專利名稱：雙位元非揮發(fā)性存儲器的結(jié)構(gòu)與制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種半導(dǎo)體元件(Semiconductor Device)的結(jié)構(gòu)與制造方法，特別是關(guān)于一種雙位元非揮發(fā)性存儲器(Double-bitNon-Volatile Memory(NVM))的結(jié)構(gòu)與制造方法。
非揮發(fā)性存儲器(NVM)是一種速度快、體積小、省電且不怕振動的永久儲存媒體，所以其應(yīng)用非常廣泛，其中最主要的種類是閃存(Flash memory)，其特點是資料是一塊一塊(Block by Block)地抹除，而可以節(jié)省抹除操作所需的時間。
傳統(tǒng)非揮發(fā)性存儲單元的結(jié)構(gòu)請參照

圖1。如圖1所示，基底100上有一堆疊柵結(jié)構(gòu)110，且堆疊柵結(jié)構(gòu)110兩側(cè)基底100中有源/漏極區(qū)120，此堆疊柵結(jié)構(gòu)110包含由下而上堆疊的穿隧氧化層(TunnelOxide)112，浮置柵極(Floating gate)114、柵間介電層116與控制柵極(control Gate)118。這種存儲單元在程式化時將電子注入浮置柵極114中，而抹除時是在控制柵極118上加高負(fù)電壓，以將電子由浮置柵極114中排除。
然而，為使電子能完全地被抹除，上述公知非揮發(fā)性存儲器在抹除操作時很容易發(fā)生過度抹除(over-erase)的現(xiàn)象，也即由浮置柵極排除的電子過多，使得浮置柵極114帶有正電荷的現(xiàn)象。當(dāng)正電荷量過多時，浮置柵極114下方的基底100中的通道區(qū)即會反轉(zhuǎn)，并使通道一直保持在導(dǎo)通的狀態(tài)，而在讀取資料時造成誤判。為此，公知的解決方法即是形成圖2所示的分離柵結(jié)構(gòu)(Split-gate Structure)210。如圖2所示，基底200上具有分離柵結(jié)構(gòu)210，且分離柵結(jié)構(gòu)210兩側(cè)基底200中有源/漏極區(qū)220，此分離柵結(jié)構(gòu)210包含由下而上堆疊的穿隧氧化層(Tunnel Oxide)212，浮置柵極(Floating gate)214、柵間介電層216與控制柵極(control Gate)218，以及由控制柵極218延伸至浮置柵極214側(cè)邊的轉(zhuǎn)移柵極(Transfer Gate)218a。因為轉(zhuǎn)移柵極218a下方基底200中的通道必須在控制柵極218/轉(zhuǎn)移柵極218a上加電壓時才會打開，所以即使浮置柵極214下方通道因過度抹除而持續(xù)打開，此存儲單元仍能在非操作狀態(tài)下保持不導(dǎo)通的狀態(tài)，而得以防止資料的誤判。
雖然分離柵結(jié)構(gòu)210的設(shè)計能防止因過度抹除所產(chǎn)生的誤判問題，但其多出的轉(zhuǎn)移柵極218a卻需占用額外的面積，而不利于元件的縮小化。此外，如圖2所示，由于在分離柵結(jié)構(gòu)210中控制柵極218與轉(zhuǎn)移柵極218a二者相加的寬度與浮置柵極214不同，故浮置柵極214與控制柵極218/轉(zhuǎn)移柵極218a必須分別以兩次微影蝕刻制程來定義，因此轉(zhuǎn)移柵極218a的寬度，以及控制柵極218/轉(zhuǎn)移柵極218a與浮置柵極214的重疊面積都容易產(chǎn)生誤差，使得各存儲單元的電性不一致，從而增加操作時的困難度。
本發(fā)明提出一種雙位元非揮發(fā)性存儲器的結(jié)構(gòu)，此存儲器的形態(tài)例如為閃存，且此種存儲器中儲存每一個位元所需的面積小于采用分離柵結(jié)構(gòu)設(shè)計，但同時具有防止過度抹除問題的功能。此結(jié)構(gòu)包含一基底、隔離層、位元線、堆疊柵結(jié)構(gòu)、摻雜區(qū)、源/漏極區(qū)與字元線。其中，各隔離層位于基底上，且互相平行；各位元線的走向與隔離層垂直，從而圍出一格狀單位陣列；堆棧柵結(jié)構(gòu)以兩個為一組位于一個格狀單位中，且每一格狀單位中的二堆棧柵結(jié)構(gòu)的連線方向與隔離層的走向平行，其中每一堆棧柵結(jié)構(gòu)都包含一浮置柵極與該浮置柵極上方的一控制柵極；摻雜區(qū)位于每一格狀單位的二堆棧柵結(jié)構(gòu)之間的基底中；源/漏極區(qū)形態(tài)與摻雜區(qū)相同，且其位于格狀單位之間的基底中；字元線堆疊柵結(jié)構(gòu)上方，且走向與位元線垂直，而每一格狀單位元中的控制柵極分別與相鄰的二條字元線電性連接。
