专利名称：一种双位元快速存储器结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种双位元(twin bit cell)快速存储器(flash memorydevices)结构及其制造方法。
背景技术：
只读存储器(Read only memory，ROM)元件是一种用来储存数据的半导体元件，由多个存储单元(memory cell)所组成，如今已广泛应用于计算机的数据储存。一般根据数据储存方式，可将只读存储器分为罩幕式只读存储器(Mask ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable programmable ROM，EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically erasable programmableROM，EEPROM)等数种。
不同于其他只读存储器使用多晶硅或金属的浮动栅极储存电荷，氮化物只读存储器(nitride read only memory，NROM)的主要特征为使用氮化硅的绝缘介电层作为电荷储存介质(charge trapping medium)。由于氮化硅层具有高度的致密性，因此可使经由MOS晶体管隧穿(tunneling)进入至氮化硅层中的热电子陷于(trap)其中，进而形成一非均匀的浓度分布，以加快读取数据速度并避免漏电流。
请参考图1至图4，图1至图4为已知制造氮化物只读存储器的方法示意图。如图1所示，已知制造氮化物只读存储器的方法是先提供一包含有P型硅基底(silicon base)12的半导体芯片10，接着利用一温度范围750℃～1000℃的氧化制程来形成一50～150埃(angstrom，A)的氧化层于硅基底12表面，用来当作底氧化层14。随后进行一低压气相沉积(low pressure vapor deposition，LPCVD)制程，在底氧化层14表面沉积一厚度为20～150埃(A)的氮化硅层16，当作滞留电子层(chargetrapping layer)。最后再在950℃的高温环境中，进行一回火制程30分钟以修补氮化硅层16的结构，并通入水蒸气以进行湿式氧化而在氮化硅层16表面形成一厚度为50～150埃()的含氧硅化物(silicon oxy～nitride)层，作为上氧化层18。其中，形成在硅基底12表面上的底氧化层14、氮化硅层16以及上氧化层18，合称为ONO层20。
然后如图2所示，在ONO层20表面形成一光阻层(未示出)，并进行一黄光制程以及蚀刻制程，在光阻层中形成图案用来定义位线(bitline)的位置。接下来利用光阻层的图案作为掩模(mask)22，进行一干蚀刻制程以去除未被掩模22覆盖的上氧化层18以及氮化硅层16，并蚀刻部分的底氧化层14至一预定厚度。随后进行一砷(arsenic)离子布植制程，布植离子浓度为2～4′1015/cm2，能量为50Kev，以在硅基底12中形成多个掺杂区，以作为存储器的位线24，或者称为埋藏式漏极(burieddrain)。然后将掩模22完全去除。
如图3所示，利用一热氧化法(thermal oxidation)在位线24上方表面形成一场氧化层26，作为各氮化硅层16之间的隔离，同时利用该热氧化制程的温度活化各位线24中的掺质。最后如图4所示，在ONO层20表面沉积一多晶硅层或多晶硅化金属层(polysilicide)，作为字线28。
由于氮化物只读存储器是以该滞留电子层(charge trapping layer)作为电荷储存介质，因此在进行写入程序时，热电子会依射入能量不同而在该滞留电子层中形成一分布曲线，并且容易发生电子二次入射(electron secondary injection)而形成尾状电子分布(electron tail)以及电荷广域分布(wider charge distribution)。所以在后续进行擦除程序时，电洞射入该滞留电子层后的分布曲线无法与电子的分布曲线完全重叠，因而会造成电洞无法与电子完全结合(recombine)，进而造成擦除不完全或所需擦除时间较长的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双位元快速存储器元件结构，以增加存储单元密度(memory cell density)并可解决已知氮化物只读存储器擦除不完全的问题。
