專利名稱：一種sonos結(jié)構(gòu)及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體集成電路制造領(lǐng)域，尤其涉及ー種SONOS結(jié)構(gòu)及制造方法。
背景技術(shù)：
在半導體集成電路制造中，SONOS (硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅)復合柵結(jié)構(gòu)的氮化物層是在深能級中捕獲電荷，具有良好的電荷保持特性和較強的電荷捕獲點定位 性，使得SONOS結(jié)構(gòu)具備優(yōu)于其他柵極結(jié)構(gòu)的存儲特性，被廣范應用于快閃存儲器制造中。目前，SONOS結(jié)構(gòu)的制造一般采用エ藝流程為第一歩(如圖1A)，提供硅襯底100，在所述硅襯底100上依次沉積第一氧化層101，氮化硅層102，第二氧化層103和多晶硅層104 ;第ニ步(如圖1B)，刻蝕所述多晶硅層104，第二氧化層103，氮化硅層102和第一氧化層101，形成SONOS復合柵結(jié)構(gòu)。隨著快閃存儲器的尺寸進一步減小，低擦除速度和尚保持電荷的損失是具有電荷捕獲層的快閃存儲器制造必須面臨的挑戰(zhàn)。當作為氮化物的氮化硅層中Si與N的摩爾比組成不同時，其相應的電荷捕獲性能也不同，而且由于擦除狀態(tài)下的電荷損失依賴于氮化硅層內(nèi)部自建電場作用下空穴的重新分布，因此高的Si與N的摩爾比組成，即富Si組成，可使氮化硅層獲得更好的電荷捕獲性能和更低的電荷損失，進而提高SONOS器件的數(shù)據(jù)存儲能力和寫入/擦除速度。然而，現(xiàn)有エ藝制造的SONOS結(jié)構(gòu)的SiN層(氮化物)中Si與N的摩爾比為3 4，不能滿足高性能SONOS器件對富Si氮化物層的要求，因此需要ー種新的SONOS結(jié)構(gòu)及其制造方法，以獲得具有較高電荷捕獲和保持能力的富Si氮化物層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種SONOS結(jié)構(gòu)及制造方法，能有效提高氮化物層的電荷捕獲和保持能力，抑制保持電荷損失，提高器件的數(shù)據(jù)存儲能力及寫入/擦除速度。為解決上述問題，本發(fā)明提出ー種SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括如下步驟提供硅襯底，在所述硅襯底上依次沉積第一氧化層，富Si和/或富Ge的SiGeN層；等離子體氧化處理所述富Si和/或富Ge的SiGeN層頂層，并進行快速退火處理；在所述富Si和/或富Ge的SiGeN層上依次沉積第二氧化層和多晶硅層；刻蝕所述多晶硅層，第二氧化層，富Si和/或富Ge的SiGeN層和第一氧化層，形成SONOS復合柵結(jié)構(gòu)。進ー步的，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層采用CVD氣相沉積エ藝或熱爐沉積エ藝形成。進ー步的,所述富Si和/或富Ge的SiGeN層的沉積厚度為4nm 40nm。進ー步的，等離子體氧化處理所述富Si和/或富Ge的SiGeN層頂層IOA
loo A的厚度。進ー步的，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層中Si和N的摩爾比為6 : 4 7 : 3。
進ー步的，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層中Si和Ge的摩爾比為7 3 20 : I。進ー步的，所述第一氧化層由Al2O3和/或SiO2形成。進ー步的，所述第二氧化層由高介電常數(shù)的氧化物形成。進ー步的，所述高介電常數(shù)的氧化物選自Al2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SrTiO3,La2O3, BaTiO3的ー種或幾種。進ー步的，采用錫Sn或鉛Pb替代所述Ge形成氮化物電荷捕獲層。進ー步的，采用錫Sn替代所述Ge形成氮化物電荷捕獲層吋，沉積氣體為Sn (C2H5)4, SiH4 和 NH3 氣體，沉積溫度為 600-800°C，沉積壓カ為 0. 1-0. 3Torr0進ー步的，采用鉛Pb替代所述Ge形成氮化物電荷捕獲層時，沉積氣體為Pb (C2H5) 4，SiH4 和 NH3 氣體，沉積溫度為 600-800°C，沉積壓カ為 0. 1-0. 