非挥发性存储器元件及其制造方法与流程

1.本发明涉及一种非挥发性存储器技术，且特别是涉及一种非挥发性存储器元件及其制造方法。


背景技术：

2.非挥发性存储器元件可进行多次数据的存入、读取与抹除等操作，且具有当电源供应中断时，存储的数据不会消失、数据存取时间短以及低消耗功率等优点，所以已成为目前广泛应用于各种电子产品的存储器元件。而多次可编程(mtp)存储器元件因为可多次更改其存取状态，所以已成为目前研究的重点之一。
3.为了配合元件尺寸的小型化，目前已发展出几种新型态的mtp存储器元件，例如根据元件设计提升浮动栅极与控制栅极的电压耦合率(coupling ratio)，使存储器元件的编程/抹除效率提升。
4.然而，因为提升浮动栅极与控制栅极的电压耦合率的方式大多是增加浮动栅极与控制栅极之间的耦合面积，所以往往需要进行大面积的等离子体蚀刻制作工艺，来制作出所需的线路图案，而等离子体本身具为高能量的粒子和带电的离子电子，所以对存储器元件的可靠度造成影响。例如具有金属-氧化物-金属(mom)电容器结构的存储器元件中有大面积的金属线路连至浮动栅极，所以在等离子体蚀刻金属线路期间，大量的电荷会累积到浮动栅极，发生所谓的天线效应(antenna effect)并使栅极氧化层被破坏，导致产品良率降低及可靠度衰退的问题。当元件的尺寸及栅极氧化层的厚度愈来愈小时，上述问题将更趋严重。


技术实现要素：

5.本发明提供一种非挥发性存储器元件的制造方法，能解决因天线效应导致的产品良率降低及可靠度衰退的问题。
6.本发明另提供一种非挥发性存储器元件，具有高浮动栅极与控制栅极间的电压耦合率，并可改善产品良率及元件可靠度。
7.本发明的非挥发性存储器元件的制造方法，包括在基底内形成定义出主动区域的元件隔离结构；在所述主动(有源)区域内的所述基底上形成浮动栅极；在所述基底上形成内层介电(inner layer dielectric,ild)层，覆盖所述浮动栅极与所述元件隔离结构；在所述内层介电层内形成浮动栅极接触窗，接触所述浮动栅极；以及在所述内层介电(ild)层上形成内连线结构，其中所述内连线结构包括交替堆叠的多层金属层与多层金属层间介电(inter metal dielectric,imd)层以及连接上下金属层的多个介层窗。所述制造方法的特征在于：在形成所述内层介电层之后，在元件隔离结构上方的内层介电层与金属层间介电层中的至少一层内，同时形成第一梳型接触窗作为浮动栅极延伸部以及第二梳型接触窗作为控制栅极；而且，在形成所述内连线结构期间，同时形成电连接浮动栅极延伸部至浮动栅极接触窗的结构。
8.在本发明的一实施例中，上述第一梳型接触窗以及上述第二梳型接触窗是与上述浮动栅极接触窗同时形成。
9.在本发明的一实施例中，上述第一梳型接触窗以及上述第二梳型接触窗是与上述多个介层窗中的至少一个同时形成。
10.在本发明的一实施例中，上述制造方法还可包括于金属层间介电层中的至少一层内形成第一梳型金属结构与第二梳型金属结构，并在形成所述内连线结构期间，形成电连接上述浮动栅极延伸部与上述第一梳型金属结构，并形成电连接上述控制栅极与上述第二梳型金属结构。
11.在本发明的一实施例中，形成上述浮动栅极的步骤还可包括：在主动区域内形成与上述浮动栅极平行配置的选择栅极，所述选择栅极为一n型或p型金属氧化物半导体晶体管，其在存储器电路中仅为用来选定欲执行抹除、读取或编程的存储单元的附属晶体管的栅极。