本发明的另一目的在于提供一种快速存储器元件的制造方法，以制造一种高集成度的双位元快速存储器元件，同时可以避免擦除不完全的问题以及增加数据保存(data retention)的可靠度(reliability)。
在本发明的最佳实施例中，是先在一硅基底表面形成一栅极氧化层，然后在该栅极氧化层表面形成一多晶锗化硅(polysilicongermanium，Si1-xGex，x＝0.05～1.0)层。随后进行一离子布植制程，在该多晶锗化硅层中形成至少一绝缘区域，以分隔该多晶锗化硅层成两个相互不连续的导电区域，形成一双位元结构。接着在该多晶锗化硅层表面形成一介电层，并进行一黄光暨蚀刻制程以蚀刻部分的该介电层以及该多晶锗化硅层，形成该浮动栅极。最后在该浮动栅极上形成一控制栅极。
由于本发明是以一导电层作为滞留电子层，并利用一氧化区域将其分隔成两个相互不电连接的电子捕获区域，因此两区域可分别进行储存与读取的操作而形成一双位元结构，同时由于该二个电子捕获区域是由多晶锗化硅的导电层所构成，所以电子与电洞的结合效率(combinationefficiency)很高，因此可以避免擦除不完全的问题以及增加数据保存(data retention)的可靠度(reliability)。
图1至图4为已知制造氮化物只读存储器的方法示意图；图5至图8为本发明制造双位元快速存储单元的方法示意图；和图9为本发明的双位元快速存储单元的剖面结构示意图。
具体实施例方式
请参考图5至图8，图5至图8为一本发明制造的双位元快速存储单元的方法示意图。如图5所示，本发明的双位元快速存储单元的制造方法是先提供一包含有P型硅基底(silicon base)82的半导体芯片80，接着经高温氧化(high temperature oxidation)形成50～150埃(angstrom，)的氧化硅层在基底82表面，用来当作栅极氧化层84。随后进行一通入有硅甲烷(silane，SiH4)、锗烷(germane，GeH4)和氢气(hydrogen)且沉积温度介于450℃～620℃间的化学气相沉积(chemicalvapor deposition，CVD)制程，以在栅极氧化层84表面沉积一厚度为500～1000埃()的多晶锗化硅(polysilicon germanium，Si1-xGex，x＝0.05～1.0)层作为导电层86。
然后在导电层86表面形成一光阻层88，并在光阻层88中定义出导电层86中的绝缘区域87位置的图案，接着进行一布植能量约为20～80KeV且离子布植剂量约为1～2×1018/cm2的离子布植制程，以将一高浓度氧掺质(oxygen dopant)或高浓度氮掺质(nitrogen dopant)植入导电层86中。随后进行一温度约为950℃～1150℃的高温回火制程(hightemperature annealing)，使植入导电层86中的掺质与导电层86的多晶锗化硅反应，形成一由二氧化硅或氮硅化合物构成的绝缘区域87，以将导电层86分隔成至少二个相互不邻接的导电区域。其中该高温回火制程亦可取代以一后续形成该存储器的源极与漏极时的高温驱入(drivingin)制程，以在形成该源极与漏极的同时来促使植入导电层86中的掺质与导电层86的多晶锗化硅反应，形成绝缘区域87，进而降低半导体制程的热预算。
接着如图6所示，在导电层86表面形成一厚度为50～150埃(A)的氧化硅层作为介电层90。随后于介电层90表面形成一图案化的光阻层94，以定义出该快速存储器的浮动栅极(floating gate)95的图案，且每一浮动栅极95均包含有二个相互不邻接的导电区域70。然后利用光阻层94的图案当作硬罩幕(hard mask)，蚀刻部分的介电层90以及导电层86，以形成多个浮动栅极95。随后进行一砷(arsenic)离子布植制程，布植离子浓度为2～4′1015/cm2，能量为50Kev，以在硅基底82中形成多个掺杂区，作为存储器的位线96。然后将光阻层94完全去除。在本发明的另一实施例中，介电层90亦可以在沉积多晶锗化硅导电层86时，便直接形成在多晶锗化硅导电层86之上，然后再进行离子布植制程，以形成绝缘区域87。
如图7所示，接着进行一热氧化法(thermal oxidation)，以在位线96表面上形成一场氧化层97，作为各导电层86之间的隔离，而且该热氧化制程的高温也会同时活化各位线96中的掺质。在本发明的第三实施例中，介电层90亦可以在多晶锗化硅导电层86、绝缘区域87以及浮动栅极95依序形成后，再藉由形成场氧化层97的该热氧化制程同时氧化多晶锗化硅层86表面而形成。此外，该热氧化制程亦在各导电层86裸露的侧壁表面形成一氧化层99。