本發(fā)明還提出一種雙位元非揮發(fā)性存儲器的制造方法，它是用來制造上述本發(fā)明的雙位元非揮發(fā)性存儲器。此制造方法步驟如下首先于基底上形成一多層結(jié)構(gòu)，其由從下而上堆疊的一穿隧層、第一導(dǎo)電層、柵間介電層與第二導(dǎo)電層所構(gòu)成。接著定義多層結(jié)構(gòu)以形成復(fù)數(shù)個條狀多層結(jié)構(gòu)，條狀多層結(jié)構(gòu)的走向與隔離層垂直，其中相鄰二條狀結(jié)構(gòu)區(qū)分為一條狀單位。接著在各條狀單位之間的基底上形成源/漏極區(qū)與位元線，并在每一條狀單位的二條狀多層結(jié)構(gòu)之間基底中形成數(shù)個摻雜區(qū)，其中源/漏極區(qū)的摻雜形態(tài)與摻雜區(qū)相同，而各位元線與隔離層圍出數(shù)個格狀單位。接著定義各條狀多層結(jié)構(gòu)以形成數(shù)個堆疊柵結(jié)構(gòu)，使得每一格狀單位都具有兩個堆疊柵結(jié)構(gòu)，其中每一堆疊柵結(jié)構(gòu)都包含由第一導(dǎo)電層所得的一浮置柵極以及由第二導(dǎo)電層所得的一控制柵極。然后在堆疊柵結(jié)構(gòu)上方形成數(shù)條字元線，字元線的走向與位元線垂直，且同一格狀單位的二控制柵極分別與相鄰二條字元線電性連接。
在上述本發(fā)明的一種雙位元非揮發(fā)性存儲器的制造方法中，位元線的制造方法可分為兩種，其一是形成埋入式位元線，其二是形成位于源/漏極區(qū)上且跨越隔離層的位元線，這兩種方法將在以下本發(fā)明的實施例中分別說明，且由這兩種方法所得的結(jié)構(gòu)也可以由說明及附圖來說明。
另外，在上述本發(fā)明的一種雙位元非揮發(fā)性存儲器的結(jié)構(gòu)中，任一格狀單位內(nèi)的二堆疊柵結(jié)構(gòu)與其中之一摻雜區(qū)、以及此格狀單位兩側(cè)的二源/漏極區(qū)合為一存儲單元，其中二堆疊柵結(jié)構(gòu)的二控制柵極分別與相鄰兩條字元線電性連接，且源/漏極區(qū)的摻雜形態(tài)與二堆疊柵結(jié)構(gòu)之間的摻雜區(qū)相同。此存儲單元的程式化與讀取方法也將在以下本發(fā)明的實施例中提及，以與公知技術(shù)的非揮發(fā)性存儲單元比較。
為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文中舉二實施例，并配合附圖作詳細(xì)說明。
圖面說明圖1是公知堆疊柵結(jié)構(gòu)設(shè)計的非揮發(fā)性存儲單元；圖2是公知分離柵設(shè)計的非揮發(fā)性存儲單元；圖3至圖11是本發(fā)明實施例1中，采用第一種字元線制作方法的雙位元非揮發(fā)性存儲器的制程剖面圖，其中為顯示清楚起見，各圖所對應(yīng)的剖面不盡相同；圖12所繪剖面圖是本發(fā)明實施例1的雙位元非揮發(fā)性存儲器制程的第種二字元線制作方法；圖3A、圖5A、圖6A、圖7A、圖9A、圖11A、圖12A分別是圖3、圖5、圖6、圖7、圖9、圖11、圖12的上視圖；圖11B是圖11A的切線V-V′的剖面圖，且圖12B是圖12A的切線II-II′的剖面圖；圖13至圖15是本發(fā)明實施例2的雙位元非揮發(fā)性存儲器的制造方法中，源/漏極區(qū)與位元線的制程，其中圖13是接續(xù)在多層結(jié)構(gòu)形成步驟(對應(yīng)實施例1的圖4)后，且圖15后接堆疊柵結(jié)構(gòu)定義步驟(對應(yīng)實施例1的圖9A與圖9)；圖13A、圖14A分別是圖13、圖14的上視圖；圖16與圖17分別是由本發(fā)明實施例的第一種與第二種字元線制作方法所得的雙位元非揮發(fā)性存儲器的電路圖；圖18是由本發(fā)明實施例所得的非揮發(fā)性存儲單元的結(jié)構(gòu)；圖19是由本發(fā)明實施例所得的非揮發(fā)性存儲單元的一種程式化方法；以及圖20是由本發(fā)明實施例所得的非揮發(fā)性存儲單元的讀取方法。
附圖標(biāo)記說明100、200、300 基底(Substrate)110、310b、310c/d 堆疊柵結(jié)構(gòu)(Stacked Gate Structure)112、212、312 穿隧氧化層(Tunnel Oxide)114、214、314a、314c、314d浮置柵極(Floating Gate)116、216、316 柵極介電層118、218、318a、318c、318 控制柵極(Control Gate)120、220、330c、330d 源/漏極區(qū)(S/D Region)
210 分離柵結(jié)構(gòu)218a 轉(zhuǎn)移柵極301 溝道(Trench)302 淺溝道隔離310 多層結(jié)構(gòu)310a 條狀多層結(jié)構(gòu)314、318 導(dǎo)體層320 條狀單位324 罩幕層(Mask Layer)327、527 離子植入(Ion Implantation)330 埋入式位元線(Buried Bit Line)333、533 摻雜區(qū)337、340、537介電層339 存儲單元350 非著陸介層窗(Unland Via)360、460a、460b、460c字元線450 介層窗(Via)528 源/漏極區(qū)(S/D Region)529a 間隙壁(Spacer)529b 介電材料530 位元線I-I′～V-V′ 切割線標(biāo)號
X、Y 坐標(biāo)軸標(biāo)號a、b、c 寬度標(biāo)號此外，本實施例1中圖11A、圖11、圖11B為一組，其顯示本實施例1采用的第一種字元線制造方法；圖12A、圖12、圖12B為另一組，其顯示本實施例1采用的第二種字元線制造方法。
