專利名稱：促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種制造快閃式存儲器的方法，特別是有關(guān)于一種利用氧自由基(O radical)的晶胞氧化步驟以促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法。
(2)背景技術(shù)非揮發(fā)性存儲器元件包括快閃式可抹除且可編程只讀存儲存儲器(EEPROM，electrical erasable programmable read only memory)。圖1所示為典型的快閃式存儲存儲器晶胞剖面圖，存儲晶胞(memory cell)通常包括一底材10和一薄的閘氧化層(gate oxide)20(通常作為穿遂氧化層(tunnel oxide))形成于底材10表面上，兩個堆疊狀閘極結(jié)構(gòu)70位于閘氧化層20上。堆疊狀閘極結(jié)構(gòu)70包括第一多晶硅層作為浮置閘(floating gate)30位于穿遂氧化層20上，和一內(nèi)多晶介電層(interpoly dielectric layer)40位于浮置閘30上，最后，第二多晶硅層作為控制閘(control gate)50重疊于內(nèi)多晶介電層40上。
如圖1所示，堆疊狀閘極結(jié)構(gòu)70利用傳統(tǒng)蝕刻方法形成。然而，通常此步驟產(chǎn)生一個問題，便是形成多晶硅殘留物60。多晶硅殘留物60是多晶硅層30未被遮罩部份經(jīng)蝕刻殘存所形成的，多晶硅殘留物60材質(zhì)主要為部份的多晶硅層30，如圖1所示，結(jié)果導(dǎo)致存儲晶胞的電性短路。此外，多晶硅層30的蝕刻也是與存儲晶胞的隔離區(qū)域相鄰。然若此多晶硅層30部份未能通過蝕刻移除，形成一導(dǎo)電通路(例如多晶硅殘留物60)連結(jié)其他存儲晶胞，此存儲晶胞將造成電性短路。
如圖2所示，內(nèi)多晶介電層40具有多項重要功用，包括提供控制閘50和浮置閘30的絕緣效應(yīng)。因此，形成一優(yōu)質(zhì)的內(nèi)多晶介電層40是必要的。內(nèi)多晶介電層40為數(shù)層絕緣層形成，通常為氧-氮-氧層(oxide-nitride-oxide，ONO)40，具有兩層氧化層42、46和三明治形式夾一氮化層44。底部氧化層42的厚度約43埃，頂部氧化層46的厚度約62埃，中間氮化層44的厚度約59埃。假如氧化層42、46太厚，則將會提升不理想的執(zhí)行運作電壓。
如圖3所示，傳統(tǒng)的晶胞氧化(cell oxidation)方法，有干式氧化法(dryoxidation)、濕式氧化法(wet oxidation)和干式快速氧化法(dry RTO)。是沿著晶胞表面生成一薄氧化層80，此薄氧化層80對于晶胞為提供一絕緣保護(hù)層。然而，若此氧化層厚度不足，則多晶硅殘留物65依然存在。多晶硅殘留物65將導(dǎo)致晶胞的電性短路。所以，假如多晶硅殘留物65區(qū)域未能通過氧化方式移除，形成晶胞間的導(dǎo)電帶，此晶胞將造成電性短路現(xiàn)象，結(jié)果降低快閃式存儲存儲器的性能。
如圖4所示，但是在這些氧化方法中，不管是用干式氧化法、濕式氧化法或干式快速氧化法，皆會造成嚴(yán)重的內(nèi)多晶介電層40被侵蝕(encroachment)現(xiàn)象(即形成氧化層)，致使快閃式存儲存儲器無法在有效時間內(nèi)正常抹除動作。在快閃式存儲存儲器中，閘極電容耦合比(gate coupling ratio，GCR)將隨晶胞氧化厚度增加而明顯降低，此是因為氧化侵蝕位置發(fā)生于內(nèi)多晶介電層40和多晶硅層30、50的介面上。如圖4所示，內(nèi)多晶介電層40包括底部氧化層42、氮化層44和頂部氧化層46。當(dāng)晶胞進(jìn)行氧化步驟時，嚴(yán)重的侵蝕部位42-1、46-1位于底部氧化層42和第一多晶硅層30間、頂部氧化層46和第二多晶硅層50之間，于是內(nèi)多晶介電層40的厚度便增加了，必然使得增加操作電壓或減低操作速度。
有關(guān)晶胞的氧化方法-干式氧化法是是于爐管中升溫至875℃。工藝參數(shù)為溫度控制約875℃、氧氣流量約為10000每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方公分(sccm)以及時間控制約為42分鐘30秒。其結(jié)果的示意圖如圖4所示，晶胞氧化層80厚度約為100埃，但發(fā)現(xiàn)在晶胞氧化步驟后有嚴(yán)重明顯的侵蝕現(xiàn)象發(fā)生，此侵蝕氧化層成長于氧-氮-氧層40和第一、第二多晶硅層30、50介面。侵蝕部位42-1、46-1增加了氧-氮-氧層40的厚度，而降低閘極電容耦合比，低的閘極電容耦合比會減低通道抹除速度。
