专利名称：Ono结构中的氧化层的形成方法
技术领域：
本发明是有关于一种半导体元件及其形成方法，且特别是有关于一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅(O/N/O)结构的半导体元件，及其中的氧化物的形成方法。
背景技术：
在传统工艺中，具有ONO结构的元件的形成方法是将穿隧层、氮化硅层以及顶氧化层覆盖于一基底上。之后再进行一蚀刻工艺，以图案化ONO结构。
ONO结构之中的顶氧化层可通过氧化氮化硅方式形成。然而，传统的氮化硅氧化工艺必须耗费许多时间，且具有较高的热预算。举例来说，在某些传统工艺中，是将氮化硅放置在一炉管内，并将温度维持在摄氏1000度下持续60分钟，以对氮化硅进行湿式氧化工艺。
此外，传统工艺通常都会在氧化步骤完成后，接着进行清洗工艺。而在清洗过程中却可能会蚀刻顶氧化层，甚至暴露出氮化硅层的角落，以致于从氮化硅层至其后形成的多晶硅栅极间产生漏电流。因此，储存在氮化硅层中的电荷便会流失，进而导致元件产生电性问题。
为了避免顶氧化层在清洗过程中的损失，公知的作法是先沉积穿隧层与氮化硅层，并将其图案化，之后再以湿式氧化法在氮化硅层上长出顶氧化层。然而，湿式氧化法对于基底与氮化硅层的氧化选择比相当高，因此，湿式氧化法对基底的氧化速率会远大于氮化硅层的氧化速率。举例来说，若欲以湿式氧化法形成厚度100埃的顶氧化层，结果将会在基底上形成厚度1000埃的氧化层。由此可知，若使用公知的湿式氧化工艺形成顶氧化层，则当顶氧化层完成后，还需将基底上的厚氧化层移除。如此一来便会增加工艺的复杂度，也会导致一不平坦的基底表面。
在基底上形成氧化层的方法有一种称为原位蒸汽生成(in situsteam generation，ISSG)工艺。ISSG工艺是将基底(通常为半导体晶圆)加热至一足够的高温，以催化含氧的气体与含氢的气体间的反应，使其形成氧自由基。则此氧自由基即可有效地氧化基底上的硅或是氮化硅。
美国专利6184155号叙述的一种二步骤ISSG工艺，其适用于在具有窄信道长度的MOSFET中形成一超薄的二氧化硅栅极绝缘层。进行第一次蒸汽氧化并在氮的氧化物周遭进行原位回火后，接着再进行第二次的蒸汽氧化以及在氮的氧化物周遭的原位回火。此二步骤工艺可形成一厚度约在10埃至20埃之间的二氧化硅层，其与非利用此二步骤的ISSG工艺所形成的二氧化硅层相较下，可在MOSFET元件的预备或操作模式下，提供一具有较小的漏电流的栅极绝缘层。
美国专利6171911号所叙述的一种工艺可以在MOSFET元件中依序且有选择性地形成两种不同厚度的热生成氧化硅，并由场隔离区定义出晶圆上的区域。传统形成栅极氧化层的方法是在晶圆上所有暴露出的区域上形成一层厚氧化层，然后在晶圆上配置一罩幕，并将罩幕被图案化以暴露出欲形成薄氧化层的区域。接着，以湿式蚀刻法利用氢氟酸将罩幕层所裸露的区域中的厚氧化层移除。之后再将罩幕剥除，并利用不含氢氟酸的水溶液清洗晶圆。接着将晶圆置于一含有氢气与氮气的环境下，再以低压快速热回火的方式移除原生氧化层(native oxide)并钝化硅表面，以使残留的氧化层厚度减少至大约4埃。其中，热回火工艺中的温度约为摄氏600度至1050度。上述的方法可改善氧化层厚度的均匀性及其氧化品质，而剩下的氧化薄膜经由上述的回火过程后，即可成为更坚固的氧化硅。
发明内容
根据本发明所述，先形成穿隧层及氮化硅层并将其图案化之后，再于一含有氧自由基的环境下进行一原位蒸汽生成(in situ steamgeneration，ISSG)工艺，以同时形成MOS区域中的顶氧化层、埋入式漏极氧化层以与栅极氧化层。将暴露的图案化氮化硅暴露于氧自由基下，可以较少的时间氧化氮化硅，例如约1分钟。所以工艺所耗费的时间可因此缩短许多，并可降低热预算。此外，因为本发明的氮化硅层的上表面与侧壁皆覆盖有顶氧化层，因此在后续的清洗工艺中，即可避免暴露出氮化硅。且由于多晶硅栅极与顶氧化层接触面积的增加，因而增进了栅极的耦合比。
就一广义方面来看，本发明的特征在于提供一种具有ONO结构的半导体其氧化层的形成方法。此方法是在基底上沉积穿隧氧化层以及氮化硅层，并利用微影工艺将其图案化。再于一含有氧自由基的环境下进行快速热氧化工艺，以在图案化的氮化硅层的上表面及侧壁上形成顶氧化层，并同时在基底中形成埋入式扩散区(源极/漏极)，以及在基底的MOS区域中形成栅极氧化层。
此处所谓的氧自由基，是指一种含有一或多对未成对电子且独立存在的含氧物种。而未成对电子指的是在一个原子或分子的轨道上只存在一个电子。氧自由基是一种强氧化剂，其可使氮化硅快速氧化。因为基底与氮化硅层的氧化速率差异较小，所以基底与氮化硅层的氧化选择性也较低。
依照本发明所述，顶氧化层、埋入式漏极氧化层以及MOS的栅极氧化层可同时形成而不必分成多个步骤。因此本发明能够简化工艺，并可缩短工艺时间，降低工艺的热预算。
就另一广义方面来看，本发明的特征在于提供一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅(O/N/O)结构的半导体元件的形成方法。此方法是先形成第一氧化硅层以及氮化硅层覆盖于基底上，再图案化第一氧化硅层与氮化硅层。接着在存有自由基氧化剂的环境下进行快速热回火工艺，以便于同时在氮化硅所暴露出的表面上形成第二氧化硅层，并在基底上形成栅极氧化层。
就另一广义方面来看，本发明的特征在于提供一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅(O/N/O)结构的存储器元件的制造方法。此方法是先在基底上形成第一氧化硅层与氮化硅层，其中基底上具有一存储器区以及一金氧半导体区。接着图案化第一氧化硅层与氮化硅层，以在存储单元区上形成图案化的第一氧化硅层与氮化硅层。然后在图案化的第一氧化硅层其彼此之间的基底中形成源极/漏极，再于存有自由基氧化剂的环境下进行快速热回火，以同时在图案化的氮化硅所暴露出的表面上形成第二氧化硅层，在埋入式源极/漏极上形成埋入式漏极氧化层，并在金氧半导体区上形成栅极氧化层。