請同時參照圖3與圖3A，其中圖3是圖3A的切割線I-I′的剖面圖。如圖3、圖3A所示，首先在基底300上形成平行排列的淺溝道隔離302，其位于溝道301中，而此溝道301具有傾斜的側(cè)壁，其理由將于稍后說明。
請參照圖4所示的剖面圖，其與圖3在同一剖面上。如圖4所示，接著依序在基底300上形成穿隧氧化層312、導(dǎo)體層314、柵間介電層316與導(dǎo)體層318，此處將四者合稱為多層結(jié)構(gòu)310，它是作為堆疊結(jié)構(gòu)的前身，且其中導(dǎo)體層314與318的材質(zhì)都例如為復(fù)晶硅，而柵間介電層316例如為一氧化硅/氮化硅/氧化硅ONO)復(fù)合層。
請參照圖5A與圖5，其中圖5是圖5A的切割線II-II′的剖面圖。如圖5、圖5A所示，接著定義多層結(jié)構(gòu)310以形成Y走向的條狀多層結(jié)構(gòu)310a，其中每相鄰二條狀多層結(jié)構(gòu)310a區(qū)分為一條狀單位320，且每一條狀單位320的二條狀多層結(jié)構(gòu)310a的間距a小于各條狀單位320的間距b，其理由將于后文中說明。
請參照圖6A與圖6，其中圖6是圖6A的切割線III-III′的剖面圖。如圖6、圖6A所示，接著在基底300上形成圖案化的罩幕層324，其例如為一光阻(Photoresist)層，此罩幕層324將各條狀單位320之間的淺溝道隔離302暴露出來。然后以次罩幕層324為罩幕去除暴露出的淺溝道隔離。此制程例如可采用類似自行對準(zhǔn)源極(Self-Aligned Source，SAS)制程的方式，即罩幕層324的開口的間距c大于條狀單位320的間距b，以達(dá)到較佳的對準(zhǔn)效果。
請參照圖7A與圖7，其中圖7是圖7A的切割線II-II′的剖面圖。如圖7、圖7A所示，接著去除殘余的罩幕層324，再以條狀多層結(jié)構(gòu)310a與淺溝道隔離302為罩幕進行離子植入327，其所植入者例如為n型離子，以在每一條狀單位320的二條狀多層結(jié)構(gòu)310a之間的基底300中形成摻雜區(qū)333，同時在各條狀單位320之間的基底300中形成埋入式位元線330，其中埋入式位元線330的一部分位于溝道301內(nèi)的基底300的表層，而此溝道301的邊界以點線表示。此時請參照圖7，可看出埋入式位元線330作各元件的源/漏極區(qū)。另外，請同時參照圖3、圖7與圖7A，由于溝道301具有傾斜的側(cè)壁，所以離子植入327才能在溝道301的側(cè)壁形成摻雜區(qū)以作為埋入式位元線330的一部分。
請參照圖8，接著以介電層337填滿各條狀多層結(jié)構(gòu)310a之間的空隙，其方法例如為先在基底300上形成一層介電材料以填滿各條狀多層結(jié)構(gòu)310a之間的空隙，再以化學(xué)機械研磨法(ChemicalMechanical Polishing，CMP)除去高于條狀多層結(jié)構(gòu)310a上緣的介電材料，其中介電材料的材質(zhì)例如為氧化硅，且形成方法例如為化學(xué)氣相沉積法(CVD)。
請參照圖9A與圖9，其中圖9是圖9A的切割線IV-IV′上的剖面圖。如圖9A與圖9所示，接著定義各條狀多層結(jié)構(gòu)310a，即在Y方向上分開Y走向的條狀多層結(jié)構(gòu)310a，以形成數(shù)個堆疊柵結(jié)構(gòu)310b，其包含由下而上堆疊的穿隧氧化層312、得自導(dǎo)體層314的浮置柵極314a、柵間介電層316與得自導(dǎo)體層318的控制柵極318a。如圖9A所示，任一條狀單位320中左右一對的堆疊柵結(jié)構(gòu)組成一個存儲單元339，而每一存儲單元339可用來儲存兩位元的資料。此時請一并參照圖8所示的剖面圖，其可同時作為圖9A的切割線II-II′的剖面圖，只是標(biāo)號稍有不同(310b與310a)而已。如圖9A與圖8所示，每一存儲單元339中更包含摻雜區(qū)333，其位于此存儲單元339的二堆疊柵結(jié)構(gòu)310b之間的基底300中。
請參照圖10所示的剖面圖，其所對應(yīng)的剖面與圖9相同。如圖10所示，并同時對比圖9A、圖9，接著在基底300上覆蓋介電層340，并填滿各堆疊柵結(jié)構(gòu)310b與介電層337所圍出的孔洞。
以下的步驟即是在介電層340中形成介層窗以電性連接各堆疊柵結(jié)構(gòu)310b的控制柵極318a，再形成與位元線330垂直的字元線以電性連接各介層窗，其方法分為以下兩種，但二者的共同特征是同一存儲單元339的二控制柵極318a(請見圖9A與圖9)必定分別電性連接至相鄰的兩條字元線。第一種字元線制作方法請參照圖11A、圖11與圖11B，是本實施例1的第一種介層窗與字元線的形成方法，其中圖11為圖11A的切割線IV-IV′的剖面圖，且圖11B為圖11A的切割線V-V′的剖面圖。
如圖11與圖11A所示，接著在介電層340中各形成一個非著陸介層窗(Unlanded Via)350，在于介電層340上形成與位元線330垂直的字元線360(圖11A)以電性連接位于同一橫排的所有非著陸介層窗350。其中每一個非著陸介層窗350電性連接相鄰的一對控制柵極318a，此二控制柵極318a位于同一條狀單位320中，但分別屬于相鄰的二記憶單元339；而同一存儲單元339中的二控制柵極318a則分別電性連接位于不同橫排的兩個非著陸介層窗350，并由此分別電性連接至相鄰的二字元線360上，以分別接受兩條字元線360的控制。
