专利名称：一种新型的两位sonos存储单元结构及其制备方法
技术领域：
本发明设计半导体制造领域硅一氧化硅一氮化硅一氧化硅一硅(S0N0Q存储器的制造方法，尤其是一种新型的两位SONOS存储单元结构及其制备方法。
背景技术：
1.非挥发性半导体存储器的基本工作原理是在一个场效应管(MOSFET)的栅介质中存储电荷。其中电荷被存储在一个适当的介质层的分立的俘获中心里的器件被称为电荷俘获器件。这类器件中最常用的是硅一氧化硅一氮化硅一氧化硅一硅(SONOS)存储器。 非挥发性存储器在半导体存储器件中扮演着重要的角色。随着非易失存储器(NVM)器件尺寸的不断减小，浮栅型非易失挥发性存储器的漏电流随着隧穿氧化物厚度的减小而不断增大，使隧穿氧化物厚度的继续减小受到了限制。因此，使用陷阱材料作为电荷存储介质的 SONOS存储器被人们所关注，陷阱材料可以固定注入电荷，在一定程度上阻止了存储电荷的泄漏。SONOS存储器除了尺寸小之外，还具有良好的耐受性、低操作电压、低功耗、工艺简单、 与标准CMOS工艺兼容等优点。虽然SONOS存在诸多优点，但是每个SONOS存储单元只能储存一位数据，使得要实现大容量存储也需要占用较大空间的。
发明内容
针对现有的SONOS存储器所存在的上述问题，本发明提供一种新型的两位SONOS 存储单元结构及其制备方法。本发明解决技术问题所采用的技术手段为
一种新型的两位SONOS存储单元结构，包括SONOS存储器，所述SONOS存储器包括硅基底、隧穿氧化硅层、氮化硅存储介质层、氧化硅层和多晶硅层，所述隧穿氧化硅层覆于所述硅基底上，所述氮化硅存储介质层覆于所述隧穿氧化硅层上，所述氧化硅层覆于所述氮化硅存储介质层上，所述多晶硅层覆于所述氧化硅层上，其中，还包括凹槽，所述凹槽位于所述氧化硅层表面，并依次穿透所述氧化硅层、所述氮化硅存储介质层和隧穿氧化层直至所述硅基底为止，所述凹槽内有氧化物填充层，所述氧化物填充层高度超过所述氮化硅存储介质层并低于所述氧化硅层表面，所述凹槽内未被所述氧化物填充层填满的部分形成填充空间，所述多晶硅层伸入所述填充空间，且将所述填充空间填满。上述新型的两位SONOS存储单元结构，其中，所述凹槽宽20-200nm。上述新型的两位SONOS存储单元结构，其中，所述氧化物填充层厚度为80-200A。上述新型的两位SONOS存储单元结构，其中，所述SONOS存储器的栅极特征线宽为 50_350nmo一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其中，具体步骤包括 步骤a、于一硅基底上依次形成隧穿氧化硅层、氮化硅存储介质层和氧化硅层；
步骤b、于所述氧化硅层表面形成沟槽，所述沟槽穿透所述氧化硅层、氮化硅层和所述隧穿氧化硅层，直至暴露所述硅基底为止；步骤c、于所述沟槽内形成氧化物填充层，所述氧化物填充层高度高于所述氮化硅存储介质层并低于所述氧化硅层表面；
步骤d、于所述氧化硅层表面形成一多晶硅层，使所述多晶硅层深入所述沟槽未被所述氧化物填充层填满的空间；
步骤e、使所述多晶硅层表面平坦，所述隧穿氧化硅层、氮化硅存储介质层、氧化硅层和多晶硅层形成复合结构；
步骤f、对所述复合结构进行刻蚀以形成SONOS存储单元的栅极。上述新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其中，所述步骤b中形成所述沟槽的方法包括如下步骤
步骤bl、于所述氧化硅层表面形成一图案化光阻材料层；
步骤132、通过所述图案化光阻材料层对所述氧化硅层进行刻蚀以形成所述沟槽。上述新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其中，所述步骤c中形成氧化物填充层的方法为炉管生长工艺。上述新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其中，所述步骤e中使所述多晶硅层表面平坦的方法为化学机械研磨。本发明的有益效果是
在不改变器件尺寸的前提下，使存储容量提高一倍，阻止了 bit间电荷横向扩散，进一步实现了准确确定每个bit的开关状态，使存储单元的每个bit数据耐久性及电荷保持性都得到改善。