12.本发明的非挥发性存储器元件，包括基底、浮动栅极、内层介电层、浮动栅极接触窗、内连线结构、第一梳型接触窗与第二梳型接触窗。基底具有定义出主动区域的元件隔离结构，浮动栅极形成于主动区域内的基底上，内层介电层则形成于基底上并覆盖所述浮动栅极与所述元件隔离结构。浮动栅极接触窗形成于内层介电层内并接触所述浮动栅极，内连线结构则形成于内层介电层上，其中所述内连线结构包括交替堆叠的多层金属层与多层金属层间介电(imd)层以及连接上下金属层的多个介层窗。所述第一梳型接触窗作为浮动栅极延伸部，形成于元件隔离结构上方的内层介电层与金属层间介电层中的至少一层内，且所述浮动栅极延伸部通过内连线结构连接至所述浮动栅极接触窗。第二梳型接触窗则是作为控制栅极，并与第一梳型接触窗交错形成于元件隔离结构上方的同一层(所述至少一层)内。
13.在本发明的另一实施例中，上述浮动栅极接触窗包括单层结构或多层结构。
14.在本发明的另一实施例中，上述非挥发性存储器元件还可包括第一梳型金属结构与第二梳型金属结构。第一梳型金属结构形成于所述多层金属层间介电层中的至少一层内，且第一梳型金属结构通过内连线结构连接至所述第一梳型接触窗。第二梳型金属结构与所述第一梳型金属结构交错形成于多层金属层间介电层中的同一层(所述至少一层)内。
15.在本发明的另一实施例中，上述第二梳型金属结构与上述第二梳型接触窗电连接。而前述第一梳型金属结构及前述第一金属接触窗电连接。
16.在本发明的另一实施例中，上述第一梳型金属结构形成于元件隔离结构上方。
17.在本发明的另一实施例中，上述第一梳型接触窗的高度大于浮动栅极的高度。
18.在本发明的另一实施例中，上述非挥发性存储器元件还可包括选择栅极，形成于所述主动区域内并与浮动栅极平行配置。
19.基于上述，本发明通过梳型接触窗作为浮动栅极延伸部以及另一梳型接触窗作为控制栅极，所以能大幅提升浮动栅极与控制栅极的电压耦合率，进而提升元件的编程/抹除效率。而且，在制作梳型接触窗的过程中，因为梳型接触窗位于元件隔离结构上方，并与浮动栅极是通过比第一梳型接触窗及第一梳型接触窗位阶更高的金属层做电连接，所以浮动栅极底下的栅极绝缘层并不会因为天线效应而被破坏，进而改善后续产品的良率及可靠度。
20.为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。
附图说明
21.图1a至图1e是本发明的第一实施例的一种非挥发性存储器元件的制造流程示意图；
22.图2a至图2b是第一实施例的制造流程的一替代例的示意图；
23.图2c是第一实施例的制造流程的另一替代例的示意图；
24.图3是本发明的第二实施例的一种非挥发性存储器元件的示意图；
25.图4是本发明的第三实施例的一种非挥发性存储器元件的示意图；
26.图5a至图5b是本发明的第四实施例的一种非挥发性存储器元件的制造流程示意图。
27.符号说明
28.100:基底
29.102:主动区域
30.104:元件隔离结构
31.106:浮动栅极
32.108:选择栅极
33.110:栅极绝缘层
34.112:内层介电层
35.114:浮动栅极接触窗
36.116、306:第一梳型接触窗
37.118、308:第二梳型接触窗
38.120a、120b、120c、202a、202b、202c、310a、310b、310c:金属线路
39.122、200、204、300、302、304、500、506:金属层间介电层
40.206:介电层
41.208a、208b、208c:接触窗
42.502:第一梳型金属结构
43.504:第二梳型金属结构
44.h1、h2:高度
45.m1、m2、m3、m4、m5:金属层
46.v1、v2、v3、v4:介层窗
具体实施方式
47.图1a至图1e是依照本发明的第一实施例的一种非挥发性存储器元件的制造流程示意图。
48.请先参照图1a，在基底100内形成定义出主动区域102的元件隔离结构104。然后，在主动区域102内的基底100上形成浮动栅极106，其制作工艺例如先在基底100表面沉积多晶硅层(未绘示)，再利用光刻蚀刻的方式图案化上述多晶硅层，得到浮动栅极106。而且，在