此外，請參照圖11A、圖11B，其中圖11B是圖11A的切線V-V′的剖面圖。如圖11A與圖11B所示，任一條字元線360電性連接其兩側(cè)的每一存儲單元339僅一個控制柵極318a，而電性連接至任一字元線360的每個控制柵極318a都位于其各自所屬的存儲單元339的同一側(cè)(此二圖中為右側(cè))。不過，只要任一字元線360僅與其路經(jīng)的每一對相鄰且位于同一條狀單位320內(nèi)的存儲單元339中的一對相鄰的控制柵極318a電性連接，且字元線360下方的非著陸介層窗350電性連接方式滿足上述條件即可，電性連接至同一字元線360的每一個控制柵極318a也可位于其各自所屬的存儲單元339的不同側(cè)。第二種字元線制作方法請參照圖12A、圖12與圖12B，是本實施例1的第二種介層窗與字元線的形成方法，其中圖12為圖12A的切割線IV-IV′的剖面圖，且圖12B為圖12A的切割線II-II′的剖面圖。
如圖12A、圖12、圖12B所示，接著在每一個控制柵極318a上方的介電層340中各形成一個介層窗450(圖12A中的虛線圓圈)以作電性連接，此處所示為著陸介層窗，但末完全對準(zhǔn)也有可能。如圖12A與圖12所示，接著在介電層340上形成整體走向與位元線330垂直，但呈鋸齒狀的字元線460 a/b/c，其中任一字元線460 a/b/c以電性連接相鄰兩橫排的每一存儲單元339中僅一個控制柵極318a上方的介層窗450，而連接至同一字元線460 a/b/c的任一對相鄰的二介層窗450均呈對角排列。也就是說，在同一條狀單位320內(nèi)的一對相鄰的存儲單元339中，僅有一對對角排列的控制柵極318a連接至同一條字元線460 a/b/c。
此外，請參照圖12A、圖12B，其顯示任一字元線字元線460 a/b/c電性連接其路經(jīng)的每一個存儲單元339中僅一控制柵極318a，而電性連接至同一字元線460 a/b/c的每一控制柵極318a都位于其各自所屬的存儲單元339的同一側(cè)。不過，只要同一條狀單位320內(nèi)一對相鄰的存儲單元339中僅有一對對角排列的控制柵極318a連接至同一條字元線460 a/b/c，而每一個介層窗450僅電性連接一個控制柵極318a即可，電性連接至同一條字元線460 a/b/c的每一個控制柵極318a也可位于其各自所屬的存儲單元339的不同側(cè)。
接著請參照圖13A與圖13，它是接續(xù)于實施例1中圖4的對應(yīng)步驟之后，其中圖13為圖13A的切割線II-II′的剖面圖。如圖13與圖13A所示，在條狀多層結(jié)構(gòu)310a形成之后，以條狀多層結(jié)構(gòu)310a與淺溝道隔離302為罩幕進行離子植入527，以在每一條狀單位320的二條狀多層結(jié)構(gòu)310a之間的基底300中形成數(shù)個摻雜區(qū)533，它是以淺溝道隔離302分隔；同時在各條狀單位320之間的基底300中形成數(shù)個源/漏極區(qū)528，它也以淺溝道隔離302作區(qū)隔。
接著請參照圖14A與圖14，其中圖14為圖14A的切割線II-II′的剖面圖。如圖14與圖14A所示，接著在每一條狀單位320的二條狀多層結(jié)構(gòu)310a的外側(cè)壁形成介電材質(zhì)的間隙壁529a，以隔離條狀多層結(jié)構(gòu)310a中導(dǎo)電層314與導(dǎo)電層318；并以與間隙壁529a相同的介電材料529b填滿每一條狀單位320的二條狀多層結(jié)構(gòu)310a間寬度較小的空隙(請對比實施例1中對應(yīng)圖5A的說明部分，此空隙寬度為a，其值小于各條狀單位320的間距b)。然后于各條狀單位320側(cè)壁的間隙壁529a之間填入導(dǎo)體材料，以作為位元線530，其跨越淺溝道隔離302。此位元線530的材質(zhì)例如為復(fù)晶硅或一金屬材料，且其上緣高度低于各條狀多層結(jié)構(gòu)310a的上緣高度。
請參照圖15，接著在位元線530上形成介電層537以填滿各條狀單位320側(cè)壁的間隙壁529a之間的空隙，以保護下方的位元線530，此介電層537的材質(zhì)例如是以化學(xué)沉積法(Chemical VaporDeposition，CVD)所形成的氧化硅。
接下來，由于本實施例2與實施例1的差別僅在間隙壁529a是否存在與位元線的型式，故后續(xù)步驟中定義條狀多層結(jié)構(gòu)310a以形成堆疊柵結(jié)構(gòu)310b，以及介層窗/字元線的兩種形成方法只要對比圖9A、圖11A、圖12A的上視圖、圖9至圖12所示的剖面圖、圖11B、圖12B的剖面圖，以及對應(yīng)的說明即可。其中圖11A、圖11、圖11B顯示第一種制造介層窗與字元線的方法，且圖12A、圖12、圖12B顯示第二種制造介層窗與字元線的方法。
接下來請參照圖16與圖17，其分別是由本發(fā)明實施例2的第一種與第二種字元線制作方法所得的雙位元非揮發(fā)性存儲器的電路圖。如圖16所示，在Y方向相鄰的二存儲單元339中僅有一對X坐標(biāo)相同的控制柵極電性連接至同一條字元線，而另外兩個控制柵極則分別電性連接至此字元線兩側(cè)的另兩條字元線上。另一方面，如圖17所示，在Y方向相鄰的二存儲單元339中僅有一對對角排列的控制柵極電性連接至一條字元線，而另外兩個控制柵極則分別電性連接至此字元線兩側(cè)的另兩條字元線上。
