬接觸。
進一步地，所述的第一層、第二層絕緣薄膜為二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或者高 介電常數的絕緣材料。所述的第三層絕緣薄膜為二氧化矽或者為氮化矽。所述的第一層導 電薄膜為摻雜的多晶矽、鎢、氮化鈦或者合金材料。所述的第二層導電薄膜為金屬、合金或 者為摻雜的多晶矽。
本發明所提出的非揮發性存儲器使用帶浮柵的碰撞電離型MOSFET來作為基本結 構，能夠克服短溝道效應，並且在抑制亞閾值擺幅的同時提高驅動電流。本發明所提出的非 揮發性存儲器非常適用於集成電路晶片的製造，特別是低功耗晶片的製造。
圖1為一種現有技術的一種浮柵型非揮發性存儲器的截面圖。
圖2為本發明所提出的非揮發性存儲器的一個實施例的截面圖。
圖3至圖9為本發明所提出的非揮發性存儲器的一個實施例的製備工藝流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明，在圖中，為了方便 說明，放大或縮小了層和區域的厚度，所示大小並不代表實際尺寸。儘管這些圖並不能完全 準確的反映出器件的實際尺寸，但是它們還是完整的反映了區域和組成結構之間的相互位 置，特別是組成結構之間的上下和相鄰關係。
參考圖是本發明的理想化實施例的示意圖，本發明所示的實施例不應該被認為僅 限於圖中所示區域的特定形狀，而是包括所得到的形狀，比如製造引起的偏差。例如刻蝕得 到的曲線通常具有彎曲或圓潤的特點，但在本發明實施例中，均以矩形表示，圖中的表示是 示意性的，但這不應該被認為是限制本發明的範圍。同時在下面的描述中，所使用的術語襯 底可以理解為包括正在工藝加工中的半導體襯底，可能包括在其上所製備的其它薄膜層。
圖2為本發明所提出的使用帶浮柵的碰撞電離型MOSFET來作為基本結構的非揮 發性存儲器的一個實施例，它是沿該器件電流溝道長度方向的截面圖。如圖2所示，層疊的 柵極形成於襯底200之上，依序包括隧穿介質層204、浮柵205、介質層206和控制柵極207。 在柵極結構兩側的襯底200中，設置有漏區201和源區202。絕緣層208是該器件的鈍化 層，它們將所述器件與其它器件隔開，並保護所述器件不受外界環境的影響。金屬層209、 210和211分別為該器件的漏極電極、柵極電極和源極電極。
在寫入數據前，浮柵205是不帶電的。對漏極和柵極施加合適的偏置電壓時，靠近 柵極下方的襯底表面會積累少數載流子(電子或空穴)而形成反型層203，從而形成電流溝 道。同時，在電流溝道與源區202之間的襯底部分(碰撞電離區域202，其長度比如為40納 米)中產生高電場，從而產生雪崩電流，電子被注入到浮柵205中，影響器件的閾值電壓，由 此區分期間狀態的邏輯值1或0。
本發明所公開的使用帶浮柵的碰撞電離型MOSFET來作為基本結構的非揮發性存 儲器可以通過很多方法製造，以下所述的是製造如圖2所示的非揮發性存儲器的一個實施 例工藝流程。
首先，在輕摻雜ρ型的半導體襯底300上澱積一層光刻膠330，然後掩膜、曝光、刻 蝕形成漏區需摻雜的圖形，接著通過離子注入形成器件的η型漏區303，如圖3所示。
剝除光刻膠330後，在襯底300的表面氧化生長一層二氧化矽薄膜301，二氧化矽 薄膜301的厚度比如為10納米，然後澱積一層重摻雜η型雜質離子的多晶矽薄膜302，如圖 4所示。接下來，澱積一層光刻膠，然後掩膜、曝光、刻蝕多晶矽薄膜302形成器件的浮柵，剝 除光刻膠後如圖5所示。
接下來，澱積一層絕緣薄膜304，比如為二氧化矽，厚度為10納米。繼續澱積一層 導電薄膜305，比如重摻雜η型的多晶矽，如圖6所示。接著澱積一層光刻膠，並掩膜、曝光、 刻蝕多晶矽薄膜305形成器件的控制柵極，然後剝除光刻膠，如圖7所示。
接下來，澱積一層新的光刻膠，然後掩膜、曝光、刻蝕形成源區需摻雜的圖形，並通 過離子注入工藝形成器件的P型源區306，剝除光刻膠後如圖8所示。
