降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法

2023-04-23 01:34:21 1

專利名稱：降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體存儲器的製造方法，且特別是有關於一種降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法。
另外有一種非揮發性存儲器稱作快閃記憶體(flash memory)，其結構和EEPROM類似，但其存儲胞抹除機構和EEPROM不盡相同，因此體積要比EEPROM小得多。同時其數據的抹除時間約為1或2秒，也比EPROM用紫外光照射的大約20分鐘要快得多。由於價格因素，快閃記憶體大部分應用在較小型的電子產品如筆記本型計算機和個人數字助理等，同時也可用於例如計算機中的BIOS存儲器以便數據可隨時更新。
傳統上具有堆棧結構的快快閃記憶體儲胞具有雙層或三層的多晶矽結構，通常第一層多晶矽層即做為浮置柵極(floating gate)，而第二層多晶矽層則做為控制柵極(control gate)，其即為字線，經由控制柵極的電壓控制可對快快閃記憶體儲胞進行數據的寫入和刪除的動作，至於三層多晶矽結構則多了一層選擇性柵極(select gate)。
在製作快快閃記憶體儲胞的過程中，一般先利用光刻、蝕刻技術將第一層多晶矽層定義成多條平行的線條，接著進行後續步驟並且製作第二層的控制柵極，再次利用光刻、蝕刻技術，將第二層多晶矽層定義成多條平行的線條，且垂直於第一層的線狀多晶矽層，以作為字線的控制柵極。在形成控制柵極的過程中，兩條控制柵極之間的第一層多晶矽層同樣會被蝕刻去除直到暴露出最下層的基底，以形成浮置柵極。然而，在蝕刻第一層多晶矽層的過程中，由於各向異性蝕刻角度限制的關係，在兩條控制柵極之間部分第一層多晶矽層會殘留在絕緣層的側壁上，導致殘留的多晶矽連接兩條相鄰的字線，因而造成電性短路，使得字線無法正常操作，進而造成數據讀取或寫入錯誤。
傳統上為了去除多晶矽殘留，直接利用熱氧化處理方式將多晶矽殘留氧化成二氧化矽。然而，長時間的熱氧化工藝雖然可以去除多晶矽殘留，但是卻會造成第一與第二多晶矽層邊緣暴露部分受到氧化侵蝕，導致第一與第二多晶矽層之間的氧化矽-氮化矽-氧化矽(ONO)介電層的邊緣部分厚度增加，使得控制柵極與浮置柵極之間的電容偶合係數(Coupling ratio)降低，影響浮置柵極捕獲電子的能力，間接影響快快閃記憶體儲胞的操作性能。
本發明提供一種柵極堆棧層氧化侵蝕的方法，適用於具有至少一層多晶矽層的柵極堆棧層。此方法包括進行一斜向離子注入步驟，在多晶矽層的側壁表面中注入氮離子。接著進行一氧退火步驟，使多晶矽層的側壁表面形成一氮氧化矽層。
本發明亦提供一種半導體存儲胞的製造方法，包括在一半導體基底上依序形成一柵極氧化層、一第一多晶矽層與一氮化矽層，接著圖案化氮化矽層、第一多晶矽層與柵極氧化層。然後在半導體基底上覆蓋一絕緣層，再去除部分絕緣層，直到暴露出氮化矽層，之後去除氮化矽層。接著在第一多晶矽層及周緣的絕緣層上形成一第二多晶矽層。然後在半導體基底上依序形成一介電層、一第三多晶矽層與一導電層，接著圖案化導電層、第三多晶矽層、介電層、第二多晶矽層與第一多晶矽層，以形成多條平行的柵極堆棧層。接著進行一斜向離子注入步驟，在柵極堆棧層的側壁表面中注入氮離子。然後再進行一氧退火步驟，使柵極堆棧層的側壁表面形成一氮氧化矽層。
本發明提供的降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法，不僅可以避免多晶矽層受到氧化侵蝕而造成介電層邊緣部分厚度增加的問題，而且可以完全去除多晶矽殘留，工藝穩定性高，且可節省熱預算。