在本发明的某些实施例中，自由基氧化剂包括一氧自由基。而在一特定的实施例中，氧自由基为O-。
在本发明的某些实施例中，所形成的第二氧化硅层与栅极氧化层的厚度比约在0.6∶1至0.8∶1之间。而在某些实施例中，所述的元件为具有埋入式源极/漏极的且所形成的埋入式漏极氧化层的厚度系远大于栅极氧化层的厚度的存储元件。
在本发明的某些实施例中，快速热回火工艺为一原位蒸汽生成工艺。在此工艺中需将基底(例如是半导体晶圆)的温度加热至一适当的温度范围内，并在一适当时间内导入含氧气体与含氢气体，且其流速均需维持在适当范围内，以完成氧化工艺。在某些实施例中，系同时导入含氧气体与含氢气体，且其与载气的比例落于适当范围之内。
在本发明的某些实施例中，含氢的气体为氢气(H2)，含氧的气体为氧气(O2)。而工艺中若有使用载气，则载气为氮气(N2)。其中氢气与氧气的导入流速系成比例的，且其流速比例(H2/H2+O2)约在O.1％至40％之间，较佳的是约在5％至33％之间。而在特定的实施例中，氢气与氧气的流速比(H2∶O2)大约是1∶19或1∶3或1∶2。晶圆的温度则维持在约摄氏700度至1300度之间，较佳的是大约摄氏900度至1150度之间。晶圆暴露于此混合气体下的时间取决于欲形成的氧化层厚度、气体流速以及温度。暴露时间短则1至10秒，长则100至1000秒，甚至更久。晶圆暴露于混合气体下的时间通常是10秒，而在特定的实施例中是30秒，某些实施例中为120秒，其它实施例中则为300秒，更有其它实施例其晶圆的暴露时间为500秒。本发明的特定实施例中，当工艺所使用的温度系为摄氏850度、900度、950度或是1000度。氧气与氢气的流速比值(H2/H2+O2)约为5％、25％或是33％(例如，氢气的流速为6slm，而氧气的流速为12slm)时，则工艺所需的时间即大约为30秒、60秒、90秒或是120秒。
就另一广义方面来看，本发明的特征在于提供一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅结构的半导体元件。此元件包括覆盖于基底上的第一氧化硅层、覆盖住部分的第一氧化硅层的氮化硅层、完全覆盖住氮化硅层并与第一氧化硅层接触的第二氧化硅层以及覆盖于第二氧化硅层上的栅极导体层。
就另一广义方面来看，本发明的特性在于提供一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅结构的非挥发性存储器的存储单元。此存储单元包括位于基底中的埋入式源极与漏极、覆盖于埋入式漏极/源极上的埋入式漏极/源极氧化层、覆盖于埋入式漏极与埋入式源极间的基底上以及部分埋入式漏极/源极氧化层上的第一氧化硅层、覆盖于部分的第一氧化硅层上的氮化硅层、完全覆盖住氮化硅层并与第一氧化硅层接触之第二氧化硅层以及覆盖于第二氧化硅层上的栅极导体层。
就另一广义方面来看，本发明的特性在于提供一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅结构于非挥发性存储器中的存储单元，包括位于基底中的埋入式源极与漏极、覆盖于埋入式漏极/源极上的埋入式漏极/源极氧化层、覆盖于漏极/源极间的基底以及部分埋入式漏极/源极氧化层上的第一氧化硅层、覆盖于部分的第一氧化硅层上的氮化硅层、完全覆盖住氮化硅层并与第一氧化硅层接触的第二氧化硅层以及覆盖于第二氧化硅层上的栅极导体层。
在本发明的某些实施例中，在氮化硅(SiN)上的氧化层与在硅(Si)上的氧化层的厚度比(SiN∶Si)约为0.6∶l至0.8∶1，较佳的是约为0.68∶1至0.78∶1。
为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
图1是公知氧化工艺的步骤流程图。
图2A图至图2G是图1中每一步骤的剖面示意图。
图3是本发明的一实施例的一种氧化工艺的步骤流程图。
图4A至图4G是图3中每一氧化工艺步骤的剖面示意图。
图5是依照公知工艺所形成的ONO结构的剖面示意图。
图6是依照本发明的工艺所形成的ONO结构的剖面示意图。
100公知工艺
102～116、302～314工艺步骤202、402、502、602基底204、404隔离结构206、406第一区域208、408第二区域210、410穿隧氧化层212、213、226、412、426、427、526、626氮化硅层214、228、428、528、628顶氧化层220、222、420、422、500、600ONO结构224、424、524、624底氧化层230、430源极/漏极区232、233、432、532、632埋入式扩散区(源极/漏极)234、434、534、634埋入式源极/漏极氧化层236、436栅极氧化层238、438、528、638多晶硅层300本发明的工艺421、423、522、622ONO堆栈结构527、627氮化硅层的边缘529顶氧化层的边缘具体实施方式
以下将配合本发明的每一实施例的说明图标，对本发明加以详细叙述。此些图标概略地绘示本发明的某些特征以及与其相关的其它特征与结构，并未按照一定的比例作图。图中本发明的实施例的构件若与其它图标中的构件相同，虽然在所有图中都可轻易辨认出此些构件，但为了使图标的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同的构件的标号标于每一图中。
依照本发明的实施例，在ISSG的条件下，于加热的晶圆表面上使氢气与氧气产生反应，即可形成氧自由基。原位蒸汽生成工艺是属于一低压工艺，其是以一比例将氧气与氢气混合后，未经事先的燃烧过程即直接导入工艺腔室内。晶圆被加热后可视为一点火源，使氢气与氧气间的反应即会发生在晶圆表面附近(原位)。一般来说，在ISSG工艺的条件下，主要是通过以下的反应式来产生氧自由基。
