TW583755B - Method for fabricating a vertical nitride read-only memory (NROM) cell - Google Patents

Description

583755 五、發明說明（l) 發明所屬之領域： ,:明係有關於一種非揮發記憶單元極其製造方法， 甘制=士關於一種垂直式氮化物唯讀記憶單元（NROM )及 其1地方法，以提高記憶單元之效能。 先前技術： f 揮發記憶體工業中，氮化物唯讀記憶單元（nr〇m W用4 ^源，西d Μ6年。此新式的非揮發記憶體技術 ' 氮化—氧化（oxide-nitride-〇xide，ΟΝΟ ) 層=閘極介電層並藉由習知之程式化及抹除之機制而建 f出母：'己憶皁元擁有兩分離之位元線。目此，氮化物唯 讀記憶單元隻位元線大小約為整個記憶單元面積之一半。 由=晶粒之尺寸大小為成本架構中的主要要素，顯然這 就疋亂化物唯讀記憶單元技術為何能具有經濟上的競 之原因。 第1圖係繪示出傳統氮化物唯讀記憶單元之結構剖面 示意圖。&記憶單元包含-秒基底丨⑽，其具有兩分離的 位元線（源極及汲極）102 ,兩位元線絕緣層1〇4係各設置 於兩位元線102之上方，且一0N0層112係設置於兩位元線 102之間的基底100上方。此〇N〇層丨12係由一底層氧化矽声 106、一氮化矽層108、及一上層氧化矽層丨1〇依序堆疊而" 成。一閘極導電層（字元線）1丨4係設置於位元線絕緣層 104及0Ν0層112上方。 在0Ν0層112中的氮化矽層Η2具有兩電荷儲存區 1 0 7, 1 09，其鄰近於位元線1〇2。兩電荷儲存區1〇7, 1〇9係 0548-8786TWF(Nl) ； 91132 ； Spin.ptd 第6頁 583755 五、發明說明（2) 在程式化記憶單元期間用以儲存電荷。當利用電荷儲存區 1 0 7私一式化左邊的位元時，左邊的位元線1〇2作為汲極並接 收一咼程式化電壓。同時，右邊的位元線1〇2係作為源極 並接地。同理:當利用電荷儲存區1〇9程式化右邊的位元 時右邊的位元線1 〇 2作為沒極並接收一高程式化電壓。 一同時，左邊的位元線1 〇 2係作為源極並接地。再者， 當讀取左邊的位元（電荷儲存區1〇7)時，左邊的位元線 102作為源極且右邊的位元線1〇2係作為汲極。同理，當讀 取右邊的位兀（電荷儲存區丨〇 9 )時，右邊的位元線1 〇 2作 ^源極且左邊的位元線丨02係作為汲極。另外，進行抹除 時，其源汲極的相對位置與進行程式化時相同。 / —為了增加A憶單元密度以提升積體電路之積集度，必 須縮小位兀線之面積或縮小〇N〇層之寬度（兩字元線之間 距）。不幸地，當縮小位元線之面積時，會提高位元線之 電阻而造成記憶裝置的操作速度降低。另一方面，若縮小 0^10層之見度，則會在程式化、抹除或讀取期間發生記憶 早兀中兩電荷儲存區相互干擾（cell disturbance)的情 形。，別是當0N0層之寬度小於1〇奈米（nm)時。亦即， =:單兀密度會文限於上述原目而無法增加積冑電路之積 集度。 發明内容： =此’本發明之目的在於提供一種新穎的垂直式 唯讀記憶單元及其製造方法，其利用溝槽側壁的基 底作為亂化物唯讀記憶單元之通道1以降低位元線之電

583755 五、發明說明（3) P且。 本發，之另一目的在於提供—種新穎的垂直式氮化物 唯讀記憶單元及其製造方法，其藉由形成垂直式的通道以 取代傳統水平式之通道’藉以防止在進行程式化、抹除或 讀取期間發生記憶單元干擾（cell disturbance)。 根據上述之目的，本發明提供一種垂直式氮化物唯讀 記憶=之製造方法。t先，提供具有至少一溝槽之基底 ，且/ a之側壁形成有一間隙壁。隨後，以間隙壁作為罩 幕以對，底f施離子植A，而|鄰近基底纟面及溝槽底部 之基底中形成作為位元線之摻雜區。接下|，在位元線上 方形成位兀線絕緣層並接著去除間隙壁。之後，順應性形 成一絕緣層於位元線絕緣層表面及溝槽側壁以作為^極 電層。最後，纟絕緣層上形成—導電層並填人溝槽以作為 字元線。 ” =據上…的’本發明提供一種垂直式氮 憶單^括：—具有至少—溝槽之基底 、複數位几線、複數位元線絕緣層、一閘極介電層及一丰 ::。：”元線係形成於鄰近基底表面及溝槽底部之基 底中，且母一位兀線上方設置有位元線絕緣層。 層係順應性地設置於溝槽側壁及位元線絕緣層表面。^ 線係3又置於閘極介電層上方並填入溝槽。 其中，為元線係藉由磷離子植入所形成且 層係藉由熱氧化法所形成。再者，閉極介電層係緣 虱化-乳化（ΟΝΟ)層’而字元線係由複晶矽所構成。