形成浮动栅极106的同时还可因应元件设计，在主动区域102内形成与浮动栅极106平行配置的选择栅极108，其制作工艺与浮动栅极106相同。选择栅极108为一金属氧化物半导体晶体管(可为n型或p型)，此晶体管在存储器电路中仅为用来选定欲执行读取、抹除或编程的存储单元的附属晶体管的栅极。此外，在形成浮动栅极106/选择栅极108之前通常会形成栅极绝缘层110。
49.接着，请参照图1b，在基底100上形成内层介电(inner layer dielectric,ild)层112，覆盖浮动栅极106/选择栅极108与元件隔离结构104。
50.然后，请参照图1c，在内层介电层112内形成浮动栅极接触窗114接触所述浮动栅极106，并且于元件隔离结构104上方的内层介电层112内同时形成第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118，使第二梳型接触窗118与第一梳型接触窗116结构交错形成于元件隔离结构104上方的同一层(内层介电层112)内。在本实施例中，浮动栅极接触窗114为单层结构，且其与第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118的制作工艺例如先在内层介电层112表面形成光致抗蚀剂(未绘示)，然后图案化此层光致抗蚀剂而露出部分内层介电层112(即预定形成浮动栅极接触窗114、第一与第二梳型接触窗116以及118的位置)，再利用蚀刻方式移除露出的内层介电层112并形成开口，之后于开口中形成浮动栅极接触窗114、第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118，并可搭配接触窗平坦化制作工艺，其中前述接触窗(114、116与118)例如是ti/tin/w的结构或其他材质的结构，且第一梳型接触窗116的高度h1约大于浮动栅极106的高度h2，因此与传统使用多晶硅层作为浮动栅极或其延伸部的元件相比，能充分利用垂直基底100方向的空间而大幅提升第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118的电容耦合率。而且，因为第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118是形成在元件隔离结构104上方，与浮动栅极106是利用较高的金属层做电连接，非传统的结构在蚀刻浮动栅极及其延伸部时已将完成浮动栅极与其延伸部的电连接，所以浮动栅极106/选择栅极108底下的栅极绝缘层110并不会因为等离子体制作工艺被破坏，而影响后续产品的良率及可靠度。
51.然后，请参照图1d，在内层介电层112上形成内连线结构，例如先形成第一层金属层m1，其制作工艺可先在内层介电层112表面沉积金属材料(未绘示)，再利用光刻蚀刻的方式图案化上述金属材料(如铝)，得到分别连接浮动栅极接触窗114、第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118的金属线路120a、120b与120c。
52.随后，请参照图1e，在内层介电层112上形成第一层金属层间介电(imd)层122，再于第一层imd层122内形成第一层介层窗v1，其中一个第一层介层窗v1与金属线路120a接触、另一个第一层介层窗v1与金属线路120b接触。之后，在第一层imd层122上形成连接第一层介层窗v1的第二层金属层m2。前述第一层介层窗v1的制作工艺与结构可参照浮动栅极接触窗114的相关内容，前述第二层金属层m2的制作工艺可参照第一层金属层m1的相关内容，不再赘述。