在ISSG氧化工艺中，氢气的存在可加速氧分子游离形成易反应的氧原子。依照本发明所述，在ISSG工艺中氮化硅上的氧化物的形成速率(即氧化物的形成厚度相对于氮化硅的损耗厚度)显现出其与氧原子(氧自由基O-)浓度有很强的关连性，而与其它种类的分子或原子无关。氧自由基O-的浓度并非取决于反应气体的体积，而是取决于压力、温度以及氢气在腔室中的相对数量。
腔室中的压力与温度的主要功能是使分子间产生碰撞，而压力或流速的主要功能则是使分子再结合。在分子发生碰撞与再结合的期间，自由基的生成平衡会使得氧自由基达到最高的浓度。因此，ISSG工艺是依腔室内所使用的工艺压力、气体流速以及温度而定，且上述之值皆在一特定的范围内。因此，在本发明的某些实施例中，使用以下参数的工艺可得到较佳的效能温度约在摄氏800度至1000度的范围内，压力约在1托(torr)至20托的范围内，而H2+O2的流速大约是在1slm至40slm的范围内。且H2/H2+O2的比值大约是在0.1％至40％的范围内。
在本发明的某些实施例中，载气与氢气和氧气的混合气体一起流过腔室，用以提高压力的均匀性。其中载气例如是氮气。但由于载气在氧自由基的原位生成工艺中并不是必要的元素，因此其流速可以是0slm(若无使用载气)至50slm之间。
在公知工艺中，所使用的氢气与氧气的比例相当高，例如是1/67∶1，且反应温度例如是摄氏1000度，在氮化硅上的氧化物与硅上的氧化物的生成速率的比值(SiN/Si)例如是约0.26。而依照本发明的作法，可使氮化硅上的氧化物与硅上的氧化物的生成速率达到更高之比值，亦可在氮化硅与硅的表面上同时生成氧化物。
图1所示的流程图为具有ONO结构的元件形成氧化物的公知工艺100。而图2A至图2G则为公知工艺中不同阶段所形成的结构的剖面示意图。请参照图1及图2A，公知工艺100的步骤102，是在基底202中形成隔离结构204，以定义出第一区域206以及第二区域208。基底202例如是一硅晶圆，而隔离结构204例如是沟渠式隔离结构。第一区域206用以形成存储单元，而第二区域208则用以形成逻辑元件。接着在步骤104中，在第一区域206及第二区域208上形成穿隧氧化层210，如图2B所示。再于步骤106中，沉积一层氮化硅层212覆盖于穿隧氧化层210上，如图2C所示。然后在步骤108中，对氮化硅层212进行氧化工艺，以形成顶氧化层214。由于氧化过程中氮化硅层212的顶部会有部分被耗损，因而所留下的氮化硅层213的厚度较薄，如图2D所示。此时即完成ONO薄膜的形成。再于步骤110中，利用一罩幕(未绘示)进行图案化工艺，以于基底202的第一区域206上定义出ONO结构220以及ONO结构222，并暴露出第二区域208中的基底202的表面。所形成的每一ONO结构220与222皆构成一ONO堆栈结构，且由基底202依序往上分别为底氧化层224、氮化硅层226以及顶氧化层228。而本实施例是通过源极/漏极区230隔开ONO堆栈结构。在步骤112中，进行离子植入工艺，以形成埋入式扩散区232，并构成一埋入式源极/漏极，如图2E所示。然后在步骤114中，进行一氧化工艺，以于第二区域208上生成元件栅极氧化层236，并且生成源极/漏极氧化层234。而由于部分的埋入式扩散区232在氧化过程中被损耗，因此会产生厚度较薄的埋入式扩散区233，如图2F所示。在此处所使用的条件下，ONO结构中的顶氧化层厚度的增加量非常小，相当于无意义的数量，例如是数埃。在步骤116中，多晶硅层238沉积覆盖于栅极氧化层236、ONO结构220与222以及埋入式源极/漏极氧化层234之上，如图2G所示。
然而，值得注意的是，移除覆盖于第二区域上的氧化层210将使得整个工艺更加复杂，且会在第二区域208上产生一不平坦的表面。
图3是本发明的一实施例的一种氧化工艺的步骤流程图。而图4A至图4G则为本发明的氧化工艺300中不同阶段所形成的结构的剖面示意图。请参照图3及图4A，工艺300的步骤302，是在基底402中形成一隔离结构404，以定义出第一区域406与第二区域408。第一区域406用以形成存储单元；而第二区域408用以形成逻辑元件隔离结构。基底402例如是一硅晶圆，而隔离结构例如是沟渠式隔离结构404。在步骤304中，形成穿隧氧化层410覆盖住第一区域406及第二区域408，如图4B所示。再于步骤306中，沉积一层氮化硅层412覆盖于穿隧氧化层410上，如图4C所示。这些步骤皆可以利用公知技术来完成。而且，请参照图4C，完成这些步骤的结果是提供一个具有由隔离结构404所定义出的区域的基底402，且在此些区域上覆盖有一穿隧氧化层410，而穿隧氧化层410上则形成有一具有暴露出的表面的氮化硅层412。依据本发明所述，在步骤308中利用罩幕(未绘示)进行一图案化工艺，以定义出基底402的第一区域406上预定形成的ONO结构中的底氧化层部分424以及氮化硅层部分426，如图式中标记420与422所示的结构，并暴露出第二区域408中的基底402表面，如图4D所示。此时，第二区域408中的逻辑元件的栅极氧化层与ONO结构中的顶氧化层皆未形成。而本实施例中，已定义的氧化物与氮化物所构成的部分完成的ONO堆栈结构之间为一源极/漏极区430。在步骤310中，进行一离子植入工艺，以在基底402的源极/漏极区430中形成一埋入式扩散区，以构成埋入式源极/漏极432，如图4E所示。
然后，依照本发明所述，在步骤312中，于存在一氧自由基的环境下进行快速热氧化(Rapid Therma1 Oxidation，RTO)工艺，以同时形成顶氧化层428、埋入式漏极/源极氧化层434以与栅极氧化层436，如图4F所示。且在生成顶氧化层428的同时，会耗损部分的氮化硅层426，而剩下较薄的氮化硅层427。由上述工艺所形成的每一ONO结构421与423皆构成一ONO堆栈结构，且由基底402依序往上分别为底氧化层424、氮化硅层427以及顶氧化层428。
之后，在步骤314中，沉积多晶硅层438覆盖住栅极氧化层436、ONO堆栈结构421与423以及埋入式源极/漏极氧化层434，如图4G所示。