有關(guān)晶胞的氧化方法-濕式氧化法是是于爐管中升溫至820℃。工藝參數(shù)為溫度控制約為820℃、氧氣流量約為4000每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方公分、氫氣流量約為7200每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方公分、時間約為7分鐘，以及10分鐘回火并伴隨氮氣流量約為15000每分鐘標(biāo)準(zhǔn)立方公分。此方法的結(jié)果示意圖如圖4所示，晶胞氧化層80厚度約為70埃，于是發(fā)現(xiàn)晶胞氧化通過濕式氧化法比干式氧化法更具有嚴(yán)重的氧-氮-氧層侵蝕部位42-1、46-1。即使?jié)袷窖趸穸葍H有70埃，卻有非常厚的侵蝕氧化層介于氧-氮-氧層40和第一、第二多晶硅層30、50介面。
有關(guān)晶胞的氧化方法-干式快速氧化法是于爐管中升溫至1100℃。工藝參數(shù)為溫度控制約為1100℃、時間控制約為140秒。此方法的結(jié)果為晶胞氧化層厚度約為120埃，發(fā)現(xiàn)晶胞氧化通過干式快速氧化法具有和干式氧化法類似的侵蝕部位42-1、46-1，其示意圖如圖4所示。
在此晶胞氧化的先前技術(shù)中，不管利用干式氧化法、濕式氧化法或干式快速氧化法皆會有嚴(yán)重的氧-氮-氧層侵蝕現(xiàn)象產(chǎn)生，因此造成氧-氮-氧層的雙氧化層厚度增加，必然提高操作電壓，導(dǎo)致快閃式存儲存儲器性能降低。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的主要目的為提供一種促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法，利用氧自由基進(jìn)行晶胞再氧化步驟。
本發(fā)明的另一目的為提供一種促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法，利用氧自由基的晶胞氧化步驟，改善氧-氮-氧層的氧化層和多晶硅層介面的侵蝕問題。
本發(fā)明的又一目的為提供一種促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法，利用氧自由基的晶胞再氧化步驟，消除多晶硅殘留物。
本發(fā)明的再一目的為提供一種促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法，利用氧自由基的晶胞氧化步驟，以增加快閃式存儲存儲器的操作效率。
本發(fā)明的另一目的為提供一種促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法，利用氧自由基的晶胞氧化步驟，改善蝕刻步驟后的缺陷。
本發(fā)明的又一目的為提供一種促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法，使用一低熱預(yù)算(themal budget)步驟來進(jìn)行晶胞再氧化步驟，以大幅改善在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的短通道效應(yīng)(short channel effect)。
根據(jù)以上所述的目的，本發(fā)明的促進(jìn)快閃式存儲存儲器性能的方法。首先提供一底材；一穿遂氧化層形成于該底材上；兩個閘極結(jié)構(gòu)形成于穿遂氧化層上，閘極結(jié)構(gòu)包括第一多晶硅層作為浮置閘，一內(nèi)多晶介電層如氧-氮-氧層位于浮置閘上，第二多晶硅層作為控制閘位于內(nèi)多晶介電層上，然而多晶硅殘留物存在于閘極之間，其中此多晶硅殘留物是因蝕刻未能移除部份；接著，進(jìn)行氧自由基的晶胞再氧化步驟。此方法是利用氧自由基(oxygen free radical)的活潑特性，在低壓下快速與晶胞表面反應(yīng)。此氧自由基的再氧化方法僅有很輕微的氧-氮-氧侵蝕現(xiàn)象，提升約6％的閘極電容耦合比，可增加操作速度達(dá)5倍以上，并且可清除多晶硅殘留物。
采用本發(fā)明的上述有效的氧化方法，利用產(chǎn)生氧自由基的晶胞氧化方式以解決ONO侵蝕部位產(chǎn)生，有效降低晶胞氧化產(chǎn)生的侵蝕厚度，以提升閘極電容耦合比，同時對于因蝕刻產(chǎn)生的多晶硅殘留物，也可因較厚的晶胞氧化層產(chǎn)生，使多晶硅殘留物能完全氧化去除。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的目的、結(jié)構(gòu)特點和效果，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
