專利名稱：半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)于一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，且特別是有關(guān)于存儲(chǔ)器元件的工藝技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著先進(jìn)的CMOS技術(shù)中，溝道長(zhǎng)度的逐漸縮短，造成溝道區(qū)與源極與漏極的耗盡 區(qū)重迭比例上升而使短溝道效應(yīng)更為嚴(yán)重，為了抑制pMOSFET(p型金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效 應(yīng)晶體管)的短溝道效應(yīng)(short-channel effect, SCE)，廣泛地使用雙多晶硅柵極與表面 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 在p+多晶硅柵極工藝中，需摻雜夠高的硼以提供適合的柵極導(dǎo)電率。然而，硼在 高溫工藝時(shí)具相對(duì)高的活性，會(huì)有部分的硼在多晶硅晶界中快速擴(kuò)散。甚至部分的硼原子 會(huì)穿越柵極介電層到達(dá)襯底，造成元件效能衰退，例如啟始電壓不穩(wěn)定或次啟始電流擺蕩 退化(subthreshold swing degradation)等。此現(xiàn)象艮卩為硼穿透效應(yīng)(B penetration effect)。隨著元件尺寸的縮小化，硼穿透所引發(fā)元件效能與可靠度上的不良影響更為嚴(yán) 重。 為了抑制硼的穿透效應(yīng)，已知技術(shù)常使用去耦合等離子氮化(decoupledplasma nitridation， DPN)法與氮化后退火(post nitridation anneal, PNA)法于柵極氧化層的 上表面摻雜氮。柵極氧化層上的高濃度氮可擋住隨后形成于其上的柵極中的硼原子，使其 無(wú)法在工藝期間擴(kuò)散進(jìn)入柵極氧化層中及pMOSFET的溝道區(qū)。隨后的氮化后退火可進(jìn)一步 增加薄膜的穩(wěn)定性與電性。 然而，對(duì)于快閃存儲(chǔ)器技術(shù)而言，無(wú)法直接采用上述去耦合等離子氮化法與氮化 后退火法來(lái)抑制硼穿透效應(yīng)。這是因?yàn)閷?duì)快閃存儲(chǔ)器而言，其存儲(chǔ)陣列區(qū)已形成有電荷阻 絕層。電荷阻絕層的結(jié)構(gòu)一般為氧化層-氮化層-氧化層的堆迭結(jié)構(gòu)。若于此時(shí)對(duì)快閃存 儲(chǔ)器的周邊區(qū)進(jìn)行氮化工藝以擋住隨后所形成的柵極(例如低電壓柵極或高電壓柵極)中 的硼擴(kuò)散，會(huì)連同將電荷阻絕層上層的氧化層氮化，造成存儲(chǔ)器效能衰退，例如抹除速度或 數(shù)據(jù)保存的效能衰退。雖然，亦可先行在襯底上形成柵極層(隨后經(jīng)圖案化可作為控制柵 極)將電荷阻絕層蓋住，以避免氧化層受氮化。但此舉同時(shí)亦會(huì)將周邊區(qū)蓋住，因而需多一 道光刻及刻蝕工藝以將周邊區(qū)上所形成的柵極層移除，才能繼續(xù)接下來(lái)的工藝，造成制作 成本的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，所述方法包括提供具有存儲(chǔ)陣列區(qū)與周 邊區(qū)的襯底，且存儲(chǔ)陣列區(qū)包括至少一柵極堆迭，形成第一氧化層于柵極堆迭上，形成氮化 層于第一氧化層上，對(duì)襯底注入以于周邊區(qū)中形成低壓阱及高壓阱，以第一溫度對(duì)襯底進(jìn) 行第一熱處理以于低壓阱及高壓阱上分別形成第一柵極氧化層與第二柵極氧化層，第一柵 極氧化層的厚度小于第二柵極氧化層，且第一熱處理大抵不使氮化層的上表面氧化，于第
