具有硅金屬浮動(dòng)?xùn)艠O的分裂柵非易失性閃存單元及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有選擇柵極、硅金屬浮動(dòng)?xùn)艠O、控制柵極和擦除柵極的非易失性閃 存單元，所述擦除柵極具有與浮動(dòng)?xùn)艠O在一起的懸垂。
【背景技術(shù)】
[0002] 具有選擇柵極、浮動(dòng)?xùn)艠O、控制柵極和擦除柵極的分裂柵非易失性閃存單元是本 領(lǐng)域中已知的。參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利6,747,310和7,868,375。具有在浮動(dòng)?xùn)艠O上面的懸垂的 擦除柵極也是本領(lǐng)域中已知的。參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利5,242,848。所有這三篇專(zhuān)利均以引用方 式全文并入本文中。
[0003] 為了增加性能，浮動(dòng)?xùn)艠O可摻雜有雜質(zhì)。例如，增加浮動(dòng)?xùn)艠O上的摻雜程度可增加 存儲(chǔ)器單元的擦除速度。然而，增加摻雜也存在缺點(diǎn)。例如，來(lái)自高度摻雜浮動(dòng)?xùn)艠O的摻雜 物的外擴(kuò)散可降低圍繞浮動(dòng)?xùn)艠O的介電材料的質(zhì)量。較高的摻雜程度還可能導(dǎo)致氧化處理 期間浮動(dòng)?xùn)艠O尖端的鈍化。
[0004] 因此，本發(fā)明的目的之一是在不依賴(lài)于浮動(dòng)?xùn)艠O中高摻雜程度的情況下提高這樣 的存儲(chǔ)器單元的擦除效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 上述目的用一種非易失性存儲(chǔ)器單元實(shí)現(xiàn)，該非易失性存儲(chǔ)器單元包括:第一導(dǎo) 電類(lèi)型的襯底，所述襯底具有第二導(dǎo)電類(lèi)型的第一區(qū)域、與第一區(qū)域間隔開(kāi)的第二導(dǎo)電類(lèi) 型的第二區(qū)域，在所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域之間形成溝道區(qū)；選擇柵極，所述選擇柵極 與溝道區(qū)的第一部分絕緣并且設(shè)置在所述第一部分上面，所述第一部分與第一區(qū)域相鄰； 浮動(dòng)?xùn)艠O，所述浮動(dòng)?xùn)艠O與溝道區(qū)的第二部分絕緣并且設(shè)置在所述第二部分上面，所述第 二部分與第二區(qū)域相鄰;與浮動(dòng)?xùn)艠O接觸地形成的金屬材料;控制柵極，所述控制柵極與浮 動(dòng)?xùn)艠O絕緣并且設(shè)置在其上面；以及擦除柵極，所述擦除柵極包括第一部分和第二部分。第 一部分與第二區(qū)域絕緣并且設(shè)置在其上面，而且與浮動(dòng)?xùn)艠O絕緣并且與其橫向相鄰設(shè)置。 第二部分與控制柵極絕緣并且與其橫向相鄰，而且部分地在浮動(dòng)?xùn)艠O上面延伸并且與其縱 向重疊。