以上所述即為本發(fā)明二實施例的雙位元非揮發(fā)性存儲器的制造方法，而此二實施例的雙位元非揮發(fā)性存儲器的結(jié)構(gòu)也可以由上文與附圖得知。不過，為方便與公知技術(shù)的非揮發(fā)性存儲單元作比較，以下將圖11A、圖12A中所示的存儲單元339獨立出來，以說明本發(fā)明的雙位元非揮發(fā)性存儲器的操作方法與優(yōu)點，而與存儲單元339的源/漏極區(qū)電性連接的位元線、與控制柵極電性連接的介層窗與字元線等等則不予繪出以簡化附圖。本發(fā)明的非揮發(fā)性存儲單元的操作方法請參照圖18，它是本發(fā)明二實施例的非揮發(fā)性存儲單元399的結(jié)構(gòu)。如圖18所示，此存儲單元339包含兩個堆疊柵結(jié)構(gòu)310c與310d、二堆疊柵結(jié)構(gòu)310c與310d外側(cè)的源/漏極區(qū)330c與330d，以及二堆疊柵結(jié)構(gòu)310c與310d之間的摻雜區(qū)333，其中堆疊柵結(jié)構(gòu)310c(d)包含由下而上堆疊的穿隧氧化層312，浮置柵極314c(d)、柵間介電層316與控制柵極318c(d)，且源/漏極區(qū)330c(d)的摻雜型態(tài)與摻雜區(qū)333相同，例如都為n型。
接著要說明的是當(dāng)源/漏極區(qū)330c(d)與摻雜區(qū)333的摻雜型態(tài)都為n型時，用來程式化上述非揮發(fā)存儲單元的一種方法，其以圖19作解釋。程式化方法請參照圖19所示的程式化方法，它是一種通道熱電子(ChannelHot Electron，CHE)注入法。此方法是分別在控制柵極318c與318d上施加大于0的偏壓V1與V2，以同時打開浮置柵極314c與314d下方的通道，此時如欲寫入浮置柵極314d，即在控制柵極318c一側(cè)的源/漏極區(qū)330c上施加偏壓V3，其例如是接地電壓，并在控制柵極318d一側(cè)的源/漏極區(qū)330d上施加大于V3的偏壓V4，以使電子由控制柵極318c一側(cè)的源/漏極區(qū)330c流向控制柵極318d一側(cè)的源/漏極區(qū)330d。此處V4與V3的差異足夠大，使得浮置柵極314d下方通道中能夠產(chǎn)生熱電子以注入浮置柵極314d中，但也不可能過大，以免熱電子在浮置柵極314c下方產(chǎn)生并注入其中。
以此類推，如欲寫入浮置柵極314c，只要在浮置柵極314c與314d下方的通道同時打開的情形下，將兩個源/漏極區(qū)330c與314d極性倒轉(zhuǎn)，使熱電子僅在浮置柵極314c下方通道產(chǎn)生而注入浮置柵極314c。
此存儲單元程式化方法除了上述的熱電子注入法，還有利用穿隧效應(yīng)(Tunneling Effect)的方法，它是在控制柵極318c(或d)上施加較高偏壓，并在同側(cè)的源/漏極區(qū)330c(或d)上施加較低偏壓，此較低偏壓與較高偏壓的差異足夠大，使電子能通過FN穿隧現(xiàn)象(Fowler-Norheim Tunneling)從源/漏極區(qū)330c(或d)流到浮置柵極314c(或d)中。讀取方法如熟悉此技術(shù)者所知，由于負(fù)電荷存在的緣故，浮置柵極314c及314d在寫入狀態(tài)時其下方通道的起始電壓(通道打開時控制柵極318c/d上所需的電壓)大于抹除狀態(tài)時，此處將寫入狀態(tài)下通道的起始電壓簡稱為Vtwrite，并將抹除狀態(tài)下的起始電壓簡稱為Vterase，而Vtwrite＞Vterase。
請參照圖20，其是本發(fā)明較佳實施例的非揮發(fā)性存儲單元的讀取方法，此處以浮置柵極314c中資料的讀取過程為例。如圖20所示，此過程是在控制柵極318d上施加大于Vtwrite的偏壓V6，以打開浮置柵極314d下方的通道；同時于控制柵極318c上施加偏壓V5，其與Vtwrite及Vterase的大小關(guān)系為Vtwrite＞V5＞Vterase。接著，在兩個源/漏極區(qū)330c與314d上施加不同的偏壓，再以源/漏極區(qū)330c與314d導(dǎo)通與否來判讀浮置柵極314c中是否寫入資料。此時所發(fā)生的現(xiàn)象與判讀方法詳見下段。
由于控制柵極318d的電壓V6＞Vtwrite＞Vterase，故不論浮置柵極314d中是否寫入資料，其下方通道都可以打開；另一方面，由于控制柵極318c的電壓V5與Vtwrite及Vterase的大小關(guān)系為Vtwrite＞V5＞Vterase，所以當(dāng)浮置柵極314c在抹除狀態(tài)下通道會打開，而在寫入狀態(tài)下通道則不打開。此時由于摻雜區(qū)333的摻雜型態(tài)能也為n型，故當(dāng)源/漏極區(qū)330c與330d之間能夠?qū)〞r，即表示浮置柵極314c處于抹除狀態(tài)；當(dāng)源/漏極區(qū)330c與330d之間不能導(dǎo)通時，即表示浮置柵極314c處于寫入狀態(tài)。
