非挥发性存储单元及其制造方法技术

本发明专利技术公开一种非挥发性存储单元及其制造方法，此存储单元至少是由衬底、栅极、第一源极／漏极区、复合介电层、第二源极／漏极区所构成。其中，衬底具有一沟槽；栅极位于沟槽中；第一源极／漏极区位于沟槽底部；复合介电层位于栅极与沟槽表面之间，且复合介电层至少包括电荷陷阱层；第二源极／漏极区位于栅极两侧的衬底中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体存储元件，且特别涉及一种非挥发性存储单元(non-volatile memory cell)及其制造方法。
技术介绍
在各种非挥发性存储器产品中，具有可进行多次数据的存入、读取、抹除等动作，且存入的数据在断电后也不会消失的优点的可电抹除且可编程只读存储器(EEPROM)，已成为个人计算机和电子设备所广泛采用的一种存储元件。典型的可电抹除且可编程只读存储器是以掺杂的多晶硅(polysilicon)制作浮置栅极(floating gate)与控制栅极(control gate)。当存储器进行程序化(program)时，注入浮置栅极的电子会均匀分布于整个多晶硅浮置栅极层之中。然而，当多晶硅浮置栅极层下方的隧穿氧化层(tunneling oxide)有缺陷存在时，就容易造成元件的漏电流，影响元件的可靠度。因此，为了解决可电抹除可编程只读存储器元件漏电流的问题，目前的方法是采用一电荷陷阱层(charge trapping layer)取代现有存储器的多晶硅浮置栅极，此电荷陷阱层的材质例如是氮化硅。这种氮化硅电荷陷阱层上下通常各有一层氧化硅，而形成一种包含氧化硅/氮化硅/氧化硅(oxide-nitride-oxide，简称ONO)层所构成的堆栈式结构(stacked structure)，具有此堆栈式栅极结构的只读存储器可称为硅/氧化硅/氮化硅/氧化硅/硅(silicon-oxide-nitride-oxide-silicon，简称SONOS)存储元件。图1所绘示为现有的一种SONOS存储单元的剖面示意图。请参照图1，SONOS存储单元包括基板100、由氧化硅102a/氮化硅102b/氧化硅102c构成的复合介电层102、控制栅极104、漏极区106a、源极区106b。其中，氧化硅102a/氮化硅102b/氧化硅102c复合介电层102以及控制栅极104依序配置于基板100上，且形成一堆栈式栅极结构108。此外，沟道区110配置于堆栈式栅极结构108下方的衬底100中，而漏极区106a、源极区106b配置于堆栈式栅极结构108两侧的衬底100中。然而，随着集成电路正以更高的集成度朝向小型化的元件发展，上述SONOS存储单元的尺寸可藉由减小控制栅极长度方式来达成。但是，栅极长度变小会缩短了氧化层102a下方的沟道110长度(Channel Length)，于是在程序化此存储单元时，漏极区与源极区之间就容易发生不正常的电性贯通(Punch Through)，如此将严重影响此存储单元的电性能。而且，SONOS存储单元的沟道宽度104a对储存效率有很大的影响；即栅极宽度104a的尺寸缩小，使得其储存效率受到影响而变差。此外，在存储器的制造过程中，微影工艺也会有所谓关键尺寸的问题，而限制存储单元尺寸的缩小。所以目前要如何在元件小型化的趋势下，增加SONOS存储单元的耦合率，进而提高其储存效率，将是各界研究的重点之一。另外，由于计算机应用软件的逐渐庞大，因此所需的存储器容量也就愈来愈大，对于这种尺寸变小而存储器容量却需要增加的情形，显示现有的SONOS存储单元的结构与制造方法必须有所改变，以符合趋势所需。因此，在深亚微米的工艺中，如何在有限的空间中保持原有的记忆容量，甚至加大原有的记忆容量也是存储器元件的工艺所关心的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种非挥发性存储单元的制造方法，以配合元件小型化的发展制作出较高耦合率的非挥发性存储单元。本专利技术的再一目的是提供一种非挥发性存储单元，以有效缩小元件尺寸，而增加元件集成度，并且增加非挥发性存储单元的耦合率，进而提高其储存效率。本专利技术提出一种非挥发性存储单元，此存储单元至少是由衬底、栅极、第一源极/漏极区、复合介电层、第二源极/漏极区所构成。其中，衬底具有一沟槽；栅极位于沟槽中；第一源极/漏极区位于沟槽底部；复合介电层位于栅极与沟槽表面之间，且复合介电层至少包括电荷陷阱层；第二源极/漏极区位于栅极两侧的衬底中。。在上述的非挥发性存储单元中，复合介电层至少是由底介电层、电荷陷阱层与顶介电层所构成，且复合介电层包括氧化硅/氮化硅/氧化硅层。由上述可知，本专利技术的非挥发存储单元的复合介电层(介电层/电荷陷阱层/介电层)与栅极是设置在衬底的沟槽中，且源极/漏极区是设置在沟槽底部与顶部的衬底中，因此存储单元的沟道区是设置于沟槽侧壁的衬底中(垂直式沟道区)，可以藉由控制沟槽的深度准确地控制沟道长度，进而能避免元件尺寸缩小时所产生的问题，而能够增加元件集成度。