圖中符號說明100半導體基底110絕緣結構112、112a 氧化層114、114a 多晶矽層116、116a 氮化層118HDP氧化層120HDP(高密度等離子體)氧化層122、122a 多晶矽層124、124a 介電層126、126a 多晶矽層128、128a 導電層130側壁表面140多晶矽殘留200斜向離子注入θ 離子注入傾斜角度

圖1A-1G是繪示本發明的快快閃記憶體儲胞在X方向的工藝剖面示意圖。請參照圖1A，首先提供一半導體基底100，例如是具有100晶格排列的P型矽基底。接著在基底100中製作隔離結構110，規劃出每個存儲胞的激活區(active region)，隔離結構110比如是以矽的局部氧化(LOCOS)形成的場氧化層，且較佳是淺溝槽隔離(STI)結構。
接著在基底100上依序形成柵極氧化層112、第一多晶矽層114以及氮化矽層116。柵極氧化層112可以利用熱氧化技術形成，所形成的厚度約在30-150埃左右，第一多晶矽層114可以利用低壓化學氣相沉積(LPCVD)在600-650℃左右形成，所形成的厚度約在500-1500埃左右，並且多晶矽層114亦可以是摻雜(doped)多晶矽層，氮化矽層116亦可以利用化學氣相沉積形成，所形成的厚度約在1100-2400埃左右。然後利用傳統的光刻及蝕刻技術，定義出所需的圖案，去除不需要的部分，圖案化氮化矽層116、第一多晶矽層114與柵極氧化層112，以形成多條平行的第一線形堆棧層，如圖中所示。
請參照圖1B，接著在基底100上覆蓋一層絕緣層118，比如氧化矽層。絕緣層118較佳是以高密度等離子體化學氣相沉積法(HDP-CVD)所形成的氧化矽層，做垂直方向的沉積，以形成緻密的絕緣層結構，所形成的絕緣層118厚度約為1.5-3.5千埃。接著請參照圖1C，去除部分絕緣層118直到剩下所需的厚度而變成絕緣層120，絕緣層120的厚度約略大於第一多晶矽層114的厚度，大約為0.5-2千埃，其去除方法可以利用溼式浸漬蝕刻，以時間控制方式達到所需厚度，較佳是以反應離子蝕刻(RIE)來達成，並且暴露出氮化矽層116頂部邊緣的頂角。
請參照圖1D，然後去除氮化矽層116以及其上殘留的絕緣層120，比如可以利用高選擇性溼式蝕刻僅去除氮化矽層116，而不會破壞表面其它暴露的部分。請參照圖1E，接著在第一多晶矽層114及周圍的絕緣層120上形成第二多晶矽層122，第一多晶矽層114通過第二多晶矽層122延伸其面積，增加其對控制電極的電容偶合。第二多晶矽層122的形成比如是先在基底100上沉積一層多晶矽層，然後以光刻及蝕刻技術去除部分第二多晶矽層122以避免兩條相鄰的第一多晶矽層114電性連接。
請參照圖1F，接著在基底100上依序形成一層介電層124、第三多晶矽層126以及導電層128。介電層124是浮置柵極與控制柵極之間的介電層，較佳是使用ONO複合層，其由氧化矽層、氮化矽層與氧化矽層堆棧而成，厚度約為50-250埃左右。然後比如再利用化學氣相沉積法在介電層124上形成第三多晶矽層126，此外導電層128較佳是使用矽化鎢(WSix)，其亦可利用化學氣相沉積法形成。
請參照圖1G，以傳統的光刻及蝕刻技術，定義出所需的圖案，形成多條平行的柵極堆棧層，作為控制柵極，即為字線，此第二線形堆棧層與先前具有第一多晶矽層114的第一線形堆棧層垂直，僅留下絕緣層120部分。其製作方法比如先在導電層128上形成一層光阻層(未顯示)，接著以傳統的光刻技術圖案化光阻層，定義出所需的圖案，然後以圖案化的光阻層為掩膜，以各向異性(anisotropic)幹蝕刻技術，例如反應離子蝕刻(RIE)，依序蝕刻底下暴露的導電層128、第三多晶矽層126、介電層124、第二多晶矽層122、第一多晶矽層114以與門極氧化層112，以達到圖案化的目的，而形成導電層128a、第三多晶矽層126a、介電層124a、第二多晶矽層122a、第一多晶矽層114a與柵極氧化層112a，之後去除光阻層。第一多晶矽層114a受到此次光刻蝕刻僅剩在局部區塊，以作為浮置柵極。