3一柵極氧化層與第二柵極氧化層中導(dǎo)入擴(kuò)散阻擋材料，以及以高于第一溫度的第二溫度對(duì)襯底進(jìn)行第二熱處理以于氮化層、第一柵極氧化層、及第二柵極氧化層上形成第二氧化層。
本發(fā)明提供的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點(diǎn)由于選擇熱處理的方式，使氮化層上大抵不形成氧化層，不會(huì)存在現(xiàn)有技術(shù)中電荷阻絕層的上氧化層受氮化的問(wèn)題發(fā)生。此外，使用本發(fā)明提供的方法不需額外的光刻及刻蝕工藝，便可于柵極氧化層中注入擴(kuò)散阻擋材料。


圖1至圖7顯示本發(fā)明一實(shí)施例的制作半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一系列工藝剖面圖。
附圖標(biāo)號(hào) 1 存儲(chǔ)陣列區(qū)；2 周邊區(qū)；100 襯底；3 淺溝槽絕緣區(qū)；102 柵極堆迭；104 第一氧化層；106 氮化層；108 第一遮蔽層；110 低壓阱；112 高壓阱；113 犧牲氧化層；114 初始柵極氧化層；116 第二遮蔽層；118、118a 第一柵極氧化層；120、120a 第二柵極氧化層；122 第二氧化層；124 擴(kuò)散阻擋材料；126 控制柵極；128 低壓柵極；130 高壓柵極。
具體實(shí)施例方式
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉出較佳實(shí)施
例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說(shuō)明如下 圖1至圖7顯示本發(fā)明實(shí)施例的一系列工藝剖面圖。如圖1所示，首先提供具有存儲(chǔ)陣列區(qū)1與周邊區(qū)2的襯底100。存儲(chǔ)陣列區(qū)1中至少包括一柵極堆迭102，而圖1所顯示的實(shí)施例除了存儲(chǔ)陣列區(qū)1包括柵極堆迭102夕卜，周邊區(qū)2亦包括柵極堆迭102。此外，亦可視情況于襯底100中形成用以隔離元件的淺槽絕緣區(qū)3。襯底100可包括半導(dǎo)體材料，例如硅、鍺、硅鍺、化合物半導(dǎo)體材料、或其他適合的半導(dǎo)體材料。柵極堆迭102包括多晶硅柵極及柵極介電層。淺溝槽絕緣區(qū)3例如可以高密度等離子沉積法將絕緣材料填入溝槽中而形成。 存儲(chǔ)陣列區(qū)1將用以形成存儲(chǔ)器元件，而周邊區(qū)2將用以形成低壓元件與高壓元件。在一實(shí)施例中，將于存儲(chǔ)陣列區(qū)l形成快閃存儲(chǔ)器?？扉W存儲(chǔ)器一般包括電荷阻絕層于柵極堆迭102上，通常電荷阻絕層包括由氧化層-氮化層-氧化層(0N0)所組成的迭層。
請(qǐng)接著參照?qǐng)D1 ，于柵極堆迭102上形成第一氧化層104，并接著于第一氧化層104上形成氮化層106。本發(fā)明實(shí)施例有別于已知技術(shù)一次依序形成氧化層_氮化層_氧化層的電荷阻絕層，是采分次形成電荷阻絕層的方式。先只依序形成氧化層與氮化層，可避免最上層的氧化層受到氮化而影響存儲(chǔ)器的效能。在一實(shí)施例中，可使用熱氧化法形成第一氧化層104。接著，可以化學(xué)汽相沉積法形成氮化層106。 接著，對(duì)襯底100注入以于周邊區(qū)2形成低壓阱與高壓阱。如圖2所示，可先形成第一遮蔽層108于存儲(chǔ)陣列區(qū)1上以露出周邊區(qū)2。第一遮蔽層108可例如為圖案化光刻膠層。接著，以第一遮蔽層108為罩幕將周邊區(qū)2上的柵極堆迭102、第一氧化層104、及氮化層106移除，并于周邊區(qū)2摻雜適合濃度的摻質(zhì)(dopant)以分別形成低壓阱110與高壓阱112。低壓阱110與高壓阱112的注入較佳以離子注入的方式進(jìn)行，為避免離子注入的能量過(guò)高而傷害襯底100，較佳于刻蝕移除周邊區(qū)2上的柵極堆迭102、第一氧化層1Q4、及氮化層106時(shí)，刻意保留柵極堆迭102下的一犧牲氧化層113以減緩離子注入時(shí)對(duì)襯底100 的沖擊。