专利名称：氮化穿隧氧化层的形成方法
技术领域：
本发明是有关于一种半导体制程，且特别是有关于一种非挥发性内存(non-volatile memory)的氮化穿隧氧化层的形成方法。
背景技术：
随着单位内存容量的价格不断降低，使用可电除可程序化只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-OnlyMemory，简称EEPROM)作为非挥发性储存组件的应用也愈来愈多。可电除可程序化只读记忆胞中的一个必要部分是为穿隧氧化层，其厚度必须足够薄，以使载子(Carrier)能在高电场下穿隧通过。穿隧氧化层的品质及稳定性也是很重要的课题，因其与可电除可程序化只读存储器组件的电荷保持能力(Charge Retention Capability)或其它重要的特性有关。
现有已有多种改善穿隧氧化层的品质与稳定性的方法，其大部分是于氧化硅中掺入氮而达成。例如，美国专利案第5,885,870号与第6,380,033号即揭示一种氮化穿隧氧化层的形成方法，其是进行一氧化氮或是一氧化二氮回火(NO orN2O-Annealing)以氮化穿隧氧化层。藉由此一氧化氮或是一氧化二氮回火处理，即可以减少由负向Fowler-Nordheim应力所引起的漏电流(Negative FN-SILC)，而且亦可降低可电除可程序化只读存储器组件的启始电压(Threshold Voltage，简称Vt)的偏移量(Vt Shift)。不过，此方法却无法有效降低由正向FN(Fowler-Nordheim)应力所引起的漏电流(PositiveFN-SILC)，且以此方法所掺入的氮原子的分布窗口(Distribution Window)较小。此外，在此方法中，氮原子会堆栈在穿隧氧化层的底部界面，因此会造成可电除可程序化只读存储器组件的载子移动率降低，以及周边闸氧化层其完整性(Integrity)劣化(Degradation)的问题。
另外，美国专利案第6,559,007号是揭示另一种氮化穿隧氧化层的形成方法，其是进行氨气回火(NH3-Annealing)以氮化穿隧氧化层，藉此抑制氢与氢氧化物于穿隧氧化层中的扩散。不过，此方法的整合制程相当地复杂，且如同上述的一氧化氮或是一氧化二氮回火的方法，其所掺入的氮原子的分布窗口亦较小。同样地，在此方法中，氮原子亦会堆栈在穿隧氧化层的底部界面，因此亦会造成可电除可程序化只读存储器组件的载子移动率降低，以及周边闸氧化层其完整性劣化的问题。
另一方面，美国专利案第6,5511,948号揭示一种氧化氮薄膜的形成方法，其应用于多晶硅间介电层(Inter-PolyDielectric)的制程。此方法是将多晶硅薄膜暴露在一电浆中，此电浆是由含氧与氮的气体激发形成。此外，美国专利案第6,413,881号与第6,548,366号则揭示数种超薄(Ultra-Thin)闸氧化层的形成方法，其是使用氮气电浆来氮化超薄的闸氧化层，以抑制不纯物的扩散。
发明内容
因此，本发明的目的就是在提供一种氮化穿隧氧化层的形成方法，此方法可以降低正向或是负向的FN-SILC，以及启始电压的偏移量。而且，也不会如现有一氧化氮或是一氧化二氮回火的方法般，产生载子移动率降低及周边闸氧化层完整性劣化的问题。
本发明提出一种氮化穿隧氧化层的形成方法，其步骤如下。首先，于半导体基底上形成作为穿隧氧化层的氧化硅层，再进行电浆氮化(Plasma Nitridation)制程，以于氧化硅层中植入氮原子。接着，进行热趋入(Thermal Drive-In)制程，以使植入的氮原子扩散至整个氧化硅层中。
藉由本发明的方法所形成的氮化穿隧氧化层，可以降低内存组件其在低电场(Low-Field)下的应力引发的漏电流(Stress Induced Leakage Current，简称SILC)与启始电压的偏移量。此外，以本发明的氮化方法所掺入的氮原子不会堆栈在氧化硅层的底部界面，所以内存组件的载子移动率降低及周边闸氧化层完整性劣化的问题可以获得改善。
第1A图至第1C图绘示本发明较佳实施例的氮化穿隧氧化层的制程。
第2图显示对不同的内存样本进行负向FN-SILC测试所得的结果。其中，本发明的内存样本是以”85埃ISSG氧化层+电浆氮化+热趋入”标示的。
第3图显示对上述的内存样本进行正向FN-SILC测试所得的结果。
第4图显示对上述的内存样本进行启始电压偏移量(Vt-Shift)测试所得的结果。
第5图显示对上述的内存样本进行载子移动率测试所得的结果。
附图标记说明100硅基底110氧化硅层120含氮电浆130氮原子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，作详细说明如下具体实施方式
第1A～1C图绘示本发明较佳实施例的氮化穿隧氧化层的制程。
请参照第1A图，首先提供一硅基底100，其例如是P型掺杂的单晶硅基底。然后，于硅基底100上形成作为穿隧氧化层的氧化硅层110。其中，氧化硅层110例如是以原位蒸汽生成(In-Situ Steam Generation，简称ISSG)制程而形成。