(4)


圖1所示為先前技術(shù)的快閃式存儲存儲器元件的截面圖；圖2所示為先前技術(shù)的閘極結(jié)構(gòu)截面放大圖，包括浮置閘、氧-氮-氧層和控制閘；圖3所示為先前技術(shù)的快閃存儲存儲器利用傳統(tǒng)方法再氧化形成多晶硅殘留物的示意圖；圖4所示為先前技術(shù)的閘極結(jié)構(gòu)利用傳統(tǒng)方法再氧化結(jié)果放大截面圖，圖中示出嚴(yán)重的氧-氮-氧層侵蝕部位位于氧-氮-氧層和多晶硅層介面；圖5所示為本發(fā)明的快閃式存儲存儲器元件的截面圖；圖6所示為本發(fā)明的閘極結(jié)構(gòu)截面放大圖，包括浮置閘、氧-氮-氧層和控制閘；圖7所示為本發(fā)明的快閃存儲存儲器利用預(yù)混合氣體再氧化消除多晶硅殘留物的示意圖；以及圖8所示為本發(fā)明的閘極結(jié)構(gòu)利用預(yù)混合氣體步驟的再氧化結(jié)果放大截面圖，圖中示出輕微的氧-氮-氧層侵蝕部位位于氧-氮-氧層和多晶硅層介面。
圖9所示為隨著晶胞尺寸縮小利用氧自由基晶胞氧化步驟提升閘極電容耦合比的性能曲線圖。
(5)具體實施方式
如圖5所示為典型的快閃式存儲存儲器晶胞剖面圖，存儲晶胞通常包括一底材100和一薄的閘氧化層110(通常作為穿遂氧化層)形成于底材100表面上，兩個堆疊狀閘極結(jié)構(gòu)160位于閘氧化層110上。堆疊狀閘極結(jié)構(gòu)160還包括第一多晶硅層作為浮置閘120位于穿遂氧化層110上，和一內(nèi)多晶介電層130位于浮置閘120上，最后，第二多晶硅層作為控制閘140重疊于內(nèi)多晶介電層130上。
如圖5所示，堆疊狀閘極結(jié)構(gòu)160利用傳統(tǒng)蝕刻方法形成。然而，通常此步驟產(chǎn)生一個問題，便是形成多晶硅殘留物150。多晶硅殘留物150是多晶硅層120未被遮罩部份經(jīng)蝕刻殘存所形成的，多晶硅殘留物150材質(zhì)主要為部份多晶硅層120，如圖5所示，結(jié)果導(dǎo)致存儲晶胞的電性短路。除此之外，多晶硅層120的蝕刻也是與存儲晶胞的隔離區(qū)域相鄰。然若此多晶硅層120部份未能通過蝕刻移除，形成一導(dǎo)電通路(例如多晶硅殘留物150)連結(jié)其他存儲晶胞，此存儲晶胞將造成電性短路。
如圖6所示，內(nèi)多晶介電層130具有多項重要功用，包括提供控制閘140和浮置閘120的絕緣效應(yīng)。因此，形成一優(yōu)質(zhì)的內(nèi)多晶介電層130是必要的。內(nèi)多晶介電層130為數(shù)層絕緣層形成，通常為氧-氮-氧層(oxide-nitride-oxide，ONO)130，具有兩層氧化層132、136和三明治形式夾一氮化層134。本實施例中，底部氧化層132的的最佳厚度約43埃，頂部氧化層136的最佳厚度約62埃，中間氮化層134最佳的厚度約59埃。假如氧化層132、136太厚，則將會提升不理想的執(zhí)行運作電壓。
為了改善氧-氮-氧層侵蝕部位發(fā)生和消除多晶硅殘留物，一種新的晶胞氧化方法提出以改善氧-氮-氧層被侵蝕和多晶硅殘留物的問題。本發(fā)明中，晶胞氧化步驟是通過氧自由基的產(chǎn)生，利用氧自由基的活潑特性，在低壓下快速與晶胞表面反應(yīng)。本實施例中，此方法是一種低壓工藝，其中將氫氣和氧氣預(yù)先混合直接導(dǎo)入工藝艙，并未預(yù)先氧化反應(yīng)。氫氣和氧氣的流量比為1∶2，壓力控制約在5托到20托之間，溫度控制約在800℃到1100℃。因為加熱的晶圓就像灼燒源，使氫氣和氧氣反應(yīng)發(fā)生靠近晶圓表面，借以改進(jìn)侵蝕現(xiàn)象。
此預(yù)混合氣體產(chǎn)生氧自由基的步驟中，氫氣的存在加速氧的分解反應(yīng)成氧自由基。其他產(chǎn)生氧自由基的方法，如臭氧(03)利用紫外光照射，或是氧以氪(krypton)激光照射等產(chǎn)生氧自由基。
如圖7所示，本實施例的氧自由基晶胞氧化步驟，晶胞氧化層170厚度約200埃，因為此氧化層170的厚度足以清除多晶硅殘留物150(如圖5所示的)，因此先前技術(shù)所造成的電性短路缺點將可得到解決。
如圖8所示，內(nèi)多晶介電層130包括氧化層132、氮化層134和氧化層136。當(dāng)利用氧自由基工藝進(jìn)行晶胞氧化時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)甚至晶胞氧化層170的厚度達(dá)200埃，氧-氮-氧層侵蝕部位132-1、136-1也非常輕微，此種氧自由基的晶胞氧化方法近乎沒有氧-氮-氧層侵蝕問題存在。