犧牲氧化層113可為襯底的原生氧化層或如圖1所示在形成淺溝槽絕緣區(qū)3時(shí)于 柵極堆迭120下方所形成的氧化層。在形成低壓阱110與高壓阱112后，可如圖3所示將 犧牲氧化層113移除而露出其下的低壓阱110與高壓阱112的表面。 請(qǐng)接著參照?qǐng)D4，在一實(shí)施例中，可先將第一遮蔽層108移除，并接著例如以熱氧 化法于周邊區(qū)2上形成初始柵極氧化層114。接著，形成第二遮蔽層116于存儲(chǔ)陣列區(qū)1與 周邊區(qū)2中的高壓阱112上，并露出低壓阱110上的初始柵極氧化層114。第二遮蔽層116 可例如為圖案化光刻膠層。 在一實(shí)施例中，可以第二遮蔽層116為罩幕，對(duì)低壓阱110進(jìn)行啟始電壓摻雜，此 技藝人士可視情況摻雜適合種類與濃度的摻質(zhì)。由于低壓阱110用以形成低壓元件，一般 需要較薄的柵極氧化層，因此在一實(shí)施例中，較佳更包括于低壓阱110注入氧化抑制雜質(zhì)， 例如可摻雜氮。接著，將低壓阱110上的初始柵極氧化層114移除。在移除低壓阱110上 的初始柵極氧化層114后，將第二遮蔽層116移除。 接著，進(jìn)行本發(fā)明實(shí)施例的一關(guān)鍵步驟，如圖5所示，以第一溫度對(duì)襯底100進(jìn)行 第一熱處理以于低壓阱110及高壓阱112上分別形成第一柵極氧化層118與第二柵極氧化 層120，其中第一柵極氧化層118的厚度小于第二柵極氧化層120。這是因?yàn)樵谝粚?shí)施例中， 第二柵極氧化層120是由如圖4所示的初始柵極氧化層114與第一熱處理所生成的氧化層 共同組成，因而具有高壓元件所需的較厚柵極氧化層。此外，在一實(shí)施例中，更包括先于低 壓阱IIO上注入氧化抑制雜質(zhì)，例如氮，因此在第一熱處理下，低壓阱IIO上的柵極氧化層 的成長(zhǎng)速度較慢，而具有低壓元件所需的較薄柵極氧化層。此外，雖然第二柵極氧化層120 在上述實(shí)施例中，是由初始柵極氧化層114與第一熱處理所成長(zhǎng)的氧化層共同形成，然初 始柵極氧化層的形成并非必須。在其他實(shí)施例中，可省略初始柵極氧化層的形成步驟而僅 于低壓阱110上注入氧化抑制雜質(zhì)，如此仍能于第一熱處理進(jìn)行的過(guò)程中，于低壓阱110上 形成較薄的柵極氧化層，而于高壓阱112上形成較厚的柵極氧化層以符合各元件的需求。
第一熱處理的第一溫度為刻意選擇的溫度，以使柵極氧化層僅于低壓阱110與高 壓阱112上形成，而大抵不使存儲(chǔ)陣列區(qū)1上的氮化層106上表面氧化。在一實(shí)施例中，第 一溫度介于約75(TC至約95(TC之間，較佳介于約85(TC至約90(TC之間，以使周邊區(qū)2上柵 極氧化層成長(zhǎng)期間，大抵不于氮化層106上形成氧化層。這是因?yàn)樵谙鄬?duì)低溫的熱處理下， 氧化層不易于氮化層上生成。在一實(shí)施例中，第一熱處理是在純氧氣或氧氣氫氣混合的氣 氛下，以第一溫度熱處理約數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘。在一實(shí)施例中，例如可采用臨場(chǎng)蒸汽氧化 (in-situ steam generation, ISSG)工藝來(lái)進(jìn)行第一熱處理。 接著，于第一柵極氧化層118與第二柵極氧化層120中導(dǎo)入擴(kuò)散阻擋材料124。柵 極氧化層中所導(dǎo)入的擴(kuò)散阻擋材料可于后續(xù)工藝中，避免形成于其上的柵極(例如多晶硅 柵極)中的摻質(zhì)(如硼)擴(kuò)散穿過(guò)柵極氧化層，進(jìn)而到達(dá)低壓阱110或高壓阱112中而影 響元件的運(yùn)作。在一實(shí)施例中，擴(kuò)散阻擋材料124例如包括氮，可使用例如去耦合等離子氮 化(DPN)法將氮導(dǎo)入柵極氧化層中。