3Torr0根據(jù)本發(fā)明的另一面，提供ー種SONOS結(jié)構(gòu)，包括自下而上的硅襯底，第一氧化層，富Si和/或富Ge的SiGeN層，第二氧化層，多晶硅層，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層的頂層含有Si納米晶粒,和/或Ge納米晶粒,和/或SiGe納米晶粒。進ー步的，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層的厚度為4nm 40nm。進ー步的，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層中，Si和N的摩爾比為6 4 7 3，Si和Ge的摩爾比為7 3 20 I。進ー步的,所述富Si和/或富Ge的SiGeN層含有Si納米晶粒,和/或Ge納米晶粒，和/或SiGe納米晶粒的頂層厚度為IOA 100 A。進ー步的，所述第一氧化層由Al2O3和/或SiO2形成。進ー步的，所述第二氧化層由高介電常數(shù)的氧化物形成。進ー步的，所述高介電常數(shù)的氧化物選自Al2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SrTiO3,La2O3, BaTiO3的ー種或幾種。根據(jù)本發(fā)明的又一面，提供ー種SONOS結(jié)構(gòu)，包括自下而上的硅襯底，第一氧化層，富Si和/或富Sn的SiSnN層，第二氧化層，多晶硅層，所述富Si和/或富Sn的SiSnN層的頂層含有Si納米晶粒,和/或Sn納米晶粒,和/或SiSn納米晶粒。根據(jù)本發(fā)明的又一面，提供ー種SONOS結(jié)構(gòu)，包括自下而上的硅襯底，第一氧化層，富Si和/或富Pb的SiPbN層，第二氧化層，多晶硅層，所述富Si和/或富Pb的SiPbN層的頂層含有Si納米晶粒,和/或Pb納米晶粒,和/或SiPb納米晶粒。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過CVD氣相沉積形成富Si和/或富Ge的SiGeN層，并通過等離子體氧化處理富Si和/或富Ge的SiGeN層的頂層形成納米晶粒層，從而以未經(jīng)處理的SiGeN層和納米晶粒層作為電荷捕獲層，得到了硅襯底-第一氧化層-SiGeN層-納米晶粒層-第二氧化層-多晶硅的堆疊結(jié)構(gòu)，一方面通過富Si和/或富Ge的SiGeN層，增大電荷捕獲層的電荷捕獲陷阱密度和各層界面勢壘高度，增強電荷捕獲層內(nèi)部自建電場，有效提高該層的電荷捕獲和保持性能，抑制保持電荷損失；另一方面采用納米晶粒層的Si 納米晶粒，和/或Ge納米晶粒，和/或SiGe納米晶粒作為電荷捕獲點，其能帶隙較小，阱位置較穩(wěn)定，使得納米晶粒層捕獲的電荷不易失去，具有較高的電荷捕獲和保持能力；再加上SiGeN層為鍺摻雜氮化硅層，利用Ge有更多懸鍵，進一歩提高電荷的存儲。因此，由此獲得的SONOS結(jié)構(gòu)可有效提聞氣化物層的電荷摘獲和保持能力，抑制保持電荷損失，進而提聞器件的數(shù)據(jù)存儲能力及寫入/擦除速度。


圖IA至IB是現(xiàn)有技術(shù)的SONOS結(jié)構(gòu)的制造エ藝示意圖；圖2是本發(fā)明的SONOS結(jié)構(gòu)的制造エ藝流程圖；圖3A至3D是本發(fā)明的具體實施例的剖面示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提出的SONOS結(jié)構(gòu)及制造方法作進ー步詳細說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式，僅用于方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。如圖2所示，本發(fā)明提出ー種SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，該方法包括S201 S204步驟，下面結(jié)合圖3A 3D，對上述SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法的各步驟作詳細的描述。S201，提供硅襯底，在所述硅襯底上依次沉積第一氧化層，富Si和/或富Ge的SiGeN 層。請參考圖3A，在硅襯底300上，依次沉積第一氧化層301，富Si和/或富Ge的SiGeN層302 (富硅和/或富鍺的鍺摻雜氮化硅層)。第一氧化層301，作為器件的隧穿氧化層，用于襯底漏/源區(qū)電荷的隧穿，可以由Al2O3和/或SiO2采用常規(guī)的熱氧化工藝制作。