专利名称：非平面结构的非挥发性存储器单元及制作方法
技术领域：
本发明属于半导体器件领域，更确切地说属于一种非平面结构的非挥发性存储器单元及制作方法。
请参阅
图1，为一种基本的平面型非挥发性快闪存储器单元结构的剖面图，这种结构有着广泛地应用，如集成电路中储存信息、在可编程逻辑器件中可以保存结构信息、以及用作可编程的只读存储器等等。它是非挥发性的，在十年或十年以上的时间里，在断电的情况下都可以保存信息，在它的寿命里可以编程/擦写许多次，它是一种电可编可擦存储器或快闪存储器单元。
随着集成电路技术和半导体加工工艺技术的不断发展，半导体器件尺寸的不断缩小，器件工作电压的不断降低和功耗的减小，以及集成电路向系统芯片(SOC)的发展，存储单元，特别是非挥发性存储单元在嵌入式应用和移动设备方面的应用前景越来越广阔，这也就要求存储单元能具有好的工作特性，如低的工作电压和高的编程/擦除速度，低功耗，非挥发性，可编程性，高的可靠性，好的瞬态特性等等。
由此可见，一个高性能的非挥发性存储单元是必需的，特别是低压和高编程速度的存储单元对于满足嵌入式应用和移动通信的需要是必要的。
本发明提一种非平面结构的非挥发性存储器单元的制作方法，包括如下步骤步骤1在硅衬底上制作出有源区和场氧区，场氧区用于器件之间的隔离，有源区为载流子的工作区和引线区；步骤2在硅衬底上干法刻蚀出一个槽，形成该结构的台面；步骤3做出栅氧化层，用于存储器件的隧穿氧化层；步骤4做一氮化硅侧墙，用于在沟道中间形成高阈值区；步骤5在栅氧上淀积第一层多晶硅，用于作存储器件的浮栅；步骤6生长一层氧化硅/氮化硅/氧化硅复合介质膜，用于作多晶硅间介质；步骤7生长第二层多晶硅，用作存储器件的控制栅；步骤8源漏区的N型扩散，形成源漏接触区和存储器件的擦除区域。
本发明一种非平面结构的非挥发性存储器单元，其中包括一硅衬底，在硅衬底刻蚀出台面；两源区分别作在台面的上下表面；一栅氧化层，该栅氧化层生长在硅衬底的台面上；一多晶硅层生长在栅氧化层上；一复合介质层生长在多晶硅层上；一控制栅层生长在复合介质层上。
其中复合介质层是由氧化层、氮化硅及氧化层复合而成。
图2是本发明提出的新的非挥发性存储单元的结构图；图3A是本发明提出的新的存储单元的特殊栅结构剖面图；图3B是多晶硅间氧化硅/氮化硅/氧化硅复合膜结构的剖面图；图4是本发明提出的新的存储单元的制作版图；图5是本发明提出的新的存储单元的工作原理图。
本发明一种非平面结构的非挥发性存储器单元，其中包括一硅衬底201，在硅衬底201刻蚀出台面203；两源区204、205分别作在台面203的上下表面；一栅氧化层206，该栅氧化层206生长在硅衬底201的台面203上；一多晶硅层207生长在栅氧化层206上；一复合介质层208生长在多晶硅层207上；一控制栅层209生长在复合介质层208上。
其中复合介质层208是由氧化层306、氮化硅307及氧化层308复合而成。
制作本发明的存储单元的方法包括以下几个步骤步骤1在硅衬底上制作出有源区和场氧区，场氧区用于器件之间的隔离，有源区为载流子的工作区和引线区；步骤2在硅衬底上干法刻蚀出一个槽，形成该结构的台面；步骤3做出栅氧化层，用于存储器件的隧穿氧化层；步骤4做一氮化硅侧墙，用于在沟道中间形成高阈值区；步骤5在栅氧上淀积第一层多晶硅，用于作存储器件的浮栅；步骤6生长一层氧化硅/氮化硅/氧化硅复合介质膜，用于作多晶硅间介质；
步骤7生长第二层多晶硅，用作存储器件的控制栅；步骤8源漏区的N型扩散，形成源漏接触区和存储器件的擦除区域。