请参照图5，其为依照公知工艺在存储单元区所形成的ONO结构500的剖面示意图。ONO结构500形成在基底502上，其包括一ONO堆栈结构522，而此ONO堆栈结构522是由基底502依序往上分别为底氧化层524、氮化硅层526以及顶氧化层528所组成。埋入式扩散区(源极/漏极区)532形成于与ONO堆栈结构522相邻的基底502中，其形成方法例如是离子植入法。源极/漏极氧化层534则是通过氧化埋入式扩散区532而成。多晶硅层538覆盖于ONO堆栈结构522的顶氧化层528以及与ONO堆栈结构522相邻的源极/漏极氧化层534上。值得注意的是，使用公知湿式氧化工艺形成上述ONO堆栈结构522的顶氧化层528后，需要再进行一清洗工艺，而此清洗工艺将会蚀刻顶氧化层528，并暴露出氮化硅层526的角落或边缘。请再参考图5，以公知方法所形成的ONO堆栈结构522中，当顶氧化层538的边缘529遭受蚀刻的破坏时，将会暴露出氮化硅层的边缘527。当多晶硅层538沉积覆盖于此堆栈结构上时，氮化硅层所暴露出的边缘527会与覆盖于其上的多晶硅层538接触，而从氮化硅层526至多晶硅层528形成一漏电流路径，并因此降低ONO结构500的效能。
本发明可避免上述漏电流的问题。图6为依照本发明而形成的一种ONO结构600的剖面示意图。请参照图6，本发明的ONO结构600形成在基底602上，其包括一ONO堆栈结构622，而ONO堆栈结构622是由基底602依序往上分别为底氧化层624、氮化硅层626以及顶氧化层628所组成。埋入式扩散区(源极/漏极区)632形成于与ONO堆栈结构622相邻的基底602中，其形成方法例如是离子植入法。源极/漏极氧化层634则是在含氧自由基的RTO工艺中，通过氧化埋入式扩散区632而成。且顶氧化层628亦是在此工艺中与源极/漏极氧化层634同时形成，如前述有关图3及图4D至图4F的说明。而多晶硅层638覆盖于ONO堆栈结构622的顶氧化层628以及与ONO堆栈结构622相邻的源极/漏极氧化层634之上。依照本发明所述，本发明的顶氧化层628，是于图案化氮化硅层626及底氧化层624之后，从氮化硅层626所暴露出的表面上氧化形成。而且此方法所形成的顶氧化层628可完全覆盖住氮化硅层626的边缘与角落，且顶氧化层628包围着氮化硅层626的边缘而与邻近部分的源极/漏极氧化层634接触。因此，氮化硅层626可与之后形成于其上的多晶硅层638完全隔离，进而改善ONO结构600的效能与可靠度。
实例一在本实例中，在晶圆基底上形成图案化的氮化硅(SiN)与硅(Si)表面，再将晶圆放置在原位蒸汽生成的炉管内。接着在ISSG腔室中将晶圆加热至约摄氏950度，并使其暴露于氢气、氧气以及作为载气的氮气下约300秒，以在硅与氮化硅的表面上形成氧化层。其中ISSG工艺的腔室中氢气的流速为2slm，氧气的流速为8slm。而在硅表面上所形成的氧化层厚度约为158埃，在氮化硅表面上所形成的氧化层厚度约为128埃。
实例二本实例将比较利用ISSG工艺在氮硅化合物(SiN)上生成氧化物的速率的实际值与由反应式推导而得的理论值其间的差异。
而理论值速率可由以下式子推导而出
Si3N4-(28.086×3+14×4g/mole)/(3.1g/cm3)＝45.25cm3/moleSiO2-(28+16×2g/mole)/(2.21g/cm3)＝27.18cm3/mole(27.18×3)/45.25＝1.8若将ISSG工艺的实验资料中的氧化层生成厚度相对于氮化硅层(SiNGen)的耗损厚度绘制成一关系图，则所得的斜率为1.6301。而位于顶氧化层与氮化层的界面的薄层中的氮合并氧化物(氮氧化物)的形成，可用以说明理论值速率与所测得的实验值速率间的差异。且由于氮合并氧化物的存在，使得氧化物层-氮化物层的界面的精准位置，尤其是在ONO堆栈结构中的顶氧化薄膜与氮化物层的界面的精准位置难以决定。
实例三本实例将比较在三种不同温度下的ISSG工艺中，其氮硅化合物(二氯硅烷，DCS)上的氧化层的生成速率。此三种温度分别为摄氏850度、900度以及950度。而每一温度下的晶圆皆暴露于氢气与氧气中，且氢气与氧气的流速比(H2/H2+O2)大约是33％(H2流速为6slm，而O2流速为12slm)。而测量氧化层厚度的时间间隔大约是30秒、60秒、90秒以及120秒。
在温度为摄氏850度的工艺中，氧化层在氮化硅及硅上的生成速率比(SiN/Si)约在0.68∶1至0.75∶1的范围内。在温度为摄氏900度的工艺中，氧化层在氮化硅及硅上的生成速率比(SiN/Si)约在0.69∶1至0.75∶1的范围内。而在温度为摄氏950度的工艺中，氧化层在氮化硅及硅上的生成速率比(SiN/Si)约在0.72∶1至0.78∶1的范围内。
公知方法在氮化硅层上的薄氧化膜的形成是依据线性生成法(linear growth law)则而得。相对地，ISSG工艺中的氧化层的形成显然是利用控制其扩散而得。当氧化层厚度的数值平方与氧化时间呈线性比例时，则其符合抛物线生成法则(parabolic growth law)。
实例四本实例将比较不同参数的ISSG工艺中的氮化硅(DCS)上的氧化层生成速率。工艺中氢气与氧气的比值(H2/H2+O2)分别为约25％以及约33％，且温度分别约为摄氏850度、900度以及950度。而测量氧化层厚度的时间间隔大约是30秒、60秒、90秒以及120秒。并利用一灯式(lamp type，XT)单晶圆腔室于事先形成氮化硅膜。一般来说，在较高温的工艺中，每一时间间隔内所形成的氧化层皆会较厚。也就是说，在较高温下的工艺中，其氧化层生成速率较快，因为氧自由基中明显增加的动能可使其更容易克服活性能的障碍。而且，在每一工艺温度下，H2/H2+O2比值愈高其氧化层的生成速率愈快。因此，在一给定的工艺温度下，氢气浓度愈高，则氧化层达到指定厚度所需的工艺时间愈短。明显地，氢气的高浓度可加速氧分子游离为易反应的氧自由基，进而使更多氧自由基能够参与反应。