如上所述，在本發(fā)明二實施例的雙位元非揮發(fā)性存儲器的一個存儲單元中，以兩個堆疊柵結(jié)構(gòu)310c與310d為一組共用一對源/漏極區(qū)330c與330d，所以只有在浮置柵極314c及314d下方通道同時打開時，源/漏極區(qū)330c與330d之間才能導(dǎo)通。由于兩個浮置柵極314c及314d同時發(fā)生過度抹除的幾率極低，使得源/漏極區(qū)330c與330d同時導(dǎo)通的幾率極低，所以與公知堆疊柵設(shè)計相比較，發(fā)生資料誤判的機會得以大幅度降低。此時請一并參照前述分離柵結(jié)構(gòu)的說明與圖2，由于本發(fā)明的一個存儲單元中的一個堆疊層結(jié)構(gòu)可以防止另一個堆疊柵結(jié)構(gòu)被過度抹除時所產(chǎn)生的誤判問題，故此堆疊柵結(jié)構(gòu)也可稱為一轉(zhuǎn)移問題，其功能如同圖2中的轉(zhuǎn)移柵極218a。
另外，由于本發(fā)明的雙位元非揮發(fā)性存儲器的任一個存儲單元都具有兩個浮置柵極以儲存兩個位元的資料，且以個堆疊柵結(jié)構(gòu)作為轉(zhuǎn)移柵極來防止另一個堆疊柵結(jié)構(gòu)過度抹除時所產(chǎn)生的問題，而非如公知分離柵結(jié)構(gòu)210一樣在控制柵極218側(cè)邊加上轉(zhuǎn)移柵極218a，所以與采用分離柵結(jié)構(gòu)210設(shè)計的存儲單元相比較之下，使用本發(fā)明時儲存每一個位元所需的面積可以大幅度降低。
再者，如圖9、圖9A所示，本發(fā)明連續(xù)定義出控制柵極318a與浮置柵極314a；又如圖18所示，本發(fā)明以一個堆疊柵結(jié)構(gòu)310c(或d)作為轉(zhuǎn)移柵極，以防止浮置柵極314d(或c)過度抹除時所產(chǎn)生的問題。因此，使用本發(fā)明時不必如公知分離柵結(jié)構(gòu)制程一樣需以兩次微影制程來分別定義浮置柵極與控制柵極/轉(zhuǎn)移柵極，因此是一種自行對準(zhǔn)制程，而不會產(chǎn)生元件電性不一致的問題。
除此之外，請參照圖18，由于在本發(fā)明的雙位元非揮發(fā)性存儲器中摻雜區(qū)333僅作為電流的通路，故其只要具有和源/漏極區(qū)330a與330b的摻雜型態(tài)即可，而其寬度a則可以小于源/漏極區(qū)330a與330b的寬度b。因此，與圖1所示的公知堆疊柵設(shè)計相比較之下，本發(fā)明的雙位元非揮發(fā)性存儲器每一個位元時所需的面積可以更小。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作各種更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙位元非揮發(fā)性存儲器的結(jié)構(gòu)，其特征在于其包括一基底；復(fù)數(shù)個隔離層，其位于基底上；復(fù)數(shù)條位元線，其位于基底上，且走向與隔離層垂直，從而圍出復(fù)數(shù)個格狀單位；復(fù)數(shù)個堆疊柵結(jié)構(gòu)，它是以兩個為一組位于每一個格狀單位中，且每一格狀單位中的二堆疊柵結(jié)構(gòu)連線的走向與隔離層平行，其中每一堆疊柵結(jié)構(gòu)都包含一浮置柵極與該浮置柵極上方的一控制柵極；復(fù)數(shù)個摻雜區(qū)，其中任一摻雜區(qū)位于同一格狀單位的二堆疊柵結(jié)構(gòu)之間的基底中；復(fù)數(shù)個源/漏極區(qū)，其位于格狀單位之間的基底中，源/漏極區(qū)的摻雜形態(tài)與摻雜區(qū)相同，且源/漏極區(qū)與位元線電性連接；以及復(fù)數(shù)條字元線，其位于堆疊柵結(jié)構(gòu)上方，且走向與位元線垂直，而每一格狀單位元中的二控制柵極分別與相鄰兩條字元線電性連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中雙位元非揮發(fā)性存儲器的形態(tài)包括閃存。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中位元線是基底中的復(fù)數(shù)條埋入式位元線，這些埋入式位元線是由摻雜方式所形成，且源/漏極區(qū)為埋入式位元線的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中位元線跨過隔離層上方，并與源/漏極區(qū)電性連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其同一格狀單位的二堆疊柵結(jié)構(gòu)的間距為第一間距，且沿平行隔離層方向排列，并分屬相鄰二格狀單位的相鄰二堆疊柵結(jié)構(gòu)的間距為第二間距，而第一間距小于第二間距；以及每一格狀單位的二堆疊柵結(jié)構(gòu)之間以一絕緣層填滿，且二堆疊柵結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁更包括一間隙壁，該間隙壁與絕緣層為同一材質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中位元線的材質(zhì)包括復(fù)晶硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中位元線的材質(zhì)包括金屬材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中任一字元線是經(jīng)過相鄰兩列的格狀單位，且電性連接相鄰兩列中的每一格狀單位元的二控制柵極中的一個，其中任一對同行的格狀單位中僅有一對同行的控制柵極與任一字元線電性連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中該對同行的控制柵極通過一非著陸介層窗以電性連接至任一字元線。