53.在第一实施例中，第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118是形成在内层介电层112内，然而本发明并不限于此。在其他实施例中，第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118可形成在第一层imd层122或其上后续形成的imd层内，也可同时形成在内层介电层112与imd层内。而且，第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118若视为一对互补的导电结构，其数量也可依照需求增加，并设置在数层imd层内。第一梳型接触窗116是作为浮动栅
极延伸部，第二梳型接触窗118则是作为控制栅极，所以可通过内连线结构(金属线路120b、第一层介层窗v1、第二层金属层m2、第一层介层窗v1、金属线路120a)电连接浮动栅极延伸部(116)至浮动栅极接触窗114。同理，图1e中虽未绘示第二梳型接触窗118的连接路径，但应知可在此阶段形成与金属线路120c连接的第一介层窗与第二金属层，以连至周边区域。
54.图2a至图2b是第一实施例的制造流程的一替代例的示意图，其显示的是图1c之后的步骤。
55.在图2a中，先沉积第一层金属层间介电(imd)层200，接着蚀刻出预定形成第一层金属层m1的沟槽，再利用物理气相沉积(pvd)或电气化学沉积(ecd)等方式沉积一层金属材料(如铜)填入上述沟槽，再以金属化学机械研磨(cmp)制作工艺来平坦化上述金属材料，而形成图2a中的金属线路202a、202b、202c。
56.接着，在图2b中显示的是通过双重镶嵌(dual damascene)制作工艺形成的内连线，亦即先沉积第二层imd层204，然后于其中蚀刻出预定形成第一层介层窗v1的开口，再在第二层imd层204中蚀刻出预定形成第二层金属层m2的沟槽，其中所述沟槽位于开口上方。接着，利用pvd或ecd等方式沉积一层金属材料(如铜)填入上述沟槽与开口内，再以金属cmp制作工艺来平坦化上述金属材料，以同时形成第一层介层窗v1与第二层金属层m2。
57.因此，图2b的内连线结构与图1e类似，都是可通过内连线结构(金属线路202b、第一层介层窗v1、第二层金属层m2、第一层介层窗v1、金属线路202a)电连接浮动栅极延伸部116至浮动栅极接触窗114。同理，图2b中虽未绘示第二梳型接触窗118的连接路径，但应知可在此阶段形成与金属线路202c连接的第一介层窗与第二金属层，以连至周边区域。
58.图2c是第一实施例的制造流程的另一替代例的示意图，其显示的是图1c之后的步骤。
59.在图2c中，浮动栅极接触窗114可视为多层结构，亦即在浮动栅极接触窗114形成后，在浮动栅极接触窗114上先沉积一层介电层206再形成一个做局部连线的接触窗208a。在形成接触窗208a的同时，可在第一梳型接触窗116以及第二梳型接触窗118上形成接触窗208b与接触窗208c。前述接触窗208a、208b与208c的制作工艺与结构可参照浮动栅极接触窗114的相关内容，不再赘述。后续制作工艺则如图1d至图1e所示。
60.图3是依照本发明的第二实施例的一种非挥发性存储器元件的示意图，其中使用第一实施例的元件符号来表示相同或类似的构件，且相同的构件的说明可参照上述的相关内容，于此不再赘述。
61.请参照图3，第二实施例的非挥发性存储器元件中的内连线结构包括交替堆叠的多层金属层m1、m2、m3、m4、m5与多层金属层间介电(imd)层122、300、302、304以及连接上下金属层的多个介层窗v1、v2、v3、v4。在本实施例中，第一梳型接触窗306以及第二梳型接触窗308是形成在imd层302内，并经由金属层m4中的金属线路310c连接第二梳型接触窗308。第一梳型接触窗306则是通过内连线结构(金属线路310b、介层窗v4、金属层m5、介层窗v4、金属线路310a、介层窗v3、金属层m3、介层窗v2、金属层m2、介层窗v1、金属层m1)电连接至浮动栅极接触窗114。