[0006] -種形成非易失性存儲(chǔ)器單元的方法包括:在第一導(dǎo)電類(lèi)型的襯底中形成間隔開(kāi) 的第二導(dǎo)電類(lèi)型的第一區(qū)域和第二區(qū)域，將溝道區(qū)限定在所述第一區(qū)域和所述第二區(qū)域之 間；形成與溝道區(qū)的第一部分絕緣并且設(shè)置在所述第一部分上面的選擇柵極，所述第一部 分與第一區(qū)域相鄰;形成與溝道區(qū)的第二部分絕緣并且設(shè)置在所述第二部分上面的浮動(dòng)?xùn)?極，所述第二部分與第二區(qū)域相鄰;形成與浮動(dòng)?xùn)艠O接觸的金屬材料;形成與浮動(dòng)?xùn)艠O絕緣 并且設(shè)置在其上面的控制柵極；以及形成包括第一部分和第二部分的擦除柵極。第一部分 與第二區(qū)域絕緣并且設(shè)置在其上面，而且與浮動(dòng)?xùn)艠O絕緣并且與其橫向相鄰設(shè)置。第二部 分與控制柵極絕緣并且與其橫向相鄰，而且部分地在浮動(dòng)?xùn)艠O上面延伸并且與其縱向重 疊。
【附圖說(shuō)明】
[0007] 圖1是本發(fā)明的改善的非易失性存儲(chǔ)器單元的剖視圖。
[0008] 圖2A-圖2C和圖3A-圖3J是制造本發(fā)明的存儲(chǔ)器單元的一個(gè)實(shí)施例的工藝的剖視 圖。
[0009] 圖4是本發(fā)明的存儲(chǔ)器單元的替代實(shí)施例的剖視圖。
[0010]圖5是本發(fā)明的存儲(chǔ)器單元的第二替代實(shí)施例的剖視圖。
[0011] 圖6是本發(fā)明的存儲(chǔ)器單元的第三替代實(shí)施例的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 參見(jiàn)圖1，示出了本發(fā)明的改善的非易失性存儲(chǔ)器單元10的剖視圖。存儲(chǔ)器單元10 被制作于P導(dǎo)電類(lèi)型的基本上單晶的襯底12(諸如單晶硅）中。在襯底12內(nèi)為第二導(dǎo)電類(lèi)型 的第一區(qū)域14。如果第一導(dǎo)電類(lèi)型為P，則第二導(dǎo)電類(lèi)型為N。與第一區(qū)域間隔開(kāi)的是第二導(dǎo) 電類(lèi)型的第二區(qū)域16。在第一區(qū)域14和第二區(qū)域16之間的是溝道區(qū)18,該溝道區(qū)提供第一 區(qū)域14和第二區(qū)域16之間的電荷傳導(dǎo)。
[0013] 選擇柵極20定位在襯底12上方并且與該襯底間隔開(kāi)且絕緣，該選擇柵極也被稱(chēng)作 字線20。選擇柵極20定位在溝道區(qū)18的第一部分上面。溝道區(qū)18的第一部分緊密鄰接第一 區(qū)域14。因此，選擇柵極20與第一區(qū)域14重疊很少或不重疊。浮動(dòng)?xùn)艠O22也定位在襯底12上 方并與該襯底間隔開(kāi)且絕緣。浮動(dòng)?xùn)艠O22定位在溝道區(qū)18的第二部分和第二區(qū)域16的一部 分上面。溝道區(qū)18的第二部分與溝道區(qū)18的第一部分不同。因此，浮動(dòng)?xùn)艠O22與選擇柵極20 橫向間隔開(kāi)并與該選擇柵極絕緣且相鄰。擦除柵極24定位在第二區(qū)域16上面并且與其間隔 開(kāi)，而且與襯底12絕緣。擦除柵極24與浮動(dòng)?xùn)艠O22橫向絕緣并且間隔開(kāi)。選擇柵極20在浮動(dòng) 柵極22的一側(cè)，而擦除柵極24在浮動(dòng)?xùn)艠O22的另一側(cè)。最后，定位在浮動(dòng)?xùn)艠O22上方并且與 該浮動(dòng)?xùn)艠O絕緣且間隔開(kāi)的是控制柵極26?？刂茤艠O26與擦除柵極24和選擇柵極20絕緣并 且間隔開(kāi)，而且定位在擦除柵極24和選擇柵極20之間。迄今，存儲(chǔ)器單元10的上述說(shuō)明在美 國(guó)專(zhuān)利6，747，310和7，868，375中有所公開(kāi)。