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中在相鄰兩列的格狀單位中，電性連接任一字元線的每一控制柵極都位于其各自所屬的格狀單位的同一側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中任一字元線是經(jīng)過相鄰兩列的格狀單位，且電性連接相鄰兩列中的每一格狀單位元的二控制柵極中的一個，其中任一對同行的格狀單位中僅有一對對角排列的控制柵極與任一字元線電性連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中電性連接至任一字元線的每一控制柵極通過一著陸介層窗與任一字元線電性連接。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中在相鄰兩列的一列的格狀單位中，電性連接任一字元線的每一控制柵極都位于其各自所屬的格狀單位的第一側(cè)；以及位于相鄰兩列中另一列的格狀單位中，電性連接任一字元線的每一控制柵極都位于其各自所屬的格狀單位的第二側(cè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于其中摻雜區(qū)與源/漏極區(qū)的摻雜形態(tài)包括n型。
15.一種雙位元非揮發(fā)性存儲器的制造方法，其特征在于其包括提供一基底；于基底上形成復(fù)數(shù)個隔離層；于基底上形成一多層結(jié)構(gòu)，該多層結(jié)構(gòu)包括從下而上堆疊的一穿隧層、一第一導(dǎo)電層、一柵間介電層與一第二導(dǎo)電層；定義多層結(jié)構(gòu)以形成復(fù)數(shù)個條狀多層結(jié)構(gòu)，條狀多層結(jié)構(gòu)的走向與隔離層垂直，其中相鄰二條狀結(jié)構(gòu)區(qū)分為一組，共分成復(fù)數(shù)個條狀單位；在條狀單位之間的基底上形成復(fù)數(shù)條位元線與復(fù)數(shù)個源/漏極區(qū)，并在每一條狀單位的二條狀多層結(jié)構(gòu)之間基底中形成復(fù)數(shù)個摻雜區(qū)，其中位元線與隔離層圍出復(fù)數(shù)個格狀單位，且摻雜區(qū)的摻雜形態(tài)與源/漏極區(qū)相同；定義條狀多層結(jié)構(gòu)以形成復(fù)數(shù)個堆疊柵結(jié)構(gòu)，并使每一格狀單位都具有二堆疊柵結(jié)構(gòu)，其中每一堆疊柵結(jié)構(gòu)都包含由第一導(dǎo)電層所得的一浮置柵極以及由第二導(dǎo)電層所得的一控制柵極；以及在堆疊柵結(jié)構(gòu)上方形成復(fù)數(shù)條字元線，字元線的走向與位元線垂直，且同一格狀單位的二控制柵極分別與相鄰二條字元線電性連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其特征在于其中雙位元非揮發(fā)性存儲器的形態(tài)包括閃存。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其特征在于其中位元線為復(fù)數(shù)條埋入式位元線，且形成埋入式位元線的方法包括下列步驟形成圖案化的一罩幕層于基底上，該罩幕層將條狀單位之間的基底與隔離層暴露出來；以罩幕層為罩幕，蝕去暴露出的隔離層；以及以條狀多層結(jié)構(gòu)為罩幕進行離子植入，而在暴露出的基底中形成埋入式位元線。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造方法，其特征在于其中源/漏極區(qū)與摻雜區(qū)在罩幕層去除之后與埋入式位元線同時形成，且源/漏極區(qū)為埋入式位元線的一部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造方法，其特征在于其中罩幕層為一光阻層。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的制造方法，其特征在于其中罩幕層中具有復(fù)數(shù)個溝渠狀開口以暴露出條狀單位之間的基底與隔離層，其中每一溝渠狀開口的寬度大于條狀單位的間距。