在形成字線的製作過程中，由於各向異性幹蝕刻是以垂直方向進行蝕刻，對於在絕緣層120側壁上的部分第一多晶矽層114無法達到完全去除的目的，造成多晶矽殘留在絕緣層120的側壁上。圖2是繪示關於圖1G的立體圖。請參照圖2，在形成第一線形堆棧層時，往往無法達到完全垂直蝕刻的效果，在堆棧層的邊緣角度大約為85-88度左右，再加上形成第二堆棧層時，受到各向異性幹蝕刻的蝕刻角度限制，導致部分多晶矽殘留140存附於絕緣層120的側壁上。這會造成兩條相鄰的字線之間形成短路，因而影響到存儲器的操作。
請參照圖3，其繪示關於圖1G在Y方向的工藝剖面示意圖。請對照圖1G、圖2與圖3，在兩條相鄰字線柵極堆棧層之間有絕緣層120，而且多晶矽殘留140附著於絕緣層120的側壁上。為了完全去除多晶矽殘留140，避免多晶矽殘留140影響存儲器的操作性能，傳統上直接利用熱氧化處理方式將多晶矽殘留140完全氧化形成二氧化矽，此方法雖然可以有效地去除多晶矽殘留140，但是長時間的熱氧化處理導致字線柵極堆棧層中多晶矽層受到氧化侵蝕，尤其是在第二、第三多晶矽層122a與126a接近ONO介電層124a的側壁部分，因為氧化侵蝕而有部分多晶矽層122a、126a形成二氧化矽，造成ONO介電層的邊緣部分厚度增加，使得控制柵極與浮置柵極之間的電容偶合係數(Coupling ratio)降低，影響快快閃記憶體儲胞的操作。
為了避免柵極堆棧層中的多晶矽層114a、122a、126a受到氧化侵蝕，本發明利用兩階段步驟去除多晶矽殘留140，並且避免氧化侵蝕的問題發生。請參照圖4A，首先進行斜向離子注入步驟200，利用斜向離子注入將氮離子注入柵極堆棧層的側壁表面130中，即主要是將氮離子注入多晶矽層114a、122a與126a的側壁表面中。在斜向離子注入工藝200中，所使用的傾斜角度θ(即注入方向與平面的夾角)約在20度至70度之間，且較佳是在50度至65度之間，角度的決定必須視相鄰字線之間所存在開口的寬高比(aspect radio)決定，寬高比愈大則離子注入的傾斜角度θ愈大。
接著請參照圖4B，然後進行氧退火(anneal)步驟，在退火裝置中通入氧氣，使氧氣與多晶矽殘留140反應，轉化成氮氧化矽(SiON)。由於柵極堆棧層中的多晶矽層114a、122a與126a的側壁表面130在斜向離子注入步驟200中已經先注入氮離子，因此多晶矽層114a、122a與126a的側壁表面130很快就形成氮氧化矽(SiON)層300，並且阻止多晶矽層114a、122a與126a繼續氧化，使多晶矽層114a、122a與126a能夠受到保護，不會因為長時間的熱氧化退火工藝而受到侵蝕，以此可以增加熱氧化退火的工藝裕度(process window)，使得工藝穩定性更高。
另一方面，在斜向離子注入步驟中同樣在多晶矽殘留140注入氮離子，因此多晶矽殘留140亦富含氮離子，因此多晶矽殘留140亦很快地可以達到完全反應的階段，使多晶矽殘留140完全轉化成氮氧化矽。由於氮氧化矽的電阻值遠大於多晶矽，可作為絕緣材料，因此可以以此解決多晶矽殘留造成電性連接的問題。而且，在氧退火步驟之前已經先在多晶矽殘留140中注入氮離子，多晶矽殘留140不需要太多的熱能即可達到轉化成絕緣層，可節省熱預算。