62.图4是依照本发明的第三实施例的一种非挥发性存储器元件的示意图，其中使用第一和第二实施例的元件符号来表示相同或类似的构件，且相同的构件的说明可参照上述的相关内容，于此不再赘述。
63.请参照图4，第三实施例的非挥发性存储器元件中有两个作为浮动栅极延伸部的第一梳型接触窗116和306以及两个作为控制栅极第二梳型接触窗118和308。而且通过内连线结构电连接浮动栅极延伸部116和306至浮动栅极接触窗114。同理，图4中虽未绘示第二梳型接触窗118和308的连接路径，但应知可在内连线结构中形成连接金属线路120c与310c的结构。
64.图5a至图5b是依照本发明的第四实施例的一种非挥发性存储器元件的制造流程示意图，其中使用第一实施例的元件符号来表示相同或类似的构件，且相同的构件的说明可参照上述的相关内容，于此不再赘述。
65.首先，图5a显示的是图1e之后的步骤。然后在第一层imd层122上形成第二层imd层500，再于第二层imd层500内形成第二层介层窗v2，其中第二层介层窗v2与第二层金属层m2接触。前述第二层介层窗v2的制作工艺可参照浮动栅极接触窗114的相关内容，不再赘述。接着，在第二层imd层500上形成第三层金属层m3，且同时形成第一梳型金属结构502与第二梳型金属结构504，其制作工艺例如先在第二层imd层500表面沉积金属材料(未绘示)，再利用光刻蚀刻的方式图案化上述金属材料，得到互不相连的金属层m3、第一梳型金属结构502与第二梳型金属结构504。因第一梳型金属结构502是通过更上层的导线与浮动栅极延伸部116电连接，可避免因蚀刻制作工艺中的天线效应破坏栅极绝缘层110的结构，进而改善产品的良率及可靠度。
66.接着，请参照图5b，于第二层imd层500上形成于第三层imd层506，再于第三层imd层506内形成第三层介层窗v3，其中一个介层窗v3与第三层金属层m3接触、另一个介层窗v3与第一梳型金属结构502接触。之后，于第三层imd层506上形成连接两个介层窗v3的第四层金属层m4。因此，第一梳型金属结构502可藉由内连线结构电连接浮动栅极延伸部(116)以及/或是浮动栅极106。同理，图5b中虽未绘示第二梳型金属结构504的连接路径，但应知可在内连线结构中形成连接第二梳型金属结构504与第二梳型接触窗118的结构。此外，前述介层窗v3的制作工艺与结构可参照浮动栅极接触窗114的相关内容，不再赘述。
67.在本实施例中，第一梳型金属结构502与第二梳型金属结构504是形成于第三层imd层506内，但本发明并不限于此，上述第一与第二梳型金属结构也可在其他imd层内形成，且其数量可依需求增加。
68.综上所述，本发明在制作第一与第二梳型接触窗的过程中，因为大面积的第一与第二梳型接触窗与浮动栅极处于电性隔离的情况，所以浮动栅极底下的栅极绝缘层并不会因为等离子体制作工艺而损坏，且后续通过上层的内连线制作工艺即可将第一梳型接触窗连接至浮动栅极，而不需额外的步骤。而且，因为梳型接触窗的高度远大于浮动栅极的厚度，所以由第一梳型接触窗作为浮动栅极延伸部以及另一梳型接触窗作为控制栅极的元件，能大幅提升浮动栅极与控制栅极的电压耦合率，进而提升元件的编程/抹除效率。
69.虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

技术特征：