本发明的新的非挥发性存储单元与普通结构不同之处在于，参阅图2，它把其沟道202做成一个台面203，这能有效地改变纵向和垂直电场在沟道中的分布，同时该结构能通过这一台面203结构改变载流子在沟道202中的运动方向，从平行于沟道202运动改向为垂直或近似垂直于沟道202运动，这样能有效地提高载流子211向浮栅207的注入效率并且由于载流子211改变方向朝着浮栅207运动，从而能有效地降低它的工作电压，既可以不需采用需要高压的热载流子211的注入方式。从而在系统芯片(Syatem On A Chip)中能很好地与CMOS器件兼容，由此也可以看出它的良好的应用前景。
源区204做在台面203的下表面，漏区205做在台面203的上表面，是一种该发明的新结构的工作模式；把漏区204做在台面203的下表面，把源区205做在台面203的上表面，是该发明新结构的另一种工作模式，两种工作模式都具有很好的注入效率和低的工作电压。
图3A为本发明的特殊栅结构的剖面图，在氮化硅侧墙305下面有一个较浓的P+302掺杂区，它是在刻蚀台面203之前，在光刻胶的掩蔽下采用角度注入而形成的。它两侧的P-区303是通常的调阈值注入形成的，这样的结构有利于在沟道中央形成一个较大阈值区，使得源漏电压在此产生最大的电场，有利于载流子211的注入效率的提高。在硅衬底201上刻蚀出台面203后，做栅氧化层206和LPCVD氮化硅层，然后采用反刻制作出氮化硅侧墙305，再把在刻蚀过程中受到损伤的栅氧化层用氢氟酸漂掉，重新制作栅氧化层206。这样，该发明的新结构的特殊栅结构就制作成了。
在制作完浮栅多晶硅207以后，生长一层氧化层306/氮化硅307/氧化层308复合介质层208，其剖面结构如图3B，其中氧化层306/氮化硅307/氧化层308各层厚度分别为5nm/10nm/5nm，当然具体的数值可以变化，只要能保证存储单元的可靠性就行。
图4为我们实施本发明的光刻版图。
存储单元的隔离区210可以采用不同的工艺技术，如LOCOS、沟槽LOCOS、PBLOCOS、STI(浅沟槽隔离)等工艺技术来实现。采用STI或介质填充隔离可以获得平坦化的表面从而减小所带来的覆盖问题。这也是随着器件尺寸的缩小而必须采用的一种隔离技术，采用有源区版401形成隔离区210。
如图2所示，在做完隔离区210以后，先光刻出台面区(用光刻版402)，然后采用角度离子注入，如图3B所示，在硅衬底301上形成一个较浓的注入P+区302，再用等离子体干法刻蚀机在硅衬底301上刻蚀出一个台面203，如图3C所示。在这之后进行调阈值注入形成图3A中所示的P-区303，然后生长栅氧化层(如10nm厚)和LPCVD氮化硅(如80nm厚)，反刻就可以在台面203处形成氮化硅侧墙。把受损伤的栅氧化层用氢氟酸漂掉，再重新生长一层栅氧化层，就形成了该发明的新的结构。
第一层多晶硅淀积在栅氧化层上，并进行磷掺杂，这第一层多晶硅用于制作存储单元中的浮栅207，这是用来存储电荷以表示它的存储状态的，它用光刻版403来定义浮栅区间，然后用干法刻蚀来形成，它不可以与其他的存储单元相连。
离子注入来形成源204漏205的N+区。
氧化和LPCVD工艺技术来制备多晶硅间介质层ONO208，其结构如图3D所示，氮化硅上的氧化硅用湿氧或蒸汽(Steam)氧化来制备。
采用LPCVD工艺在ONO层208上生长第二层多晶硅层209，这第二层多晶硅是用来制作存储单元的控制栅209，用光刻版404定义出存储单元的控制栅209，采用干法刻蚀工艺制作出控制栅209。
在控制栅209制作完成后，做一薄层的氧化层，以防止电荷泄漏，然后生长一层厚的低温氧化层(LTO)，制作出多晶硅和源漏上的接触孔，溅射金属层，光刻刻蚀出金属引线，并进行合金。