实例五在本实例中，氧化层是利用摄氏850度及950度的ISSG工艺形成于氮化层上。而此氮化层可以是利用多种不同的方式形成，其包括二氯硅烷基(DCS-based)的氮化层(XT lamp type腔室)、利用单晶圆腔室(XT lamp type)生成的烷基氮化物以及利用SiNGen单晶圆腔室系统所生成的烷基氮化物。如预期的，在较高的温度下顶氧化层的生成速度较快。且在同一温度下，上述三种不同型式的薄膜上的氧化层生成速率相似。
上述之一或更多参数的恰当值，将会因其它一或更多的参数值而有所不同。举例来说，通常在较高的工艺温度下，即可缩短工艺所需的时间。而且，在任一给定的工艺温度下，若是混合气体中氢气相对于氧气的比例较高，工艺时间也会较短。这些实例是依照本发明而在此提供建议方针，用以决定较佳的参数结合，并非用以表现特定的实行法。
权利要求
1.一种ONO结构的形成方法，其特征是，该方法包括在一基底的表面上提供一氧化物-氮化物薄膜，该氧化物-氮化物薄膜包括一第一氧化层，覆盖于该基底上；一氮化硅层，覆盖于该第一氧化层上；图案化该氧化物-氮化物薄膜，以于该基底上定义出一ONO堆栈结构的一底氧化物与一氮化硅部分，该底氧化物与该氮化硅部分具有一暴露出的侧壁，且该氮化硅部分具有一暴露出的表面；以及于一含有一自由基氧化剂的环境下，使该暴露的侧壁以及该暴露的表面暴露于一快速热氧化作用中，以于该图案化的氮化硅部分及该图案化的氧化物部分的该暴露的表面与该暴露的侧壁上形成一氧化层。
2.如权利要求1所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该自由基氧化剂包括一氧自由基。
3.如权利要求1所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该自由基氧化剂包括O-。
4.如权利要求1所述的ONO结构的形成方法，其特征是，暴露的工艺包括将该基底加热至一特定的温度，并在一特定的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一以特定比例的一含氧气体与一含氢气体混合而成的气体中，且持续一特定的时间，通过该含氧气体与该含氢气体的组成成分的反应而在加热的该基底附近产生该自由基氧化剂。
5.如权利要求4所述的ONO结构的形成方法，其特征是，加热该基底包括将该基底加热至约摄氏700度至摄氏1300间的范围内。
6.如权利要求4所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏900度至摄氏1150间的范围内。
7.如权利要求4所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏850度至摄氏1000间的范围内。
8.如权利要求1所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该暴露的工艺包括将该基底加热至一特定的温度，并在一特定的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一以特定比例的O2与H2混合而成的气体中，且持续一特定时间，通过O2与H2之组成元素的反应而在加热的该基底附近产生O-。
9.如权利要求8所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该暴露的工艺包括将该基底加热至约摄氏700度至摄氏1300度的范围内，并于一约在1托至20托的范围内的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一O2与H2的比例，即H2/H2+O2，约在0.1％至40％的范围内的混合气体中，且持续约1至1000秒的时间。
10.如权利要求9所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏900度至摄氏1150间的范围内。
11.如权利要求9所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏850度至摄氏1000间的范围内。
12.如权利要求9所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该暴露的工艺包括在该基底上流动的O2与H2的该混合气体，其比例，即H2/H2+O2，约在5％至33％的范围内。
13.如权利要求9所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该暴露的工艺包括在该基底上流动的O2与H2的该混合气体，其比例，即H2∶O2，约在1∶19至1∶2的范围内。
14.如权利要求9所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该暴露的工艺包括O2与H2的该混合气体在该基底上流动的时间约在10秒至500秒的范围内。
15.如权利要求9所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该暴露的工艺包括O2与H2的该混合气体在该基底上流动的时间约在30秒至300秒的范围内。
16.如权利要求1所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该暴露的工艺包括于一炉管内加热该基底，并在一特定的压力下，导入一以特定比例的O2与H2混合而成的气体，且持续一特定时间，通过O2与H2的组成成分的反应而在加热的该基底附近产生O-。
17.如权利要求16所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括导入一载气。
18.如权利要求17所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括导入一N2作为载气。