在另一實(shí)施例中，可更包括進(jìn)行熱處理(例如氮化后 退火法)而將擴(kuò)散阻擋材料活化，進(jìn)一步增進(jìn)穩(wěn)定性與電性。氮化后退火的熱處理溫度可 介于約95(TC至約105(TC之間。 請(qǐng)接著參照?qǐng)D6，以高于第一溫度的第二溫度對(duì)襯底100進(jìn)行第二熱處理以于氮化層106上形成第二氧化層122。存儲(chǔ)陣列區(qū)1中的第一氧化層104、氮化層106、與第二氧化層122的迭層將共同組成電荷阻絕層。于此同時(shí)，第二熱處理亦會(huì)于第一柵極氧化層118與第二柵極氧化層120上形成氧化層，因此第一柵極氧化層118與第二柵極氧化層120將分別增厚為第一柵極氧化層118a與第二柵極氧化層120a。第二熱處理具有較高溫的第二溫度，因此即使于氮化層106上仍可形成第二氧化層122。且周邊區(qū)2的柵極氧化層已注入有氮，不再需要對(duì)襯底進(jìn)行氮的注入，可確保第二氧化層122不受氮化，確保電荷阻絕層的效能。在一實(shí)施例中，第二熱處理可為臨場(chǎng)蒸汽氧化(ISSG)工藝，第二熱處理溫度可介于約950。C至約IIO(TC之間，較佳介于約IOO(TC至約1050。C之間。第二熱處理可在氧氣及氫氣混合的氣氛下，以第二溫度熱處理約數(shù)分鐘。 此外，如圖4至圖6所示，第一柵極氧化層118a與第二柵極氧化層120a可能包括初始柵極氧化層、第一熱處理所生成的氧化層、與第二熱處理的氧化層。其中，第二熱處理所產(chǎn)生的氧化層的厚度受限于所需第二氧化層122的厚度，不易作調(diào)整。然所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可明了 ，仍可通過(guò)對(duì)初始柵極氧化層與第一熱處理所產(chǎn)生的氧化層的厚度控制(例如通過(guò)調(diào)整熱處理溫度與方式)，來(lái)獲得所需的最終第一柵極氧化層118a與第二柵極氧化層120a，以符合個(gè)別元件的需求。 在一實(shí)施例中，可接著如圖7所示，以已知方法(例如多晶硅層的沉積、材料層的圖案化、與源極/漏極區(qū)的注入等)于柵極堆迭102的電荷阻絕層上形成控制柵極126，并于低壓阱110與高壓阱112的第一柵極氧化層118a與第二柵極氧化層120a上分別形成低壓柵極128與高壓柵極130以形成存儲(chǔ)器元件。由于第一柵極氧化層118a與第二柵極氧化層120a中已注入有擴(kuò)散阻擋材料(例如氮)，因此低壓柵極或高壓柵極中的較小離子(例如硼)將難以穿過(guò)柵極氧化層到達(dá)阱，可確保低壓元件與高壓元件的運(yùn)作。此外，存儲(chǔ)陣列區(qū)1的第二氧化層122是在擴(kuò)散阻擋材料(例如氮)注入之后才形成，因而大抵不包括硼，不會(huì)有已知技術(shù)中，存儲(chǔ)器效能因上層氧化層氮化而衰退的問(wèn)題。 本發(fā)明實(shí)施例具有許多優(yōu)點(diǎn)。由于刻意選擇熱處理的方式，使氮化層106上大抵不形成氧化層。因此，不會(huì)有已知技術(shù)中電荷阻絕層的上氧化層受氮化的問(wèn)題發(fā)生。此外，使用本發(fā)明實(shí)施例的方法不需額外的光刻及刻蝕工藝，便可于柵極氧化層中注入擴(kuò)散阻擋材料。 雖然本發(fā)明已以數(shù)個(gè)較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作任意的更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求所界定范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法包括提供一襯底，所述襯底具有一存儲(chǔ)陣列區(qū)與一周邊區(qū)，且所述存儲(chǔ)陣列區(qū)包括至少一柵極堆迭；形成一第一氧化層于所述柵極堆迭上；形成一氮化層于所述第一氧化層上；對(duì)所述襯底注入以于所述周邊區(qū)中形成一低壓阱及一高壓阱；以一第一溫度對(duì)所述襯底進(jìn)行一第一熱處理以于所述低壓阱及所述高壓阱上分別形成一第一柵極氧化層與一第二柵極氧化層，所述第一柵極氧化層的厚度小于所述第二柵極氧化層，且所述第一熱處理大抵不使所述氮化層的上表面氧化；于所述第一柵極氧化層與所述第二柵極氧化層中導(dǎo)入一擴(kuò)散阻擋材料；以及以一高于所述第一溫度的第二溫度對(duì)所述襯底進(jìn)行一第二熱處理以于所述氮化層、所述第一柵極氧化層、及所述第二柵極氧化層上形成一第二氧化層。
2. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在對(duì)所述襯底注入以形成所述低壓阱及所述高壓阱的步驟前，所述方法更包括形成一第一遮蔽層于所述存儲(chǔ)陣列區(qū)上而露出所述周邊區(qū)。
3. 如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在形成所述低壓阱及所述高壓阱后，所述方法更包括于所述低壓阱及所述高壓阱上形成一初始柵極氧化層；于所述低壓阱注入一氧化抑制雜質(zhì)；以及移除所述低壓阱上的所述初始柵極氧化層。
4. 如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在形成所述初始柵極氧化層之前，所述方法更包括移除所述第一遮蔽層。
5. 如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在注入所述氧化抑制雜質(zhì)前，所述方法更包括形成一第二遮蔽層于所述存儲(chǔ)陣列區(qū)及所述高壓阱上的所述初始柵極氧化層上而露出所述低壓阱上的所述初始柵極氧化層。
6. 如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述氧化抑制雜質(zhì)包括氮。
7. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一溫度介于約75(TC至約95(TC之間。
8. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第二溫度介于約95(TC至約110(TC之間。
9. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述擴(kuò)散阻擋材料包括氮。
10. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，在導(dǎo)入所述擴(kuò)散阻擋材料后，所述方法更包括以一熱處理將所述擴(kuò)散阻擋材料活化。
11. 如權(quán)利要求10所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述熱處理的溫度介于約95(TC至約105(TC之間。
12. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，其特征在于，所述第一熱處理及所述第二熱處理包括臨場(chǎng)蒸汽氧化工藝。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的形成方法，所述方法包括提供具有存儲(chǔ)陣列區(qū)與周邊區(qū)的襯底，且存儲(chǔ)陣列區(qū)包括至少一柵極堆迭，依序形成第一氧化層與氮化層于柵極堆迭上，于周邊區(qū)中形成低壓阱及高壓阱，以第一溫度對(duì)襯底進(jìn)行第一熱處理以于低壓阱及高壓阱上形成柵極氧化層，且第一熱處理大抵不使氮化層的上表面氧化，于柵極氧化層中導(dǎo)入擴(kuò)散阻擋材料，以及以高于第一溫度的第二溫度對(duì)襯底進(jìn)行第二熱處理以于氮化層及柵極氧化層上形成第二氧化層。
文檔編號(hào)H01L21/8247GK101770989SQ20081019053
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者廖修漢, 石信卿, 蔣汝平, 蔡耀庭 申請(qǐng)人:華邦電子股份有限公司