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為讓本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂， 下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下： 實施方式： 以下配合第2a到2 f圖說明本發明實施例之垂直氮化 唯讀記憶單元製造方法。首先，參照第2a圖，提供一基 底2 0 0，例如一矽晶圓。在基底2 〇 〇表面上形成一罩幕層 2〇5，其可為單層結構或數層的堆疊結構。如圖中所示， 罩幕層205較佳是由一層墊氧化矽層2〇2與一層較厚的氮化 石夕層204所組成。其中，墊氧化矽層2〇2的厚度約1〇〇埃 (A )左右，且其形成方法可為熱氧化法或是以習知的常 壓（atmospheric)或低壓化學氣相沉積法（1〇w pressure chemical vap〇r dep〇sUi〇n，LpcVD)沉積而 成在墊氧化矽層20 2之上的氮化矽層204的厚度約在1〇〇〇 到2000埃的範圍，且可利用低壓化學氣相沉積法，以二氣 f烷（SiCl^)與氨氣（㈣3)為反應原料沉積而成。接 ，，在罩幕層205表面上形成一層光阻層2〇β。之後，藉由 習知微影製程於光阻層206中形成複數開口2〇7。 曰 接下來，請參照第2b圖，藉由具有開口 207之光阻層 206作為蝕刻罩幕，對罩幕層2〇5進行非等向性蝕刻製程， 例如反應離子蝕刻（reactive i〇n etching，RIE)，以 將光阻層20 6的開口 207圖案轉移至罩幕層205中。接著， 以適當蝕刻溶液或灰化處理來去除光阻層2 〇 6之後，藉由 罩幕層205作為蝕刻罩幕，進行非等向性蝕刻製程，例如

0548-8786WF(Nl) ； 91132 ； Spin.ptd 第9頁 583755 五、發明說明（5) 反^離子蝕刻，以將罩幕層2〇5之開口下方之基底2〇〇蝕刻 至一預定深度而形成深度約為14〇〇〜160〇人之複數溝槽 2 0 8 ° ，下來，請參照第2c圖，將罩幕層2〇5剝除。其中， 剝除氮化石夕層204的方法為濕式蝕刻法，例如是以熱磷酸 (ΙΡ〇4 )為蝕刻液來浸泡而將其去除，剝除墊氧化矽層 2 〇 2的方法為濕式蝕刻法，其例如是以氫氟酸（叮）為蝕 刻液來浸泡。之後，藉由CVD法在基底2〇〇上方及溝槽2〇8 表，順應性形成一氧化矽層210 ,其厚度約1〇()埃左右。此 薄氧化矽層210係用以修補在蝕刻溝槽2〇8期間形成於基底 2〇〇中的缺陷（未繪示）。接著，在氧化矽層21〇上方順應 性沉積一氮化矽層2 11。同樣地，氮化矽層2丨j可利用低壓 化學氣相沉積法，以二氣矽烷（Sicl2H2 )與氨氣（NH3 ) 為反應原料沉積而成。 接下來，請參照第2d圖，非等向性蝕刻氮化矽層2 i i ，例如RIE，以在每一溝槽208的側壁上形成一間隙^212 。之後，利用間隙壁212作為罩幕而在溝槽2〇8的底$及基 底2 0 0表面實施一離子植入，例如使用磷離子，藉以在溝 槽208底部及鄰近基底2〇〇表面處之基底2〇〇中各形雜 區214，以作為位元線。 乡雜 接下來，請參照第2e圖，藉由熱氧化法或其他沉積技 術在每一摻雜區2 1 4上方形成位元線絕緣層2 1 6，例如氧化 矽層。位元線絕緣層2 1 6通常非常厚，用以降低位元線與 字兀線間所形成的電容值。在本實施例中，位元線絕緣層