19.如权利要求16所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该导入该特定比例的O2与H2的混合气体的步骤，包括在一特定的流速比例下导入O2与H2。
20.如权利要求19所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括以一特定的流速导入N2作为一载气。
21.如权利要求19所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该导入O2与H2的步骤包括以一相加流速大约在1至40slm的范围内导入O2与H2。
22.如权利要求20所述的ONO结构的形成方法，其特征是，该导入O2与H2的步骤包括以一相加流速大约在1至40slm的范围内导入O2与H2，且导入N2包括以大于50slm的流速导入N2。
23.一种具有ONO结构的半导体元件的制造方法，包括在一基底的表面上提供一氧化物-氮化物薄膜，该基底具有通过一绝缘体所定义出的第一及第二区域，该氧化物-氮化物薄膜包括一覆盖于基底上的第一氧化硅层，以及覆盖于该第一氧化硅层上的一氮化硅层；图案化该氧化物-氮化物薄膜，以于该基底上的该第二区域内暴露出该基底的表面，并于该基底上的该第一区域内定义出一ONO堆栈结构中的一底氧化层与一氮化硅层的部分，该底氧化层部分与该氮化硅层部分皆具有一暴露出的侧壁，且该氮化硅层部分具有一暴露出的表面；当该基底的温度大约为摄氏700度至1200度之间时，将该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一自由基氧化剂中，以于图案化的氮化硅层部分的该暴露的侧壁及该暴露的表面上，形成一第二氧化层，并同时于该第二区域内的该基底表面上形成一栅极氧化层；以及形成一导电层以覆盖住该第二氧化层与该栅极氧化层。
24.如权利要求23所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，该自由基氧化剂包括一氧自由基。
25.如权利要求23所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，该自由基氧化剂包括O-。
26.如权利要求23所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括将该基底加热至该温度范围内的一温度，并在一特定的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一以特定比例的一含氧气体与一含氢气体混合而成的气体中，且持续一特定时间，通过该含氧气体与该含氢气体的组成成分的反应而在加热的该基底附近产生该自由基氧化剂。
27.如权利要求26所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏900度至摄氏1150间的范围内。
28.如权利要求26所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏850度至摄氏1000间的范围内。
29.如权利要求23所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括将该基底加热至该温度范围内的一温度，并在一特定的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一以特定比例的O2与H2混合而成的气体中，且持续一特定时间，通过O2与H2的组成成分的反应而在加热的该基底附近产生O-。
30.如权利要求29所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括将该基底加热至该温度范围内的一温度，并于一约在1托至20托的范围内的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一O2与H2的比例，即H2/H2+O2，约在0.1％至40％的范围内的混合气体中，且持续约1至1000秒的时间。
31.如权利要求30所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏900度至摄氏1150间的范围内。
32.如权利要求30所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏850度至摄氏1000间的范围内。
33.如权利要求30所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括在该基底上流动的O2与H2的该混合气体，其比例，即H2/H2+O2，约在5％至33％的范围内。
34.如权利要求30所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括在该基底上流动的O2与H2的该混合气体，其比例，即H2∶O2，约在1∶19至1∶2的范围内。
35.如权利要求30所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括O2与H2的该混合气体在该基底上流动的时间约在10秒至500秒的范围内。
36.如权利要求30所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括O2与H2的该混合气体在该基底上流动的时间约在30秒至300秒的范围内。
37.如权利要求23所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括于一炉管内加热该基底，并在一特定的压力下，导入一以特定比例的O2与H2混合而成的气体，且持续一特定时间，通过O2与H2的组成元素的反应而在加热的该基底附近产生O-。
38.如权利要求37所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括导入一载气。