優(yōu)選的，以摩爾比Si N為6 4 7 3，Si Ge為7 3 20 1，采用CVD氣相沉積エ藝或熱爐沉積エ藝進行沉積，形成富Si和/或富Ge的SiGeN層302，沉積厚度為4nm 40nm。本步驟中，引入富Si和/或富Ge的SiGeN層302作為器件的電荷捕獲層，提高了電荷捕獲陷阱密度，增強了該層內(nèi)部自建電場，可以有效提高該層的電荷捕獲和保持性能，抑制保持電荷損失。S202,等離子體氧化處理所述富Si和/或富Ge的SiGeN層頂層，并進行快速退火處理。請參考圖3B，采用等離子體氧化法，對所述富Si和/或富Ge的SiGeN層302的頂層進行處理，處理部分的厚度為IOA 100人，生成Si納米晶粒，和/或Ge納米晶粒，和/或SiGe納米晶粒,接著進行快速退火處理,進ー步促進Si納米晶粒,和/或Ge納米晶粒，和/或SiGe納米晶粒的生成，最終得到含有Si納米晶粒，和/或Ge納米晶粒，和/或SiGe納米晶粒的納米晶粒層302a。納米晶粒層302a和未經(jīng)處理的SiGeN層302b同時作為電荷捕獲層時，納米晶粒層302a中Si納米晶粒，和/或Ge納米晶粒，和/或SiGe納米晶粒作為電荷捕獲點，其能帶隙較小阱位置較穩(wěn)定，使得納米晶粒層302a捕獲的電荷不易失去，具有較高的電荷捕獲和保持能力。本步驟獲得了硅襯底-第一氧化層-SiGeN層-納米晶粒層堆疊結(jié)構(gòu)，通過電荷捕獲層內(nèi)部自建電場和各層界面勢壘高度差，進ー步提高器件的電荷摘獲和保持性能，抑制保持電荷損失，進而提聞器件的數(shù)據(jù)存儲能力及與入/擦除速度。S203，在所述富Si和/或富Ge的SiGeN層上依次沉積第二氧化層和多晶硅層。
請參考圖3C，在所述納米晶粒層302a上依次沉積第二氧化層303和多晶硅層304，第二氧化層303作為阻擋氧化層，用于阻擋穿過納米晶粒層302a的電荷，可以由高介電常數(shù)的氧化物采用常規(guī)的熱氧化工藝沉積。所述高介電常數(shù)的氧化物選自Al2O3, SiO2,HfO2, ZrO2, Ta2O5, SrTiO3, La2O3, BaTiO3的ー種或幾種。多晶硅層304作為柵電極層，可以采用常規(guī)的CVD氣相沉積。本步驟獲得了納米晶粒層-第二氧化層-多晶硅的堆疊結(jié)構(gòu)，通過電荷捕獲層內(nèi)部自建電場及各層界面勢壘高度差，進ー步抑制保持電荷損失，提高器件數(shù)據(jù)存儲能力及寫入/擦除速度。S204，刻蝕所述多晶硅層，第二氧化層，富Si和/或富Ge的SiGeN層和第一氧化層，形成SONOS復合柵結(jié)構(gòu)。請參考圖3D，對多晶硅層304，第二氧化層303，富Si和/或富Ge的SiGeN層302，第一氧化層301依次刻蝕，停止在硅襯底300上，形成SONOS復合柵結(jié)構(gòu)。 在本發(fā)明其他實施例中，還可以采用錫Sn或鉛Pb替代所述Ge，來制造SONOS結(jié)構(gòu)的氮化物層(電荷捕獲層)采用錫Sn替代所述Ge形成氮化物電荷捕獲層時，沉積氣體為Sn (C2H5) 4，SiH4和NH3氣體，沉積溫度為600_800°C，沉積壓カ為0. 1-0. 3Torr。采用鉛Pb替代所述Ge形成氮化物電荷捕獲層時，沉積氣體為Pb (C2H5) 4，SiH4和NH3氣體，沉積溫度為600-800°C，沉積壓カ為 0. 1-0. 3Torr0根據(jù)本發(fā)明的另一面，提供一種采用上述制造方法得到的SONOS結(jié)構(gòu)，參考圖3D，包括自下而上的硅襯底(S)300，第一氧化層(0)301，富Si和/或富Ge的SiGeN層(N) 302，第二氧化層(0)303，多晶硅層(S) 304。所述富Si和/或富Ge的SiGeN層302厚度為4nm 40nm，其中Si和N的摩爾比為6 : 4 7 : 3，Si和Ge的摩爾比為7 3 20 1，所述