583755 五、發明說明（6) 2 W厚度約在50 0到700埃的範圍。之後，藉由濕蝕刻依 序去除間隙壁212及氧化石夕層21〇。 蚀幻依 -維ί :…在溝槽2〇8側壁及位元線絕緣層21 6表面順應性 =:223,例如一氧化一氮化_氧化（_)層，以： 為閘極” '層。在本實施例中，此〇Ν〇層223係由一氧化 層218一氮化矽層22〇、及一氧化矽層222依序堆疊而 成，且氮化矽層220及兩氧化矽層218，222的厚度分 30〜10J)埃的範圍。再者，氧化矽層218可藉由熱氧化法形 成。氮化矽層220及氧化矽層222則可藉由CVD法形成。如 先前所述，此ΟΝΟ層223係在記憶單元進行程式化期間作為 儲存電荷之用，而電荷儲存區（未繪示）係位於溝槽2〇8 側壁上的氮化矽層220中並鄰近於溝槽208上方及底部之摻 雜區214。而不同於習之技術之處在於本發明係以溝槽2〇& 側壁之基底2 0 0作為記憶單元之通道。亦即，根據本發明 之氮化物唯讀記憶單元之製造方法，可形成一垂直式通 道，而不同於習之技術中的水平式通道。 最後’请參照第2 f圖，一導電層2 2 4，例如複晶石夕， 係形成於閘極介電層223上方並完全填入溝槽208。在本實 施例中，導電層224的厚度約在15〇〇到200 0埃的範圍且可 藉由CVD法形成。之後，可藉由化學機械研磨法 (chemical mechanic polishing，CMP)對導電層 224 進 行平坦化。接著，在導電層224上塗覆一光阻層（未繪示 )。隨後藉由習知微影及蝕刻程序，藉以定義出由導電層 2 2 4所構成之位元線’如此便完成垂直式氮化物唯讀記憶

583755 五、發明說明（7) 單元之製造，如第3圖所示，其繪示出第2f圖中垂直式氮 化物唯讀記憶單元之平面圖。 同樣地’請參照第2 f圖，其會釋出根據本發明實施例 之垂直式氮化物唯讀記憶單元之結構剖面示意圖。此記憶 單元包含一具有複數溝槽2〇8之基底2〇〇，及形成於鄰近基 底20 0表面及溝槽2〇8底部之基底2〇〇中的複數位元線21 4。 在本實施例中，溝槽208的深度約在1 400到1 60 0埃的範 圍。再者’位元線2 1 4係藉由林離子植入所形成。複數位 兀線絕緣層2 1 6係設置於每一位元線2丨4上方，其厚度約在 50 0到700埃的範圍。一閘極介電層223，例如由一氧化矽 層218、一氮化矽層220、及一氧化矽層222依序堆疊而成 之ΟΝΟ結構，順應性地設置於溝槽2 〇 8側壁及位元線絕緣層 2 1 6表面上。一子元線2 2 4，例如由複晶矽所構成，係設置 於閘極介電層223上並填入溝槽2〇8中。 相較於習知技術，本發明之氮化物唯讀記憶單元具有 一垂直式通道，其可調整出適當的通道長度來防止發生記 憶單元干擾，如先前所述。亦即，通道的長度係取^於溝 槽之深度。只要溝槽的深度夠深，就可避免記憶單元干擾 的情形。再者，由於氮化物唯讀記憶單元的通道位於溝槽 側壁之基底中，因此整個基底平面可供離子植入來形成位 元線之用。亦即，可增加位元線的面積而減少其電阻，藉 以增加氮化物唯讀記憶單元之操作速度。因此，根據本發 明之垂直式氮化物唯讀記憶單元及其製造方法，可提其之 效能。

0548-8786TWF(Nl); 91132 ； Spin.ptd 第12頁 583755 五、發明說明（8) 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍内，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍 當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

0548-8786TWF(Nl) ； 91132 ； Spin.ptd 第13頁 583755 圖式簡單說明 第1圖係繪示出傳統氮化物唯讀記憶單元之結構剖面 示意圖。 第2a到2 f圖係繪示出根據本發明實施例之垂直氮化物 唯讀記憶單元製造方法之剖面示意圖。 第3圖係繪示出第2 f圖中垂直式氮化物唯讀記憶單元 之平面圖。 [符號說明] 100、200〜基底； 1 0 2、2 1 4〜位元線； 1 0 4、2 1 6〜位元線絕緣層； 106、 110、210、218、222〜氧化矽層； 107、 109〜電荷儲存區； 108、 204、211、220 〜氮化矽層； 112 、 223〜ΟΝΟ 層； 114、224〜字元線； 2 0 2〜墊氧化矽層； 205〜罩幕層； 2 0 6〜光阻層； 207〜開口； 208〜溝槽； 2 1 2〜間隙壁。