[0014] 擦除柵極24具有懸垂于浮動(dòng)?xùn)艠O22之上的一部分。擦除柵極24由電連接的兩個(gè)部 分構(gòu)成。在優(yōu)選的實(shí)施例中，這兩個(gè)部分形成整體結(jié)構(gòu)，但是在本發(fā)明范圍內(nèi)的是，這兩個(gè) 部分可為單獨(dú)部分并且電連接。擦除柵極24的第一部分與浮動(dòng)?xùn)艠O22橫向相鄰并且位于第 二區(qū)域16上方。擦除柵極24的第一部分具有最靠近浮動(dòng)?xùn)艠O22的端部32。擦除柵極24的第 二部分與控制柵極26橫向相鄰并且懸垂于浮動(dòng)?xùn)艠O22的一部分之上（即，擦除柵極24與浮 動(dòng)?xùn)艠O22部分地縱向重疊）。擦除柵極24的與控制柵極26橫向相鄰并且懸垂于浮動(dòng)?xùn)艠O22 之上的第二部分還與浮動(dòng)?xùn)艠O22縱向間隔開(kāi)。
[0015] 在本發(fā)明的改進(jìn)中，金屬層36形成在浮動(dòng)?xùn)艠O22上(在控制柵極26下面并且與其 絕緣）。優(yōu)選地，金屬層36形成在浮動(dòng)?xùn)艠O的被控制柵極縱向覆蓋的那部分上，但是金屬層 36不形成在浮動(dòng)?xùn)艠O的被擦除柵極24縱向覆蓋的那部分上（即，在該實(shí)施例中，擦除柵極24 和金屬層36之間不存在縱向重疊）。金屬層36提供比高度摻雜多晶硅高得多的電子濃度以 增加的擦除性能，而沒(méi)有使用高度摻雜多晶硅的缺點(diǎn)。
[0016] 如美國(guó)專(zhuān)利6,747,310中所述，存儲(chǔ)器單元10利用通過(guò)Fowler-Nordheim機(jī)制的電 子隧穿從浮動(dòng)?xùn)艠O22到擦除柵極24進(jìn)行擦除。另外，為了改善擦除機(jī)制，浮動(dòng)?xùn)艠O22可具有 最靠近擦除柵極24的尖銳拐角22a(面對(duì)形成于該擦除柵極中的凹口 24a)以在擦除期間增 強(qiáng)局部電場(chǎng)，并且繼而增強(qiáng)從浮動(dòng)?xùn)艠O22的拐角到擦除柵極24的電子流。通過(guò)使金屬層36 延伸跨過(guò)浮動(dòng)?xùn)艠O的頂部表面的僅一部分（即，不延伸跨過(guò)浮動(dòng)?xùn)艠O的與擦除柵極24相鄰 的那部分），保留了浮動(dòng)?xùn)艠O22的多晶硅拐角與多晶硅擦除柵極24之間的隧穿。
[0017 ]參見(jiàn)圖2A-圖2C和圖3A-圖3 J，示出了制造本發(fā)明的單元10的工藝中的步驟的剖視 圖。圖2A示出形成于襯底中的STI隔離區(qū)，所述STI隔離區(qū)是本領(lǐng)域中已知的。STI絕緣材料 40沉積或形成在襯底中的溝槽中，由此絕緣材料40在襯底表面上方延伸。襯底可為P型單晶 硅。二氧化硅層42形成在P型單晶硅的襯底12上。之后，多晶硅(或非晶硅）的第一層44被沉 積或形成在二氧化硅層42上。
[0018]使用STI絕緣的頂部作為蝕刻停止層來(lái)進(jìn)行多晶硅化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝，以降 低多晶硅層44的頂部表面，如圖2B所示。進(jìn)一步用多晶硅蝕刻來(lái)降低多晶硅層44的上表面。 將金屬材料沉積在該結(jié)構(gòu)上，然后使用STI絕緣材料作為蝕刻步進(jìn)層來(lái)進(jìn)行金屬CMP蝕刻。 合適的金屬材料包括!^1 &111、？1等。所得結(jié)構(gòu)示于圖2(：中。