1.一种非挥发性存储器元件的制造方法，包括：在基底内形成定义出主动区域的元件隔离结构；在所述主动区域内的所述基底上形成浮动栅极；在所述基底上形成内层介电(inner layer dielectric,ild)层，覆盖所述浮动栅极与所述元件隔离结构；在所述内层介电层内形成浮动栅极接触窗，接触所述浮动栅极；以及在所述内层介电层上形成内连线结构，其中所述内连线结构包括交替堆叠的多层金属层与多层金属层间介电(imd)层以及连接上下金属层的多个介层窗，其中所述制造方法的特征在于：在形成所述内层介电层之后，在所述元件隔离结构上方的所述内层介电层与所述金属层间介电层中的至少一层内，同时形成第一梳型接触窗作为浮动栅极延伸部以及第二梳型接触窗作为控制栅极；以及在形成所述内连线结构期间，同时形成电连接所述浮动栅极延伸部至所述浮动栅极接触窗的结构。2.如权利要求1所述的非挥发性存储器元件的制造方法，其中所述第一梳型接触窗以及所述第二梳型接触窗是与所述浮动栅极接触窗同时形成。3.如权利要求1所述的非挥发性存储器元件的制造方法，其中所述第一梳型接触窗以及所述第二梳型接触窗是与所述多个介层窗中的至少一个同时形成。4.如权利要求1所述的非挥发性存储器元件的制造方法，还包括：在所述多层金属层间介电层中的至少一层内形成第一梳型金属结构与第二梳型金属结构；以及在形成所述内连线结构期间，形成电连接所述浮动栅极延伸部与所述第一梳型金属结构，并形成电连接所述控制栅极与所述第二梳型金属结构。5.如权利要求1所述的非挥发性存储器元件的制造方法，其中形成所述浮动栅极的步骤还包括：在所述主动区域内形成与所述浮动栅极平行配置的选择栅极，所述选择栅极为一n型或p型金属氧化物半导体晶体管，用以在执行读取、抹除或编程时，选择存储器阵列中的指定存储器地址。6.一种非挥发性存储器元件，其特征在于，包括：基底，具有定义出主动区域的元件隔离结构；浮动栅极，形成于所述主动区域内的所述基底上；内层介电层，形成于所述基底上并覆盖所述浮动栅极与所述元件隔离结构；浮动栅极接触窗，形成于所述内层介电层内并接触所述浮动栅极；内连线结构，形成于所述内层介电层上，其中所述内连线结构包括交替堆叠的多层金属层与多层金属层间介电(imd)层以及连接上下金属层的多个介层窗；第一梳型接触窗作为浮动栅极延伸部，形成于所述元件隔离结构上方的所述内层介电层与所述金属层间介电层中的至少一层内，且所述浮动栅极延伸部通过所述内连线结构连接至所述浮动栅极接触窗；以及第二梳型接触窗作为控制栅极，与所述第一梳型接触窗交错形成于所述元件隔离结构上方的所述至少一层内。
7.如权利要求6所述的非挥发性存储器元件，其中所述浮动栅极接触窗包括单层结构或多层结构。8.如权利要求6所述的非挥发性存储器元件，还包括：第一梳型金属结构，形成于所述多层金属层间介电层中的至少一层内，且第一梳型金属结构通过所述内连线结构连接至所述第一梳型接触窗；以及第二梳型金属结构，与所述第一梳型金属结构交错形成于所述多层金属层间介电层中的所述至少一层内。9.如权利要求8所述的非挥发性存储器元件，其中所述第二梳型金属结构与所述第二梳型接触窗电连接。10.如权利要求8所述的非挥发性存储器元件，其中所述第一梳型金属结构形成于所述元件隔离结构上方。11.如权利要求6所述的非挥发性存储器元件，其中所述第一梳型接触窗的高度大于所述浮动栅极的高度。12.如权利要求6所述的非挥发性存储器元件，还包括：选择栅极，形成于所述主动区域内并与所述浮动栅极平行配置。

技术总结
本发明公开一种非挥发性存储器元件及其制造方法，其中该非挥发性存储器元件的制造方法，包括在基底内形成元件隔离结构、在基底上形成浮动栅极、内层介电层与浮动栅极接触窗以及于内层介电层上形成内连线结构。所述内连线结构包括交替堆叠的多层金属层与多层金属层间介电(IMD)层以及连接上下金属层的多个介层窗。在所述方法中，形成内层介电层之后，在元件隔离结构上方的内层介电层与金属层间介电层中的至少一层内，同时形成第一梳型接触窗作为浮动栅极延伸部以及第二梳型接触窗作为控制栅极。在形成所述内连线结构期间，同时形成电连接浮动栅极延伸部至浮动栅极接触窗的结构。连接浮动栅极延伸部至浮动栅极接触窗的结构。连接浮动栅极延伸部至浮动栅极接触窗的结构。


技术研发人员：颜祥修 蔡博安
受保护的技术使用者：力晶积成电子制造股份有限公司
技术研发日：2020.12.08
技术公布日：2022/5/25