富Si和/或富Ge的SiGeN層頂層IOA 100 A厚度的部分302a含有Si納米晶粒，和/或Ge納米晶粒,和/或SiGe納米晶粒。所述第一氧化層由SiO2,或Al2O3和SiO2形成,所述第二氧化層由高介電常數(shù)的氧化物形成，所述高介電常數(shù)的氧化物選自Al2O3, SiO2, HfO2,ZrO2, Ta2O5, SrTiO3, La2O3, BaTiO3 的一種或幾種。根據(jù)本發(fā)明的又一面，提供ー種SONOS結(jié)構(gòu)，包括自下而上的硅襯底，第一氧化層，富Si和/或富Sn的SiSnN層，第二氧化層，多晶硅層，所述富Si和/或富Sn的SiSnN層的頂層含有Si納米晶粒,和/或Sn納米晶粒,和/或SiSn納米晶粒。根據(jù)本發(fā)明的又一面，提供ー種SONOS結(jié)構(gòu)，包括自下而上的硅襯底，第一氧化層，富Si和/或富Pb的SiPbN層，第二氧化層，多晶硅層，所述富Si和/或富Pb的SiPbN層的頂層含有Si納米晶粒,和/或Pb納米晶粒,和/或SiPb納米晶粒。綜上所述，本發(fā)明通過CVD氣相沉積形成富Si和/或富Ge的SiGeN層，并通過等離子體氧化處理富Si和/或富Ge的SiGeN層的頂層形成納米晶粒層，從而以未經(jīng)處理的SiGeN層和納米晶粒層作為電荷捕獲層，得到了硅襯底-第一氧化層-SiGeN層-納米晶粒層-第二氧化層-多晶硅的堆疊結(jié)構(gòu)，一方面通過富Si和/或富Ge的SiGeN層，増大電荷捕獲層的電荷捕獲陷阱密度和各層界面勢壘高度，增強電荷捕獲層內(nèi)部自建電場，有效提高該層的電荷捕獲和保持性能，抑制保持電荷損失；另一方面采用納米晶粒層的Si納米晶粒，和/或Ge納米晶粒，和/或SiGe納米晶粒作為電荷捕獲點，其能帶隙較小，阱位置較穩(wěn)定，使得納米晶粒層捕獲的電荷不易失去，具有較高的電荷捕獲和保持能力；再加上SiGeN層為鍺摻雜氮化硅層，利用Ge有更多懸鍵，進一歩提高電荷的存儲。因此，由此獲得的SONOS結(jié)構(gòu)可有效提聞氣化物層的電荷摘獲和保持能力，抑制保持電荷損失，進而提聞器件的數(shù)據(jù)存儲能力及寫入/擦除速度。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利 要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括 提供硅襯底，在所述硅襯底上依次沉積第一氧化層，富Si和/或富Ge的SiGeN層； 等離子體氧化處理所述富Si和/或富Ge的SiGeN層頂層，并進行快速退火處理； 在所述富Si和/或富Ge的SiGeN層上依次沉積第二氧化層和多晶硅層； 刻蝕所述多晶硅層，第二氧化層，富Si和/或富Ge的SiGeN層和第一氧化層，形成SONOS復合柵結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層采用CVD氣相沉積エ藝或熱爐沉積エ藝形成。
3.如權(quán)利要求I所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層的沉積厚度為4nm 40nm。
4.如權(quán)利要求I所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在干，等離子體氧化處理所述富Si和/或富Ge的SiGeN層頂層10人 100 A的厚度。
5.如權(quán)利要求I所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層中Si和N的摩爾比為6 4 7 3。
6.如權(quán)利要求I所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層中Si和Ge的摩爾比為7 3 20 I。
7.如權(quán)利要求I所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述第一氧化層由Al2O3和/或SiO2形成。
8.如權(quán)利要求I所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述第二氧化層由高介電常數(shù)的氧化物形成。
9.如權(quán)利要求8所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述高介電常數(shù)的氧化物選自 Al2O3, SiO2, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SrTiO3, La2O3, BaTiO3 的ー種或幾種。
10.如權(quán)利要求I所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在干，采用錫Sn或鉛Pb替代所述Ge形成氮化物電荷捕獲層。
11.如權(quán)利要求10所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在干，采用錫Sn替代所述Ge形成氮化物電荷捕獲層時，沉積氣體為Sn(C2H5)4, SiH4和NH3氣體，沉積溫度為600_800で，沉積壓カ為0. 1-0. 3Torr。