图1是本发明一种新型的两位SONOS存储单元结构的结构示意图； 图2是本发明一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法的流程图3是本发明一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法的步骤a完成后的结构状态
图4是本发明一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法的步骤b完成后的结构状态
图5是本发明一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法的步骤c完成后的结构状态
图6是本发明一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法的步骤d完成后的结构状态
图7是本发明一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法的步骤e完成后的结构状态
图8是本发明一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法的步骤f完成后的结构状态图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。如图1所示，本发明一种新型的两位SONOS存储单元结构，包括SONOS存储器，SONOS存储器包括硅基底1、隧穿氧化硅层2、氮化硅存储介质层3、氧化硅层4和多晶硅层 5，隧穿氧化硅层2覆于硅基底1上，氮化硅存储介质层3覆于隧穿氧化硅层2上，氧化硅层 4覆于氮化硅存储介质层3上，多晶硅层5覆于氧化硅层4上，其中，还包括凹槽6，凹槽6 位于氧化硅层4表面，并依次穿透氧化硅层4、氮化硅存储介质层3和隧穿氧化层2直至硅基底1为止，凹槽6内有氧化物填充层7，氧化物填充层7高度超过氮化硅存储介质层3并低于氧化硅层4表面，凹槽6内未被氧化物填充层7填满的部分形成填充空间61，多晶硅层 5伸入填充空间61，且将填充空间61填满。其中凹槽6的宽度可以是20-200nm，氧化物填充层7的厚度可以是80-200A，SONOS存储器的栅极特征线宽为50-350nm，50-350nm的线宽特征可以适应多种布线尺寸的器件。本发明一种新型的两位SONOS存储单元结构的原理是穿透氧化硅层4、氮化硅存储介质层3和隧穿氧化层2的凹槽6将SONOS存储单元一分为二使得一个存储单元可以存储两位数据，且凹槽中的填充层7将凹槽6所分隔的两个单元进行物理隔绝，有效阻止了单元间的电荷横向扩散。本发明还包括一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其中，如图2所示具体步骤包括
如图3所示，步骤a、于一硅基底1上依次形成隧穿氧化硅层2、氮化硅存储介质层3和氧化硅层4 ；
如图4所示，步骤b、于所述氧化硅层表面形成沟槽6，沟槽6穿透氧化硅层4、氮化硅层3和隧穿氧化硅层2，直至暴露硅基底1为止，沟槽6使SONOS的ONO结构被分隔成两个部分，以实现两位数据存储；形成沟槽6的具体方法为首先于氧化硅层4表面形成一图案化光阻材料层，然后通过该图案化光阻材料层对氧化硅层4进行刻蚀以形成沟槽6。光阻材料层可以是光刻胶，图案化光阻材料层上的图案即所要形成的沟槽6的分布图案，该图案的形成可以采用光刻的方法。如图5所示，步骤C、于沟槽6内形成氧化物填充层7，氧化物填充层7高度高于氮化硅存储介质层3并低于氧化硅层4表面；氧化物填充层7高于氮化硅存储介质层3使的氮化硅存储介质层3被沟槽6所分隔的两部分之间实现物理隔绝，从而有效组织两部分之间的点和横向扩散。其中，形成氧化物填充层7的方法可以是炉管生长工艺，炉管生长工艺。如图6所示，步骤d、于氧化硅层4表面形成一多晶硅层5，使多晶硅层5深入沟槽 6未被氧化物填充层7填满的空间61中；