[0019]參見(jiàn)圖3A，示出了與圖2A-圖2C的剖視圖正交的剖視圖（沿著圖2C所示的線3A)。諸 如二氧化硅(或甚至復(fù)合材料層，諸如0N0)的另一種絕緣層48沉積或形成在金屬層46上。多 晶硅的第二層50然后被沉積或形成在層48上。絕緣體的另一層52被沉積或形成在多晶硅的 第二層50上并且在隨后的干法蝕刻期間用作硬掩模。在優(yōu)選的實(shí)施例中，層52為復(fù)合材料 層，包含氮化娃52a、二氧化娃52b和氮化娃52c。所得結(jié)構(gòu)不于圖3Α中。
[0020]光刻膠材料54沉積在該結(jié)構(gòu)上，并且執(zhí)行掩模步驟從而暴露光刻膠材料的所選部 分。光刻膠被顯影并且被選擇性地蝕刻。復(fù)合材料層52的暴露部分然后被各向異性地蝕刻 直到多晶硅層50暴露，如圖3B所示。光刻膠材料54被移除，并且通過(guò)使用復(fù)合材料層52的疊 堆作為蝕刻掩模，多晶硅的第二層50、絕緣層48和金屬層46然后被各向異性地蝕刻，直到多 晶硅層44暴露。所得結(jié)構(gòu)示于圖3C中。雖然僅示出兩個(gè)"疊堆" S1和S2,但是應(yīng)當(dāng)清楚存在彼 此分離的多個(gè)此類(lèi)"疊堆"。
[0021 ] 二氧化硅56沉積或形成在該結(jié)構(gòu)上。隨后是氮化硅層58的沉積。二氧化硅49和氮 化硅50被各向異性蝕刻，留下圍繞疊堆S1和S2中的每個(gè)疊堆的間隔物60(它是二氧化硅56 和氮化硅58的組合）。間隔物的形成在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的，且涉及材料在結(jié)構(gòu)的輪廓 上面的沉積，繼之以各向異性蝕刻工藝，從而從結(jié)構(gòu)的水平表面移除該材料，而該材料在該 結(jié)構(gòu)的豎直定向表面上在很大程度上保持完整（具有圓化的上表面）。所得結(jié)構(gòu)示于圖3D 中。
[0022]光刻膠掩模62形成在疊堆S1和S2之間的區(qū)域上面以及其他交替的成對(duì)疊堆之間 的區(qū)域上面。為了該討論的目的，疊堆S1和S2之間的這個(gè)區(qū)域?qū)⒈环Q(chēng)為"內(nèi)區(qū)域"，并且不被 光刻膠覆蓋的區(qū)域?qū)⒈环Q(chēng)為"外區(qū)域"。外區(qū)域中的暴露的第一多晶硅44被各向異性地蝕 亥IJ。所得結(jié)構(gòu)示于圖3E中。
[0023]將光刻膠材料62從示于圖3E中的結(jié)構(gòu)移除。氧化物層然后沉積或形成在該結(jié)構(gòu)上 面，隨后進(jìn)行各向異性蝕刻，留下與疊堆S1和S2相鄰的間隔物64,如圖3F所示。光刻膠材料 66然后沉積并且被遮蔽，留下疊堆S1和S2之間的內(nèi)區(qū)域中的開(kāi)口。疊堆S1和S2之間（以及其 他交替成對(duì)的疊堆)之間的內(nèi)區(qū)域中的多晶硅44被各向異性蝕刻。所得結(jié)構(gòu)受到高電壓離 子注入，形成第二區(qū)域16。所得結(jié)構(gòu)示于圖3G中。
[0024]通過(guò)例如濕法蝕刻或干法各向同性蝕刻來(lái)移除內(nèi)區(qū)域中與疊堆S1和S2相鄰的氧 化物間隔物64。該蝕刻還移除位于第二區(qū)域16上面的氧化物層42。移除疊堆S1和S2的外區(qū) 域中的光刻膠材料66。二氧化硅68沉積或形成在該結(jié)構(gòu)上面。該結(jié)構(gòu)再次被光刻膠材料70 覆蓋，并且進(jìn)行掩摸步驟，從而暴露疊堆S1和S2的外區(qū)域并留下覆蓋疊堆S1和S2之間的內(nèi) 區(qū)域的光刻膠材料70。進(jìn)行氧化物各向異性蝕刻，以減小疊堆S1和S2的外區(qū)域中的間隔物 64的厚度，并且從外區(qū)域中的暴露的硅襯底12中完全移除任何二氧化硅。所得結(jié)構(gòu)示于圖 3