制作完以上步骤以后，生长一层钝化层来覆盖存储单元，以防潮湿和电荷泄漏。这一钝化层可以用氮化硅、BPSG或其他的绝缘型材料来制作。
图5为该发明的新结构的工作示意图，为了满足今后SOC应用的需要，在编程过程中，采用漏加VD，栅加高压VCG，源接地的偏置方式工作，在擦除过程中，采用源加正压VS，栅加负压VCG，漏浮空的偏置方式工作。
本发明的非挥发性存储单元，存储单元由浮栅、控制栅、源和漏组成，该单元可以用作EEPEOM单元或Flash Memory单元。该发明的存储单元用于存储数据。并且在断电的情况下仍然能够保存数据。与普通平面沟道型的存储单元相比较而言，该发明的存储单元具有三维的沟道，由此使得纵向和垂直于沟道的电场在沟道中能很好地匹配，使得载流子的注入效率能有效地提高，并能降低其工作电压。因而具有很好的编程速度和低工作电压特性。
本发明特别的是，存储单元只需在原有的平面型的存储单元的基础上，加上一步简单的槽刻蚀，就能制备出该发明提出的特殊的沟道结构，然后在槽的位于沟道中间的一侧做一个氮化硅的侧墙，而其他工艺条件都与工业界成熟的平面型存储单元的工艺条件一样，因而在只增加有限的几步工艺的条件下可以获得具有优良性能的非挥发性存储单元。在台面的低端是存储单元的源端，高端是存储单元的漏端。该存储单元采用沟道热电子注入方式把该存储单元编程至一个高阈值状态，采用Fowler-Nordheim隧穿把该存储单元擦处至一个低阈值状态。在采用低压进行编程时不需利用热电子注入方式也可以完成编程注入。这是该发明的存储单元可以有效降低工作电压的一个重要特性。
权利要求
1.一种非平面结构的非挥发性存储器单元的制作方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1在硅衬底上制作出有源区和场氧区，场氧区用于器件之间的隔离，有源区为载流子的工作区和引线区；步骤2在硅衬底上干法刻蚀出一个槽，形成该结构的台面；步骤3做出栅氧化层，用于存储器件的隧穿氧化层；步骤4做一氮化硅侧墙，用于在沟道中间形成高阈值区；步骤5在栅氧上淀积第一层多晶硅，用于作存储器件的浮栅；步骤6生长一层氧化硅/氮化硅/氧化硅复合介质膜，用于作多晶硅间介质；步骤7生长第二层多晶硅，用作存储器件的控制栅；步骤8源漏区的N型扩散，形成源漏接触区和存储器件的擦除区域。
2.一种非平面结构的非挥发性存储器单元，其特征在于，其中包括一硅衬底，在硅衬底刻蚀出台面；两源区分别作在台面的上下表面；一栅氧化层，该栅氧化层生长在硅衬底的台面上一多晶硅层生长在栅氧化层上；一复合介质层生长在多晶硅层上；一控制栅层生长在复合介质层上。
3.根据权利要求书2所述的非平面结构的非挥发性存储器单元，其特征在于，其中复合介质层是由氧化层、氮化硅及氧化层复合而成。
全文摘要
本发明提供一种非平面结构的非挥发性存储器单元及制作方法,该方法包括如下步骤:步骤1:在硅衬底上制作出有源区和场氧区,场氧区用于器件之间的隔离,有源区为载流子的工作区和引线区；步骤2:在硅衬底上干法刻蚀出一个槽,形成该结构的台面；步骤3:做出栅氧化层,用于存储器件的隧穿氧化层；步骤4:做一氮化硅侧墙,用于在沟道中间形成高阈值区；步骤5:在栅氧上淀积第一层多晶硅,用于作存储器件的浮栅；步骤6:生长一层氧化硅/氮化硅/氧化硅复合介质膜,用于作多晶硅间介质；步骤7:生长第二层多晶硅,用作存储器件的控制栅；步骤8:源漏区的N型扩散,形成源漏接触区和存储器件的擦除区域。
文档编号H01L21/8239GK1423320SQ0113966
公开日2003年6月11日 申请日期2001年12月4日 优先权日2001年12月4日
发明者欧文, 钱鹤, 李明 申请人:中国科学院微电子中心