最后再在浮动栅极95表面沉积一多晶硅层或多晶硅化金属层(polysilicide)，作为字线98。其中，字线98是横向排列在半导体芯片80表面，并与位线96形成一几近垂直的上下重叠排列相对关系，如图8所示。
请参考图9，图9为本发明的双位元快速存储单元100的剖面结构示意图。双位元快速存储单元100包含有一堆叠栅极101、一源极103以及漏极105，同时源极103与漏极105间的基底82表面有一通道(channel)107。堆叠栅极101是由一栅极氧化层(gate oxide layer)84、一导电层86、一介电层90以及一控制栅极91由下至上堆叠在通道107表面。控制栅极91是字线98中与浮动栅极95上下重叠的部分。导电层86中还包含一绝缘区域87，以将导电层86分隔成两个相互不电连接的导电区域70，形成双位元结构。而各导电层86裸露的侧壁表面亦可选择性地形成一氧化层99，以避免各导电层86直接与字线98相接触。其中各导电区域70均是一捕捉电子层(charge trapping layer)，用来接收并保留射入该导电区域的电子，以分别形成一位(bit)。
如图9所示的双位元快速存储单元100，其中导电层86是由一化学组成为Si1-xGex，x＝0.05～1.0的多晶锗化硅层所组成。绝缘区域87则是利用一布植剂量约为1～2×1018/cm2且布植能量约为20～80KeV的氧离子布植制程植入高浓度氧掺质于该多晶硅锗化层中，并藉由一温度约为950℃～1150℃的高温回火制程(high temperature annealing)反应而形成。此外，绝缘区域87亦可利用一高浓度氮掺质(nitrogen dopant)植入该多晶锗化硅层中，并藉由一热制程反应而成。
由于本发明提供的双位元快速存储器的结构，是利用一导电层作为滞留电子层并在该导电层中形成一绝缘区域，以将其分隔成两个相互不电连接的电子捕获区域，所以两区域可分别进行储存与读取的操作，而形成一双位元结构。
相较于已知制造的氮化物只读存储器，本发明提供了一种双位元快速存储器结构，在不需要缩小制程线宽的条件下，即可相对增加存储器元件的集成度，不但可避免已知利用光学微影制程以及光阻层定义浮动栅极位置时，容易发生误对准(misalingnment)而导致成品合格率降低的问题。另一方面，由多晶锗化硅构成的导电层可以增加活性掺质浓度(active dopant concentration)，进而降低因多晶空乏效应(polydepletion effect)所导致栅极传递讯号的延迟，同时电子与电洞在该多晶锗化硅导电层内的结合效率(combination efficiency)很高，因此可以避免擦除不完全的问题以及增加数据保存(data retention)的可靠度(reliability)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，均应属本发明权利要求的涵盖范围。
权利要求
1.一种制造双位元快速存储器的方法，该方法包含有下列步骤提供一硅基底；在该硅基底表面形成一栅极氧化层；在该栅极氧化层表面形成一多晶锗化硅层；进行一离子布植制程，在该多晶锗化硅层中形成至少一绝缘区域，以分隔该多晶锗化硅层成两个相互不连续的导电区域，形成一双位元结构；在该多晶锗化硅层表面形成一介电层；在该介电层表面形成一图案化的浮动栅极；以及在该浮动栅极上形成一控制栅极。
2.如权利要求1所述的方法，其中该多晶锗化硅层是利用一通入有硅甲烷、锗烷和氢气且沉积温度介于450℃～620℃间的化学气相沉积所形成。
3.如权利要求1所述的方法，还包含有一950℃～1150℃的高温回火制程，以扩散该离子布植制程所布植的离子，形成该绝缘区域。
4.如权利要求1所述的方法，其中该多晶锗化硅层的化学组成为Si1-xGex，x＝0.05～1.0。
5.如权利要求1所述的方法，其中在形成各该浮动栅极之后，还包含一离子布植制程以及一热氧化制程，以形成该双位元快速存储器的位线，并在该位线表面形成一场氧化层，作为各该浮动栅极之间的隔离。
6.如权利要求5所述的方法，其中该热氧化制程亦在各该导电区域裸露的侧壁表面形成一氧化层。
7.一种制造双位元快速存储器的方法，该方法包含有下列步骤提供一硅基底；在该硅基底表面形成一栅极氧化层；在该栅极氧化层表面形成一多晶锗化硅层；在该多晶锗化硅层表面形成一介电层；进行一离子布植制程，在该多晶锗化硅层中形成至少一绝缘区域，以分隔该多晶锗化硅层成两个相互不连续的导电区域，形成一双位元结构；在该介电层表面形成一图案化的浮动栅极；以及在该浮动栅极上形成一控制栅极。