如图7所示，步骤e、使多晶硅层5表面平坦，且由隧穿氧化硅层2、氮化硅存储介质层 3、氧化硅层4和多晶硅层5形成复合结构；使多晶硅层5表面平坦的方法可以是化学机械研磨。如图8所示，步骤f、对复合结构进行刻蚀以形成SONOS存储单元的栅极。刻蚀复合结构的方法具体步骤可以是，先于复合结构表面形成一图案化光阻材料层，通过该图案化光阻材料层对复合结构进行刻蚀，使复合结构形成SONOS存储单元的栅极，且特征线宽为50-350nm，50-350nm的线宽特征可以适应多种布线尺寸的器件，使本发明的适用范围更为广泛。以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的申请专利范围，所以凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等效结构变化、利用公知的与本发明中提到具等同作用的物质进行代替，利用公知的与本发明中提到的手段方法具等同作用的手段方法进行替换，所得到的实施方式或者实施结果均包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种新型的两位SONOS存储单元结构，包括SONOS存储器，所述SONOS存储器包括硅基底、隧穿氧化硅层、氮化硅存储介质层、氧化硅层和多晶硅层，所述隧穿氧化硅层覆于所述硅基底上，所述氮化硅存储介质层覆于所述隧穿氧化硅层上，所述氧化硅层覆于所述氮化硅存储介质层上，所述多晶硅层覆于所述氧化硅层上，其特征在于，还包括凹槽，所述凹槽位于所述氧化硅层表面，并依次穿透所述氧化硅层、所述氮化硅存储介质层和隧穿氧化层直至所述硅基底为止，所述凹槽内有氧化物填充层，所述氧化物填充层高度超过所述氮化硅存储介质层并低于所述氧化硅层表面，所述凹槽内未被所述氧化物填充层填满的部分形成填充空间，所述多晶硅层伸入所述填充空间，且将所述填充空间填满。
2.如权利要求1所述新型的两位SONOS存储单元结构，其特征在于，所述凹槽宽 20-200nm。
3.如权利要求1所述新型的两位SONOS存储单元结构，其特征在于，所述氧化物填充层厚度为80-200A。
4.如权利要求1所述新型的两位SONOS存储单元结构，其特征在于，所述SONOS存储器的栅极特征线宽为50-350nm。
5.一种新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其特征在于，具体步骤包括 步骤a、于一硅基底上依次形成隧穿氧化硅层、氮化硅存储介质层和氧化硅层；步骤b、于所述氧化硅层表面形成沟槽，所述沟槽穿透所述氧化硅层、氮化硅层和所述隧穿氧化硅层，直至暴露所述硅基底为止；步骤c、于所述沟槽内形成氧化物填充层，所述氧化物填充层高度高于所述氮化硅存储介质层并低于所述氧化硅层表面；步骤d、于所述氧化硅层表面形成一多晶硅层，使所述多晶硅层深入所述沟槽未被所述氧化物填充层填满的空间；步骤e、使所述多晶硅层表面平坦，所述隧穿氧化硅层、氮化硅存储介质层、氧化硅层和多晶硅层形成复合结构；步骤f、对所述复合结构进行刻蚀以形成SONOS存储单元的栅极。
6.如权利要求5所述新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其特征在于，所述步骤 b中形成所述沟槽的方法包括如下步骤步骤bl、于所述氧化硅层表面形成一图案化光阻材料层；步骤1^2、通过所述图案化光阻材料层对所述氧化硅层进行刻蚀以形成所述沟槽。
7.如权利要求5所述新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其特征在于，所述步骤 c中形成氧化物填充层的方法为炉管生长工艺。
8.如权利要求5所述新型的两位SONOS存储单元的制备方法，其特征在于，所述步骤 e中使所述多晶硅层表面平坦的方法为化学机械研磨。
全文摘要
本发明公开了一种新型的两位SONOS存储单元结构，包括SONOS存储器，所述SONOS存储器包括硅基底、隧穿氧化硅层、氮化硅存储介质层、氧化硅层和多晶硅层，所述隧穿氧化硅层覆于所述硅基底上，所述氮化硅存储介质层覆于所述隧穿氧化硅层上，所述氧化硅层覆于所述氮化硅存储介质层上，所述多晶硅层覆于所述氧化硅层上，其中，还包括凹槽，所述凹槽位于所述氧化硅层表面。本发明的有益效果是在不改变器件尺寸的前提下，使存储容量提高一倍，阻止了bit间电荷横向扩散，进一步实现了准确确定每个bit的开关状态，使存储单元的每个bit数据耐久性及电荷保持性都得到改善。
文档编号H01L21/336GK102437197SQ20111023525
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月17日 优先权日2011年8月17日
发明者杨斌, 郭明升, 黄奕仙 申请人:上海华力微电子有限公司