21.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其特征在于其中形成源/漏極區(qū)、摻雜區(qū)與位元線的方法包括以條狀多層結(jié)構(gòu)與隔離層為罩幕進行離子植入，而在條狀單位的基底中形成復(fù)數(shù)個源極/漏極區(qū)，同時在每一條狀單位的二條狀多層結(jié)構(gòu)之間的基底中形成摻雜區(qū)；在每一條狀單位的二條狀多層結(jié)構(gòu)的外側(cè)壁形成一間隙壁；以及于間隙壁之間填入一導(dǎo)體材料，以作為復(fù)數(shù)條位元線，位元線跨過隔離層而與源/漏極區(qū)電性連接。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的制造方法，其特征在于其中每一條狀單位內(nèi)的二條狀多層結(jié)構(gòu)的間距為第一間距，且相鄰二條狀間距之間距為第二間距，第一間距小于第二間距，且第一間距足夠小，使得每一條狀單位內(nèi)的二條狀多層結(jié)構(gòu)的空隙能在間隙壁的形成過程中被間隙壁之同一材料所填滿。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的制造方法，其特征在于其中導(dǎo)電材料包括復(fù)晶硅。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的制造方法，其特征在于其中導(dǎo)電材料包括金屬材料。
25.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其特征在于其中定義條狀多層結(jié)構(gòu)以形成堆疊柵結(jié)構(gòu)之前，更包括以絕緣材料填滿條狀多層結(jié)構(gòu)間的空隙的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其特征在于其中任一字元線是經(jīng)過相鄰兩列的格狀單位，且電性連接相鄰兩列中的每一格狀單位的二控制柵極中的一個，其中任一對同行的格狀單位中僅有一對同行的控制柵極與任一字元線電性連接。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的制造方法，其特征在于其中在堆疊柵結(jié)構(gòu)上方形成字元線的方法包括下列步驟于堆疊柵結(jié)構(gòu)上形成一介電層；在介電層中形成復(fù)數(shù)個非著陸介層窗，其中每一非著陸介層窗僅電性連接位于相鄰兩列且同行的一對格狀單位中的一對同行的控制柵極；以及在介電層上形成與非著陸介層窗形成字元線，其中任一字元線與位于同一列的非著陸介層窗電性連接。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的制造方法，其特征在于其中在相鄰兩列的格狀單位中，電性連接任一字元線的每一控制柵極都位于其各自所屬的格狀單位的同一側(cè)。
29.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其特征在于其中任一字元線是經(jīng)過相鄰兩列的格狀單位，且電性連接相鄰兩列中的每一格狀單位元的二控制柵極中的一個，其中任一對同行的格狀單位中僅有一對對角排列的控制柵極與任一字元線電性連接。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的制造方法，其特征在于其中在堆疊柵結(jié)構(gòu)上方形成字元線的方法包括下列步驟于堆疊柵結(jié)構(gòu)上形成一介電層；在介電層中形成復(fù)數(shù)個介層窗，其中每一介層窗僅與控制柵極之一電性連接；以及在介電層上形成與介層窗電性連接的字元線。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的制造方法，其特征在于其中在相鄰兩列的一列的格狀單位中，電性連接任一字元線的每一控制柵極都位于其各自所屬的格狀單位的第一側(cè)；以及位于相鄰兩列中另一列的格狀單位中，電性連接任一字元線的每一控制柵極都位于其各自所屬的格狀單位的第二側(cè)。
32.根據(jù)權(quán)利要求15所述的制造方法，其特征在于其中摻雜區(qū)與源/漏極區(qū)的摻雜形態(tài)包括n型。
全文摘要
一種雙位元非揮發(fā)性存儲器的結(jié)構(gòu)與制造方法,此結(jié)構(gòu)的主體是一雙位元存儲單元陣列,它是由垂直交錯的隔離層與位元線所區(qū)隔。每一存儲單元都包含二堆棧柵結(jié)構(gòu)與其間的一摻雜區(qū),以及與相鄰存儲單元共用的二源/漏極區(qū),其中二控制柵極分別與相鄰的二字元線電性連接,且源/漏極區(qū)與位元線電性連接。另一制造方法為:首先形成數(shù)條隔離層,再形成與隔離層垂直的條狀多層結(jié)構(gòu),其中相鄰二條狀多層結(jié)構(gòu)區(qū)分為一組。接著在各組間形成源/漏極區(qū)與位元線,并在各組中央的基底中形成數(shù)個摻雜區(qū)。接下來定義條狀多層結(jié)構(gòu)以形成堆棧柵結(jié)構(gòu)陣列,其中相鄰二堆棧柵結(jié)構(gòu)合組為一雙位元存儲單元,然后于堆疊柵結(jié)構(gòu)上方形成與位元線垂直的字元線即完成。
文檔編號H01L21/8239GK1375877SQ0110388
公開日2002年10月23日 申請日期2001年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月19日
發(fā)明者陳錦揚 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司