8.如权利要求7所述的方法，其中该多晶锗化硅层的化学组成为Si1-xGex，x＝0.05～1.0。
9.如权利要求7所述的方法，其中该多晶锗化硅层是利用一通入有硅甲烷、锗烷和氢气且沉积温度介于450℃～620℃间的化学气相沉积所形成。
10.如权利要求7所述的方法，另包含有一950℃～1150℃的高温回火制程，以扩散该离子布植制程所布植的离子，形成该绝缘区域。
11.如权利要求7所述的方法，其中在形成各该浮动栅极之后，还包含一离子布植制程以及一热氧化制程，以形成该双位元快速存储器的位线，并在该位线表面形成一场氧化层，作为各该浮动栅极之间的隔离。
12.如权利要求11所述的方法，其中该热氧化制程亦在各该导电区域裸露的侧壁表面形成一氧化层。
13.一种制造双位元快速存储器的方法，该方法包含有下列步骤提供一硅基底；在该硅基底表面形成一栅极氧化层；在该栅极氧化层表面形成一多晶锗化硅层；进行一离子布植制程，在该多晶锗化硅层中形成至少一绝缘区域，以分隔该多晶锗化硅层成两个相互不连续的导电区域，形成一双位元结构；在该多晶锗化硅层形成一图案化的浮动栅极；进行一离子布植制程，以在该硅基底中形成多个掺杂区，作为该快速存储器的位线；进行一热氧化制程，以在该位线表面形成一场氧化层，作为各该浮动栅极之间的隔离；以及在该浮动栅极上形成一控制栅极。
14.如权利要求13所述的方法，其中该多晶锗化硅层的化学组成为Si1-xGex，x＝0.05～1.0。
15.如权利要求13所述的方法，其中该多晶锗化硅层是利用一通入有硅甲烷、锗烷和氢气且沉积温度介于450℃～620℃间的化学气相沉积所形成。
16.如权利要求13所述的方法，另包含有一950℃～1150℃的高温回火制程，以扩散该离子布植制程所布植的离子，形成该绝缘区域。
17.如权利要求13所述的方法，其中该热氧化制程亦在各该导电区域裸露的侧壁表面形成一氧化层。
18.一种双位元快速存储器，其包含有一半导体基底；一源极以及一漏极，设于该半导体基底的一预定区域，且该漏极与该源极分隔一预定距离；一通道，设于该源极与该漏极间的该半导体基底表面；一第一介电层，覆盖在该通道表面；一多晶锗化硅层，形成并覆盖在该第一介电层表面，且该多晶锗化硅层中还包含一绝缘区域，以将该多晶锗化硅层分隔成两个相互不电连接的导电区域，形成该双位元；一第二介电层，形成并覆盖在该多晶锗化硅层表面；以及一栅极，形成并覆盖在该第二介电层表面；其中各该导电区域是一滞留电子层，用来接收并保留射入该导电区域的电子，以分别形成一位。
19.如权利要求18所述的快速存储器，其中该半导体基底是一P型基底，且该源极与漏极是一N型掺杂区域。
20.如权利要求18所述的快速存储器，其中该半导体基底是一N型基底，且该源极与漏极是一P型掺杂区域。
21.如权利要求18所述的快速存储器，其中该多晶锗化硅层的化学组成为Si1-xGex，x＝0.05～1.0。
22.如权利要求18所述的快速存储器，该绝缘区域则是由一高浓度氧掺质植入该多晶锗化硅层中，并藉由一热制程反应而成的。
23.如权利要求22所述的快速存储器，其中该高浓度氧掺质是利用一氧离子布植制程所形成的，且该布植剂量约为1～2×1018/cm2，布植能量约为20～80KeV。
24.如权利要求2所述的快速存储器，其中该热制程是一温度约为950℃～1150℃的高温回火制程。
25.如权利要求18所述的快速存储器，该绝缘区域则是由一高浓度氮掺质植入该多晶锗化硅层中，并藉由一热制程反应而成的。
26.如权利要求18所述的快速存储器，其中各该导电区域裸露的侧壁表面还形成一氧化层。
全文摘要
本发明是提供一种双位元快速存储器结构及其制造方法。该方法是先在一硅基底表面形成一栅极氧化层，然后在该栅极氧化层表面形成一多晶锗化硅层。随后进行一离子布植制程，在该多晶锗化硅层中形成至少一绝缘区域，以分隔该多晶锗化硅层成两个相互不连续的导电区域，形成一双位元结构。接着在该多晶锗化硅层表面形成一介电层，并进行一黄光暨蚀刻制程以蚀刻部分的该介电层以及该多晶锗化硅层，形成该双位元快速存储器的浮动栅极。最后在该浮动栅极上形成一控制栅极。
文档编号H01L21/70GK1420549SQ01130310
公开日2003年5月28日 申请日期2001年11月20日 优先权日2001年11月20日
发明者张国华 申请人:旺宏电子股份有限公司