12.如權(quán)利要求10所述的SONOS結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，采用鉛Pb替代所述Ge形成氮化物電荷捕獲層時，沉積氣體為Pb (C2H5)4, SiH4和NH3氣體，沉積溫度為600-800°C，沉積壓カ為0. 1-0. 3Torr。
13.—種SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括自下而上的硅襯底，第一氧化層，富Si和/或富Ge的SiGeN層，第二氧化層，多晶硅層，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層的頂層含有Si納米晶粒，和/或Ge納米晶粒,和/或SiGe納米晶粒。
14.權(quán)利要求12所述的SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層的厚度為4nm 40nm。
15.權(quán)利要求14所述的SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層中，Si和N的摩爾比為6 : 4 7 : 3。
16.權(quán)利要求14所述的SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層中，Si和Ge的摩爾比為7 3 20 I。
17.權(quán)利要求14所述的SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述富Si和/或富Ge的SiGeN層含有Si納米晶粒，和/或Ge納米晶粒，和/或SiGe納米晶粒的頂層厚度為〗OA ~ I 00 A。
18.權(quán)利要求14所述的SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第一氧化層由Al2O3和/或SiO2形成。
19.權(quán)利要求14所述的SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第二氧化層由高介電常數(shù)的氧化物形成。
20.權(quán)利要求19所述的SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述高介電常數(shù)的氧化物選自Al2O3,SiO2, HfO2, ZrO2, Ta2O5, SrTiO3, La2O3, BaTiO3 的ー種或幾種。
21.—種SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括自下而上的硅襯底，第一氧化層，富Si和/或富Sn的SiSnN層，第二氧化層，多晶硅層，所述富Si和/或富Sn的SiSnN層的頂層含有Si納米晶粒，和/或Sn納米晶粒,和/或SiSn納米晶粒。
22.—種SONOS結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括自下而上的硅襯底，第一氧化層，富Si和/或富Pb的SiPbN層，第二氧化層，多晶硅層，所述富Si和/或富Pb的SiPbN層的頂層含有Si納米晶粒，和/或Pb納米晶粒,和/或SiPb納米晶粒。
全文摘要
本發(fā)明提供一種SONOS結(jié)構(gòu)及制造方法，通過CVD氣相沉積形成富Si和/或富Ge的SiGeN層，并等離子體氧化處理富Si和/或富Ge的SiGeN層的頂層形成納米晶粒層，從而以未經(jīng)處理的SiGeN層和納米晶粒層作為電荷捕獲層，得到了硅襯底-第一氧化層-SiGeN層-納米晶粒層-第二氧化層-多晶硅的堆疊結(jié)構(gòu)，一方面通過富Si和/或富Ge的SiGeN層，增大電荷捕獲陷阱密度和各層界面勢壘高度，增強電荷捕獲層內(nèi)部自建電場，提高電荷捕獲和保持性能，抑制保持電荷損失；另一方面采用納米晶粒層的納米晶粒作為電荷捕獲點，其能帶隙較小，阱位置較穩(wěn)定，使得納米晶粒層捕獲的電荷不易失去，具有較高的電荷捕獲和保持能力。
文檔編號H01L21/28GK102646579SQ201110039629
公開日2012年8月22日 申請日期2011年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月17日
發(fā)明者三重野文健, 何永根, 史運澤, 禹國賓 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司