请参照第1B图，接着进行电浆氮化制程，其是使氧化硅层110暴露在含氮电浆120中，以于氧化硅层110的表层植入氮原子。此含氮电浆120例如是氮气电浆(N2plasma)，且电浆氮化制程例如是在低于400℃的温度下进行。
请参照第1C图，接着进行热趋入制程，以使植入的氮原子130扩散至整个氧化硅层110中。此热趋入制程例如是热炉管回火(Furnace Annealing)制程或快速升降温热制程(Rapid Thermal Annealing)，且此热趋入制程中所通入的气体例如是惰性气体，其例如是氮气(N2)或是氩气(Ar)等等。另外，此热炉管回火制程的温度较佳介于摄氏850度至1100度之间，且时间例如是介30秒至1小时之间。
<实例>
本例是提供数种不同的穿隧氧化层，包括未掺杂的85埃ISSG氧化层、经过一氧化氮或是一氧化二氮回火的85埃ISSG氧化层，以及经过本发明的电浆氮化与热趋入步骤的85埃ISSG氧化层。然后，从这些不同的穿隧氧化层开始制作出多个内存样本。然后，对各内存样本进行数种测试，以评估每一种穿隧氧化层的品质与特性，其结果如第2图至第5图所示，其中本发明的内存样本是以”85埃ISSG氧化层+电浆氮化+热趋入”标示。
请参照第2图，其显示对上述的内存样本进行负向FN-SILC测试所得的结果。在此测试中，是对每一个样本的穿隧氧化层施予一个作用时间为100秒，且大小约为-11.5MV/cm的负向FN应力。然后，在电场强度为6MV/cm的低电场下，量测每一个样本的SILC差值(ΔSILC)。如第2图所示，本发明的方法其降低负向FN-SILC的能力，是与现有的一氧化氮或是一氧化二氮回火方法相近。
请参照第3图，其显示对上述的内存样本进行正向FN-SILC测试所得的结果。在此测试中，是对每一个样本的穿隧氧化层施予一个作用时间为100秒，且大小约为16MV/cm的正向FN应力。然后，在电场强度为-6MV/cm的低电场下，量测每一个样本的SILC差值(ΔSILC)。如第3图所示，本发明的方法其降低正向FN-SILC的能力，更优于现有的一氧化氮或是一氧化二氮回火方法。
请参照第4图，其显示对上述的内存样本进行启始电压偏移量(Vt-Shift)测试所得的结果。在此测试中，是于250℃下对各样本烘烤24小时，再量测各样本的启始电压偏移量(ΔVt)的分布。如第4图所示，在启始电压偏移量较高的区域，本发明的内存样本其分布机率是小于现有的内存样本的分布机率。
请参照第5图，其显示对上述的内存样本进行载子移动率测试所得的结果，其中载子移动率是表现在信道区的电流大小上。如第5图所示，本发明的氮化方法所造成的载子移动率的劣化程度，远小于由现有的一氧化氮或是一氧化二氮回火方法所造成的劣化程度。
综上所述，藉由本发明的方法所形成的氮化穿隧氧化层，可以降低内存组件其在低电场(Low-Field)下的应力引发漏电流(Stress Induced Leakage Current，简称SILC)与启始电压的偏移量。此外，以本发明的氮化方法所掺入的氮原子不会堆栈在氧化硅层的底部界面，所以内存组件的载子移动率降低及周边闸氧化层完整性劣化的问题可以获得改善。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种氮化穿隧氧化层的形成方法，包括于一半导体基底上形成一氧化硅层，是作为一穿隧氧化层；进行一电浆氮化制程，以于该氧化硅层中植入氮原子；以及进行一热趋入制程，以使植入的该些氮原子扩散至整个该氧化硅层。
2.如权利要求1所述的氮化穿隧氧化层的形成方法，其中形成该氧化硅层的方法包括一原位蒸汽生成(In-Situ SteamGeneration，ISSG)制程。
3.如权利要求1所述的氮化穿隧氧化层的形成方法，其中该电浆氮化制程是利用氮气电浆来进行。
4.如权利要求1所述的氮化穿隧氧化层的形成方法，其中该电浆氮化制程是在低于400℃的温度下进行。
5.如权利要求1所述的氮化穿隧氧化层的形成方法，其中该热趋入制程包括一热炉管回火(Furnace Annealing)制程与一快速升降温热制程(Rapid Thermal Annealing)其中之一，且该热趋入制程中所通入的气体包括一惰性气体，而且该惰性气体包括氮气(N2)与氩气(Ar)其中之一。
6.如权利要求5所述的氮化穿隧氧化层的形成方法，其中该热炉管回火的制程温度是介于850～1100℃之间，且制程时间是介于30秒至1小时之间。
全文摘要
一种氮化穿隧氧化层的形成方法，其是先于半导体基底上形成作为穿隧氧化层的氧化硅层，再进行电浆氮化制程，以于氧化硅层中植入氮原子。接着，进行热趋入制程，以使植入的氮原子扩散至整个氧化硅层中。
文档编号H01L21/314GK1614753SQ200310103448
公开日2005年5月11日 申请日期2003年11月3日 优先权日2003年11月3日
发明者王嗣裕 申请人:旺宏电子股份有限公司