另外如圖9所示，橫座標(biāo)為穿遂(channel)的寬度，縱座標(biāo)為閘極電容耦合比差，是是晶胞利用氧自由基進(jìn)行氧化步驟，氧化厚度約200埃；和先前技術(shù)的晶胞利用干式氧化法，氧化厚度約100埃，兩者所得閘極電容耦合比之差。由圖中得知，隨著晶胞尺寸越縮小，利用本發(fā)明的氧自由基進(jìn)行晶胞氧化步驟，將更有效提升閘極電容耦合比。
本實施例的結(jié)果，通過氧自由基的晶胞氧化步驟，相較于先前技術(shù)的干式氧化法、濕式氧化法或干式快速氧化法，可具有較佳的閘極電容耦合比。使用氧自由基的氧化步驟，可提升閘極電容耦合比約6％，高的閘極電容耦合比有較佳的FN操作性能。利用氧自由基的氧化步驟，其通道抹除速度也比先前技術(shù)較為快速將近1V，閘極電容耦合比提升約6％以上可增加操作速度達(dá)5倍以上。
此外，相較于在先前技術(shù)中的方法，本實施例中所使用的晶胞氧化步驟可以通過一種低熱預(yù)算(thermal budget)步驟來完成。因此，本實施例所提供的方法可大幅改善在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中因為氧化步驟而引起的短通道效應(yīng)(short channel effect)。
當(dāng)然，本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發(fā)明權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法，其特征在于，包括提供一具有兩個閘極結(jié)構(gòu)在上方的底材，其中每一個閘極結(jié)構(gòu)具有一閘介電層在該底材上，第一多晶硅層在該閘介電層上，一內(nèi)多晶介電層在該第一多晶硅層上，第二多晶硅層在該內(nèi)多晶介電層上；以及對該底材和該兩個閘極進(jìn)行一氧自由基的氧化步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的閘介電層包含氧化硅。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一多晶硅作用為浮置閘。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該內(nèi)多晶介電層為一雙氧化層和一氧化層-氮化層-氧化層。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該第二多晶硅層用作控制閘。
6..如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該氧自由基的產(chǎn)生方法，可為一氫氣、氧氣預(yù)混合氣體直接導(dǎo)入工藝艙、或利用紫外光照射氧或是利用氪激光照射氧等以產(chǎn)生氧自由基。
7..如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，氫氣和氧氣的預(yù)混合氣體比例約為1∶2。
8..如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述的預(yù)混合氣體制作壓力約為5托到20托。
9..如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述的預(yù)混合氣體步驟溫度約為800℃到1100℃。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述該氧自由基氧化步驟包括利用氧自由基的活潑特性，在工藝艙中快速與晶胞表面反應(yīng)。
全文摘要
一種促進(jìn)快閃式存儲器性能的方法。首先提供一底材。一穿遂氧化層形成于該底材上。兩個閘極結(jié)構(gòu)形成于穿遂氧化層上，閘極結(jié)構(gòu)包括第一多晶硅層作為浮置閘，一內(nèi)多晶介電層如氮－氧－氮(ONO)層位于浮置閘上，第二多晶硅層作為控制閘位于內(nèi)多晶介電層上。然而多晶硅殘留物存在于閘極之間，其中此多晶硅殘留物是因蝕刻未能移除部份。接著，進(jìn)行一氧自由基的晶胞氧化步驟。此種氧自由基晶胞氧化步驟的氧化方法僅有很輕微的氧－氮－氧層侵蝕現(xiàn)象，提升約6％的閘極電容耦合比，可增加操作速度達(dá)5倍以上，并且可清除多晶硅殘留物。
文檔編號H01L21/8239GK1437247SQ0210461
公開日2003年8月20日 申請日期2002年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月9日
發(fā)明者韓宗廷, 蘇俊聯(lián), 蘇金達(dá) 申請人:旺宏電子股份有限公司