最後，澱積形成絕緣薄膜307，可以為氧化矽或者為氮化矽，並澱積一層光刻膠，然 後掩膜、曝光、刻蝕形成通孔結構。剝除剩餘的光刻膠後，澱積一層金屬308，金屬308比如 為鋁或鎢，然後刻蝕形成金屬接觸，如圖9所示。
如上所述，在不偏離本發明精神和範圍的情況下，還可以構成許多有很大差別的 實施例。應當理解，除了如所附的權利要求所限定的，本發明不限於在說明書中所述的具體 實例。
權利要求
1.一種非揮發性存儲器，其特徵在於包括 一個半導體襯底；在所述半導體襯底內形成的電流溝道區域；在所述半導體襯底內所述電流溝道區域的一側形成的具有第一種摻雜類型的漏區； 在所述半導體襯底內所述電流溝道區域的非漏區側形成的具有第二種摻雜類型的源區；在所述電流溝道區域與所述源區之間形成的用於產生電離碰撞的碰撞電離區域； 覆蓋所述電流溝道區域形成的第一層柵介質層；在所述第一層柵介質層之上形成的作為電荷存儲節點的具有導電性的浮柵區； 覆蓋所述浮柵區形成的第二層柵介質層； 在所述第二層柵介質層之上形成的控制柵極。
2.根據權利要求1所述的非揮發性存儲器，其特徵在於，所述的半導體襯底為單晶矽 或者為絕緣體上的矽。
3.根據權利要求1所述的非揮發性存儲器，其特徵在於，所述的第一層、第二層柵介質 層材料為二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或者高介電常數的絕緣材料。
4.根據權利要求1所述的非揮發性存儲器，其特徵在於，所述的浮柵區由摻雜的多晶 矽、鎢、氮化鈦或者合金材料所形成。
5.根據權利要求1所述的非揮發性存儲器，其特徵在於，所述的第一種摻雜類型為η 型，所述的第二種摻雜類型為P型；或者所述的第一種摻雜類型為P型，所述的第二種摻雜 類型為η型。
6.一種如權利要求1所述的非揮發性存儲器的製造方法，其特徵在於具體步驟包括 提供一個半導體襯底；形成第一層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成漏區需摻雜的圖形；離子注入形成第一種摻雜類型的漏區；剝除第一層光刻膠；形成第一層絕緣薄膜；形成第一層導電薄膜；刻蝕第一層導電薄膜形成器件的浮柵；形成第二層絕緣薄膜；形成第二層導電薄膜；刻蝕第二層導電薄膜形成器件的控制柵極；形成第二層光刻膠；掩膜、曝光、刻蝕形成源區需摻雜的圖形； 離子注入形成第二種摻雜類型的源區； 剝除第二層光刻膠； 形成第三層絕緣薄膜； 刻蝕第三層絕緣薄膜形成接觸孔； 形成金屬接觸。
7.根據權利要求6所述的非揮發性存儲器的製造方法，其特徵在於，所述的第一層、第 二層絕緣薄膜材料為二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或者高介電常數的絕緣材料。
8.根據權利要求6所述的非揮發性存儲器的製造方法，其特徵在於，所述的第一層導 電薄膜為摻雜的多晶矽、鎢、氮化鈦或者合金材料。
9.根據權利要求6所述的非揮發性存儲器的製造方法，其特徵在於，所述的第二層導 電薄膜為金屬、合金，或者為摻雜的多晶矽；所述的第三層絕緣薄膜為二氧化矽或者為氮化 娃。
10.根據權利要求6所述的非揮發性存儲器的製造方法，其特徵在於，所述的第一種摻 雜類型為η型，所述的第二種摻雜類型為ρ型；或者所述的第一種摻雜類型為ρ型，所述的 第二種摻雜類型為η型。
全文摘要
本發明屬於50納米以下的非揮發性存儲器技術領域，具體為一種非揮發性存儲器及其製造方法。本發明的非揮發性存儲器使用帶浮柵的碰撞電離型MOSFET作為基本結構。本發明所提出的非揮發性存儲器能夠克服短溝道效應，並且在抑制亞閾值擺幅的同時提高驅動電流。本發明還提出了所述非揮發性存儲器的製造方法。本發明所提出的非揮發性存儲器非常適用於集成電路晶片的製造，特別是低功耗晶片的製造。
文檔編號H01L29/788GK102034874SQ201010540309
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月11日 優先權日2010年11月11日
發明者張衛, 林曦, 王鵬飛 申請人:復旦大學