39.如权利要求38所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括导入一N2作为载气。
40.如权利要求37所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该导入该特定O2与H2的比例的混合气体的步骤，更包括在一特定的流速比例下导入O2与H2。
41.如权利要求40所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括以一特定的流速导入N2作为一载气。
42.如权利要求40所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的步骤包括以一相加流速大约在1至40slm的范围内导入O2与H2。
43.如权利要求41所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的步骤包括以一相加流速大约在1至40slm的范围内导入O2与H2，且导入N2包括以大于50slm的流速导入N2。
44.如权利要求23所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该第二氧化层与该栅极氧化层的形成厚度比约在0.6∶1至0.8∶1的范围内。
45.如权利要求23所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括在一炉管内加热该基底，且当该基底的温度维持在该温度范围内的一温度下并持续约10秒至500秒时，于该炉管内产生该自由基氧化剂。
46.如权利要求23所述的具有ONO结构的半导体元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括在一炉管内加热该基底，且当该基底的温度维持在该温度范围内的一温度下并持续约30秒至300秒时，于该炉管内产生该自由基氧化剂。
47.一种具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，包括在一基底的表面上提供一氧化物-氮化物薄膜，该基底具有通过一绝缘体所定义出的一第一区域及一第二区域，该氧化物-氮化物薄膜包括覆盖于基底上的一第一氧化硅层，以及覆盖于该第一氧化硅层上的一氮化硅层；图案化该氧化物-氮化物薄膜，以于该基底上的该第二区域内暴露出该基底的表面，并于该基底上的该第一区域内定义出一ONO堆栈结构中的一底氧化层与一氮化硅层的部分，该底氧化层部分与该氮化硅层部分皆具有一暴露出的侧壁，且该氮化硅层部分具有一暴露出的表面；当该基底的温度大约在摄氏700度至1200度之间时，将该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一自由基氧化剂中，以于图案化的氮化硅层部分的该暴露的侧壁及该暴露的表面上，形成一第二氧化层，并同时于该第二区域内的该基底表面上形成一栅极氧化层；以及形成一导电层以覆盖住该第二氧化层与该栅极氧化层。
48.如权利要求47所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该自由基氧化剂包括一氧自由基。
49.如权利要求47所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该自由基氧化剂包括O-。
50.如权利要求47所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括将该基底加热至该温度范围内之一温度，并在一特定的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一以特定比例的一含氧气体与一含氢气体混合而成的气体中，且持续一特定时间，通过该含氧气体与该含氢气体的组成元素的反应而在加热的该基底附近产生该自由基氧化剂。
51.如权利要求50所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏900度至摄氏1150间的范围内。
52.如权利要求50所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏850度至摄氏1000间的范围内。
53.如权利要求47所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括将该基底加热至该温度范围内的一温度，并在一特定的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一以特定比例的O2与H2混合而成的气体中，且持续一特定时间，通过O2与H2的组成元素的反应而在加热的该基底附近产生O-。
54.如权利要求53所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括将该基底加热至该温度范围内的一温度，并于一约在1托至20托的范围内的压力下，令该暴露的侧壁及该暴露的表面暴露于一O2与H2的比例，即H2/H2+O2，约在0.1％至40％的范围内的混合气体中，且持续约1至1000秒的时间。
55.如权利要求54所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏900度至摄氏1150间的范围内。
56.如权利要求54所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该加热该基底的步骤包括将该基底加热至约摄氏850度至摄氏1000间的范围内。
57.如权利要求54所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括在该基底上流动的O2与H2的该混合气体，其比例，即H2/H2+O2，约在5％至33％的范围内。