本专利技术提供一种非挥发性存储单元的制造方法，首先提供一衬底。于衬底中形成沟槽后，于沟槽底部形成第一源极/漏极区。接着，于沟槽中形成复合介电层，此复合介电层至少包括电荷陷阱层。之后，于复合介电层上形成栅极，并于栅极两侧的衬底中形成第二源极/漏极区。本专利技术将复合介电层与栅极形成于衬底的沟槽中，且源极/漏极区是设置在沟槽底部与顶部的衬底中，因此存储单元的沟道区是形成于沟槽侧壁的衬底中(垂直式沟道区)，可以藉由控制沟槽的深度准确地控制沟道长度，进而能避免元件尺寸缩小时所产生的问题，而能够增加元件集成度。而且，由于复合介电层(介电层/电荷陷阱层/介电层)与栅极形成于衬底的沟槽中，类似两个元件并联，故在同样的元件尺寸与线宽下，能增加其有效沟道长度，进而提高存储单元电流，使其更易判断存储单元的「0」或「1」状态。此外，本专利技术的非挥发性存储器的工艺简单，属于单一多晶硅工艺(single poly process)，而可以与互补式金属氧化物半导体工艺相配合。为让本专利技术的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。附图说明图1所绘示为现有的硅/氧化硅/氮化硅/氧化硅/硅存储单元的剖面图；图2A是依照本专利技术的优选实施例的非挥发性存储单元的结构俯视图；图2B至图2C是依照本专利技术的优选实施例的一种非挥发性存储单元的结构剖面图；图3是本专利技术的非挥发性存储单元的电路简图；图4A与图4B所绘示为本专利技术非挥发性存储单元的程序化/读取示意图；图5A至图5F是依照本专利技术的一优选实施例的一种非挥发性存储单元的制造流程剖面图；图6A至图6D是依照本专利技术的另一优选实施例的一种非挥发性存储单元的制造流程剖面图。附图标记说明 100、200、300衬底 102、210、310、310a复合介电层102a、102c 氧化层102b 氮化层104、208、318栅极 104a 栅极宽度106a、206、214、308、326 源极/漏极区108 堆栈式栅极202、306 沟槽204、402 元件隔离结构 210a、312 顶介电层210b、314电荷陷阱层210c、316 底介电层212、322 间隙壁214a、320 轻掺杂区214b、324重掺杂区 216、328 内层介电层218、330 插塞 220、332 导线302 垫氧化层 304掩模层305 开口具体实施方式图2A所绘示为本专利技术一优选实施例的一种非挥发性存储单元的俯视图。图2B所绘示为本专利技术一优选实施例的一种非挥发性存储单元的剖面示意图，且其是图2A沿A-A’的剖面示意图。请同时参照本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非挥发性存储单元，包括：一衬底，该衬底具有一沟槽；一栅极，位于该沟槽中；　一第一源极／漏极区，位于该沟槽底部；一复合介电层，位于该栅极与该沟槽表面之间，该复合介电层至少包括一电荷陷阱层；以及一第二 源极／漏极区，位于该栅极两侧的该衬底中。

【技术特征摘要】
1.一种非挥发性存储单元，包括一衬底，该衬底具有一沟槽；一栅极，位于该沟槽中；一第一源极/漏极区，位于该沟槽底部；一复合介电层，位于该栅极与该沟槽表面之间，该复合介电层至少包括一电荷陷阱层；以及一第二源极/漏极区，位于该栅极两侧的该衬底中。2.如权利要求1所述的非挥发性存储单元，其中该栅极填满该沟槽。3.如权利要求1所述的非挥发性存储单元，其中该栅极填满该沟槽，且突出该衬底表面。4.如权利要求1所述的非挥发性存储单元，其中该栅极还包括延伸于该沟槽外的部分该衬底上。5.如权利要求4所述的非挥发性存储单元，其中该复合介电层还包括位于该栅极与该衬底之间。6.如权利要求1所述的非挥发性存储单元，其中该复合介电层包括一底氧化层，位于该栅极与该沟槽表面之间；该电荷陷阱层，位于该栅极与该底氧化层之间；以及一顶氧化层，位于该栅极与该电荷陷阱层之间。7.如权利要求1所述的非挥发性存储单元，还包括一间隙壁，位于该栅极的侧壁。8.如权利要求7所述的非挥发性存储单元，还包括一轻掺杂区域，位于该间隙壁下方的该衬底中。9.如权利要求1所述的非挥发性存储单元，其中该栅极的材质包括多晶硅。10.如权利要求1所述的非挥发性存储单元，其中该复合介电层包括氧化硅/氮化硅/氧化硅层。11.一种非挥发性存储单元的制造方法，包括提供一衬底；于该衬底中形成一沟槽；于该沟槽底部形成一第一源极/漏极区；于该沟槽中形成一复合介电层，该复合介电层至少包括一电荷陷阱层；于该复合介电层上形成一栅极；以及于该栅极两侧的该衬底中形成一第二源极/漏极区。12.如权利要求11所述的非挥发性存储单元的制造方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张格荥，黄丘宗，
申请(专利权)人：力晶半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]