0548-8786TWF(Nl) ； 91132 ； Spin.ptd 第14頁

Claims (1)

1. 583755 六、申請專利範圍 一" ^ 1· 一種垂直式氮化物唯讀記憶單元之製造方法，包括 下列步驟： 提供一基底，該基底具有至少一溝槽； 在鄰近該基底表面及該溝槽底部之該基底中各形成_ 摻雜區以作為位元線； 在母一遠等摻雜區上方各形成一位元線絕緣層； 在該溝槽的側壁及該等位元線絕緣層表面順應性形成 一絕緣層以作為閘極介電層；以及 在該絕緣層上方形成一導電層並填入該溝槽。 2·如申請專利範圍第1項所述之垂直式氮化物唯讀記 憶單元之製造方法，其中該溝槽之深度在14〇〇到16〇〇埃的 範圍。 3·如申請專利範圍第1項所述之垂直式氮化物唯讀記 憶單元之製造方法，其中形成該摻雜區更包括下列步驟： 在該溝槽側壁形成一間隙壁；以及 利用該間隙壁作為一罩幕而對該基底實施一離子植入 程序。 4·如申請專利範圍第3項所述之垂直式氮化物唯讀記 憶單元之製造方法，其中該間隙壁係由氮化石夕所構成。 5 ·如申請專利範圍第3項所述之垂直式氮化物唯讀記 憶單元之製造方法，其中藉由磷來實施該離子植入。 6 ·如申請專利範圍第3項所述之垂直式氮化物唯讀記 憶早元之製造方法，其中更包推在形成該絕緣層之前去除 該間隙壁之步驟。

   583755 六、申請專利範圍 7」如申請專利範圍第丨項所述之垂直式氮化物唯讀記 早70之製造方法，其中藉由熱氧化法形成該等位元線絕 緣層。 时8·如申請專利範圍第1項所述之垂直式氮化物唯讀記 隱單元之製造方法，其中該等位元線絕緣層的厚度在5 〇 〇 到7 0 0埃的範圍。 9 ·如申請專利範圍第1項所述之垂直式氮化物唯讀記 憶單元之製造方法，其中該絕緣層係一氧化一氮化一氧化 層。 I 0 ·如申請專利範圍第1項所述之垂直式氮化物唯讀記 憶單元之製造方法，其中該導電層係一複晶矽層。 II · 一種垂直式氮化物唯讀記憶單元，包括： 一基底，該基底具有至少一溝槽； 複數位元線，形成於鄰近該基底表面及該溝槽底部之 該基底中； 一 複數位元線絕緣層，設置於每一該等位元線上方； 一閘極介電層，順應性地設置於該溝槽側壁及該等位 元線絕緣層表面；以及 一字元線，設置於該閘極介電層上方並填入該溝槽。 1 2 ·如申請專利範圍第i丨項所述之垂直式氮化物唯讀 記憶单元’其中該溝槽之深度在1 4 〇 〇到1 6 0 0埃的範圍。 1 3 ·如申請專利範圍第11項所述之垂直式氮化物唯讀 記憶單元，其令該等位元線係藉由構離子植入所形成。 1 4 ·如申讀專利範圍第11項所述之垂直式氮化物唯讀

   0548-8786TWF(Nl) ： 91132 ； Spin.ptd 第16頁 583755 六、申請專利範圍 5己憶單元，其中該等位元線絕緣層係藉由熱氧化法所形 成。 1 5·如申請專利範圍第丨丨項所述之垂直式氮化物唯讀 記憶單元，其中該等位元線絕緣層的厚度在500到700埃的 範圍。 1 6 ·如申請專利範圍第1丨項所述之垂直式氮化物唯讀 5己憶單元，其中該閘極介電層係/氧化—氮化一氧化層。 1 7.如申請專利範圍第丨丨項所述之垂直式氮化物唯讀 冗憶單元，其中該字元線係由複晶矽所構成。

   0548-8786TWF(Nl) ： 91132 ； Spin.ptd 第17頁