58.如权利要求54所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括在该基底上流动的O2与H2的该混合气体，其比例，即H2∶O2，约在1∶19至1∶2的范围内。
59.如权利要求54所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括O2与H2的该混合气体在该基底上流动的时间约在10秒至500秒的范围内。
60.如权利要求54所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括O2与H2的该混合气体在该基底上流动的时间约在30秒至300秒的范围内。
61.如权利要求47所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括于一炉管内加热该基底，并在一特定的压力下，导入一以特定比例的O2与H2混合而成的气体，且持续一特定时间，通过O2与H2的组成成分的反应而在加热的该基底附近产生O-。
62.如权利要求61所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括导入一载气。
63.如权利要求62所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括导入一N2作为载气。
64.如权利要求61所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该导入该特定O2与H2的比例的混合气体的步骤，更包括在一特定的流速比例下导入O2与H2。
65.如权利要求64所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的该混合气体的步骤更包括以一特定的流速导入N2作为一载气。
66.如权利要求64所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的步骤包括以一相加流速大约在1至40slm的范围内导入O2与H2。
67.如权利要求65所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该导入O2与H2的步骤包括以一相加流速大约在1至40slm的范围内导入O2与H2，且导入N2包括以大于50slm的流速导入N2。
68.如权利要求47所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该第二氧化层与该栅极氧化层的形成厚度比约在0.6∶1至0.8∶1的范围内。
69.如权利要求47所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括在一炉管内加热该基底，且当该基底的温度维持在该温度范围内的一温度下并持续约10秒至500秒时，于该炉管内产生该自由基氧化剂。
70.如权利要求47所述的具有ONO结构的存储器元件的制造方法，其特征是，该暴露的工艺包括在一炉管内加热该基底，且当该基底的温度维持在该温度范围内的一温度下并持续约30秒至300秒时，于该炉管内产生该自由基氧化剂。
71.一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅结构的半导体元件，其特征是，该半导体元件包括一第一氧化硅层，覆盖于一基底上；一氮化硅层，覆盖于该第一氧化硅层上；一第二氧化硅层，完全覆盖住该氮化硅层，并与该第一氧化硅层接触；以及一栅极导电层，覆盖于该第二氧化硅层上。
72.一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅结构的存储单元元件，其特征是，该存储单元元件包括一埋入式漏极与一埋入式源极，配置于一基底中；一埋入式漏极氧化层，覆盖住该埋入式漏极，以及一埋入式源极氧化层，覆盖住该埋入式源极；一第一氧化硅层，覆盖住位在该基底上的该埋入式漏极与该埋入式源极间的一区域，并覆盖住部分的该埋入式漏极氧化层与部分的该埋入式源极氧化层；一氮化硅层，覆盖住部分的该第一氧化硅层；一第二氧化硅层，完全覆盖住该氮化硅层并与该第一氧化硅层接触；以及一栅极导电层，覆盖于该第二氧化硅层上。
73.一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅结构的存储单元元件的只读存储器，其特征是，该只读存储器包括一埋入式漏极与一埋入式源极，配置于一基底中；一埋入式漏极氧化层，覆盖于该埋入式漏极上，以及一埋入式源极氧化层，覆盖于该埋入式源极上；一第一氧化硅层，覆盖住位在该基底上的该埋入式漏极与该埋入式源极间的一区域，并覆盖住部分的该埋入式漏极氧化层与部分的该埋入式源极氧化层；一氮化硅层，覆盖住部分的该第一氧化硅层；一第二氧化硅层，完全覆盖住该氮化硅层并与该第一氧化硅层接触；以及一栅极导电层，覆盖于该第二氧化硅层上。
全文摘要
一种具有氧化硅/氮化硅/氧化硅(“ONO”)结构的半导体的形成方法，是先提供第一氧化硅层与氮化硅层覆盖于一具有存储器元件区与逻辑元件区的基底上，再图案化第一氧化硅层与氮化硅层，以定义出部分完成的ONO堆栈结构的底氧化物与氮化硅部位，并暴露出逻辑元件区域内的基底。在具有自由基氧化剂的环境下进行快速热回火工艺，以同时在氮化硅层所暴露出的表面上形成第二氧化硅层，并在基底上形成栅极氧化硅层。然后在完成的ONO堆栈结构以与栅极氧化层上沉积导电层。本发明可用以制造具有逻辑元件与含有ONO结构存储单元的存储器元件。其缩短工艺耗费时间，降低热预算，可避免氮化硅在后续清洗工艺中被暴露出来，增进了栅极的耦合比。
文档编号H01L21/314GK1705087SQ20041004268
公开日2005年12月7日 申请日期2004年5月31日 优先权日2004年5月31日
发明者王致皓, 陈昕辉, 黄仲仁, 陈仲慕, 刘光文, 邱家荣 申请人:旺宏电子股份有限公司