綜上所述，本發明提供的降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法，不僅可以避免多晶矽層受到氧化侵蝕而造成介電層邊緣部分厚度增加的問題，而且可以完全去除多晶矽殘留，工藝穩定性高，且可節省熱預算。本發明再此僅以一較佳實施例說明去除降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法，然本發明亦可應用於其它的產品，例如掩膜式只讀存儲器(MaskROM)或是其它類似的產品。
如本領域技術人員所了解的，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明的申請範圍；凡其它未脫離本發明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應包含在本專利的保護範圍內。
權利要求
1.一種降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法，適用於一柵極堆棧層，該柵極堆棧層中至少包括一多晶矽層，該方法至少包括下列步驟進行一斜向離子注入步驟，在該多晶矽層的側壁表面中注入氮離子；以及進行一氧退火步驟，使該多晶矽層的側壁表面形成一氮氧化矽層。
2.根據權利要求1的方法，其特徵在於該斜向離子注入步驟的傾斜角度在20度至70度之間。
3.根據權利要求1的方法，其特徵在於在該氧退火步驟中通入氧氣。
4.一種半導體存儲胞的製造方法，該方法至少包括下列步驟在一半導體基底上形成一柵極氧化層、一第一多晶矽層與一氮化矽層；圖案化該氮化矽層、該第一多晶矽層與該柵極氧化層；在該半導體基底上覆蓋一絕緣層；去除部分該絕緣層，直到暴露出該氮化矽層；去除該氮化矽層；在該第一多晶矽層及周緣的該絕緣層上形成一第二多晶矽層；在該半導體基底上形成一介電層、一第三多晶矽層與一導電層；圖案化該導電層、該第三多晶矽層、該介電層、該第二多晶矽層與該第一多晶矽層，以形成多條平行的柵極堆棧層；進行一斜向離子注入步驟，在該柵極堆棧層的側壁表面中注入氮離子；以及進行一氧退火步驟，使該柵極堆棧層的側壁表面形成一氮氧化矽層。
5.根據權利要求4的方法，其特徵在於該絕緣層包括HDP氧化矽層。
6.根據權利要求4的方法，其特徵在於該介電層包括ONO層。
7.根據權利要求4的方法，其特徵在於該導電層包括矽化鎢層。
8.根據權利要求4的方法，其特徵在於形成該柵極堆棧層的方法包括各向異性幹蝕刻。
9.根據權利要求4的方法，其特徵在於該斜向離子注入步驟的傾斜角度在20-70度之間。
10.根據權利要求4的方法，其特徵在於在該氧退火步驟中通入氧氣。
11.一種降低氧化侵蝕的方法，至少包括下列步驟進行一斜向離子注入步驟，在一柵極堆棧層的一側壁中注入氮離子；以及進行一退火步驟，使該柵極堆棧層的側壁表面形成一絕緣層。
12.根據權利要求11的方法，其特徵在於該斜向離子注入步驟的傾斜角度在20度至70度之間。
13.根據權利要求11的方法，其特徵在於在該退火步驟中包括通入氧氣。
14.根據權利要求13的方法，其特徵在於該絕緣層包括氮氧化矽層。
全文摘要
一種降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法，利用斜向離子注入法在柵極堆棧層的側壁表面中注入氮離子，使側壁表面中富含氮離子，接著進行氧退火步驟，使柵極堆棧層的側壁表面形成氮氧化矽層，可通過氮氧化矽層阻止柵極堆棧層中的多晶矽層繼續氧化而受到侵蝕。本發明提供的降低柵極堆棧層氧化侵蝕的方法，不僅可以避免多晶矽層受到氧化侵蝕而造成介電層邊緣部分厚度增加的問題，而且可以完全去除多晶矽殘留，工藝穩定性高，且可節省熱預算。
文檔編號H01L21/324GK1434486SQ0210270
公開日2003年8月6日 申請日期2002年1月23日 優先權日2002年1月23日
發明者蘇俊聯, 王俊淇, 陳銘祥 申請人:旺宏電子股份有限公司