专利名称：形成半导体存储器的电荷捕捉介电层的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体存储器，且特别涉及一种形成半导体存储器中的电荷捕捉介电层结构的方法。
背景技术：
非易失性存储器(Non-volatile memory，“NVM”)指的是即使从含有NVM单元的设备中去除电源后仍能够持续地储存信息的半导体存储器。NVM包括掩膜只读存储器(Mask ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可檫除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)和闪存(Flash memory)。非易失性存储器广泛地用于半导体工业且研发来防止编程数据丢失的一类存储器。通常，可基于设备的最终用途要求对非易失性存储器进行编程、读出和/或抹除，且可长时间地储存编程数据。
非易失存储单元一般包括位于控制栅和基底之间的电荷捕捉层结构，其中所述基底具有源极区和漏极区。电荷捕捉结构往往由多个层构成，例如，设置在基底上的第一绝缘层、设置在第一绝缘层上的电荷捕捉层和设置在栅电极下方的电荷捕捉层上的第二绝缘层。电荷捕捉层可为以局部方式固定电荷的类型，或可包含浮动栅，所述浮动栅包含传导材料以使得所储存的电荷遍及浮动栅层而散布。以局部方式储存电荷的电荷捕捉层(例如氮化硅)能够在每一个存储单元中储存一个以上区域的电荷。这种局部地储存电荷的方式允许将一个电荷(数字1)储存在与一个源极和漏极区相邻的区域内的电荷捕捉层中，而将另一电荷(数字2)储存在与另一源极和漏极区相邻的区域内的电荷捕捉层中。近年来，随着人们对更小的存储单元尺寸和更大的存储器容量的需求，两位的存储单元受到了很大的关注。
不幸的是，运用电荷捕捉层幷以局部方式储存电荷的非易失存储单元存在很多问题。举例来说，在氮化物存储单元中，电荷捕捉层一般包含夹在两个二氧化硅层之间的氮化硅层(“ONO结构”)，可能在电荷储存ONO结构的硅基底与底层氧化物(第一绝缘)层之间的分界面处捕捉到氢原子。我们有理由相信，在分界面处捕捉的氢可至少部分地导致在硅和其它材料之间具有分界面的存储器的启始电压出现一些损耗。
另外，存储器中的源极和漏极区通常形成为基底表面之下的掺杂有埋入式扩散物的植入物的一连串平行线(也就是位线)。在以(例如)离子植入方式形成的基底中形成位线可能会损坏已经沉积在基底上的其它材料层(例如，二氧化硅介电层)，幷且还可能损坏基底/氧化层的分界面。我们相信对其它层的这些损坏还会引起存储器中的数据储存和其它性能出现问题。
因此，需要形成非易失存储单元的改良方法和运用局部电荷捕捉层的设备。
发明内容
本发明大体上涉及半导体存储器，且更确切地说，本发明涉及形成半导体存储器中的电荷捕捉介电层结构的方法，且优选涉及运用带间热空穴(band-to-band hot hole)的方法来执行抹除和/或重置操作的设备。本发明还涉及形成存储器的电荷捕捉介电层和埋入式扩散位线，且优选涉及形成氮化物闪存的ONO层和埋入式扩散位线的方法。根据本发明的方法制备的半导体存储器显著地降低了电荷损失，且因此表现出极好的数据保持特性。
本发明提出一种形成半导体存储器中的结构的方法，包含如下步骤(a)提供半导体基底；(b)在基底的至少一部分上形成氧化层；(c)在氧化层下方的基底中形成两个或两个以上源极和漏极区；(d)再氧化氧化层；(e)在氧化层上形成电荷捕捉介电层；和(f)在电荷捕捉介电层上形成绝缘层。
在本发明的某些优选实施例中，所述方法进一步包括在再氧化之前清理和/或退火氧化层。在根据本发明的一些优选方法中，在干氧环境中形成氧化层和/或进行所述氧化层的再氧化。在根据本发明的某些优选方法中，可使用低压化学气相沉积(LPCVD)方法来形成电荷捕捉介电层和/或形成绝缘层。在本发明的某些优选实施例中，所述方法可进一步包括退火所述绝缘层。
本发明的一特别优选实施例包括在硅半导体基底上形成ONO层的方法，所述方法包含如下步骤(a)提供硅半导体基底；(b)在干氧环境中在所述基底的至少部分上形成底部二氧化硅层；(c)在所述底部二氧化硅层下方的所述基底中形成两个或两个以上源极和漏极区；(d)清理且退火所述底部二氧化硅层；(e)在干氧环境中再氧化所述底部二氧化硅层；(f)通过低压化学气相沉积方法在所述底部二氧化硅层上形成氮化硅层；和(g)通过低压化学气相沉积方法在所述氮化硅层上形成顶部二氧化硅层；和(h)在氢含量低于约0.01％的环境中对所述顶部二氧化硅层进行快速热退火。
本发明提出另一种形成半导体存储器中的结构的方法，所述方法包含如下步骤(a)提供半导体基底；(b)在干氧环境中在所述基底的至少一部分上形成氧化层；(c)在所述氧化层下方的所述基底中形成两个或两个以上源极和漏极区；(d)在所述氧化层上形成电荷捕捉介电层；(e)在所述电荷捕捉介电层上形成绝缘层；和(f)在氢含量低于约0.01％的环境中退火所述绝缘层。
根据本发明的方法所产生的半导体存储器的氧化物/基底分界面处的氢浓度明显降低。另外，根据本发明的某些方法可降低氧化物/基底分界面处的氢浓度，且同时有助于弥补在基底掺杂过程中可能对氧化层造成的损坏。
为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
图1是根据本发明的一个实施例所制备的非易失性存储器的一个区域沿垂直于基底表面且垂直于N+埋入式扩散位线的平面截取的示意性横截面图。
图2a是根据本发明的一个方面的在半导体基底上所形成的氧化层的示意图。
图2b是图2a的半导体储存区以离子植入方式掺杂后的示意图。
图2c是图2b的掺杂基底上方的因离子植入而损坏的氧化层在移去光致抗蚀掩模层且清理氧化层之后的示意图。
图2d是图2c的半导体储存区在氧化层再氧化之后的示意图。
图2e是根据本发明一个实施例的图3d的半导体储存区在沉积氮化硅层和顶部二氧化硅层之后的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的一种方法的流程图。
主要元件标记说明101、201基底110、112、114、210、212、214源极和漏极区118a、118b、118c、218a、218b、218c口袋形植入物120、220电荷捕捉介电层结构122、222氧化层124、224电荷捕捉层126、226绝缘层230光致抗蚀掩模层235图案240已损坏的氧化物区域350～356步骤具体实施方式
现将详细参考本发明及其当前优选实施例，其中在附图中说明了本发明的实例。在任何可能之处，附图和描述中所使用的相同或类似参考数字指的是相同或类似部分。应注意到，附图是呈极其简化的形式且没有按照精确比例绘制。根据本文的披露内容，仅为了方便和清晰起见，对于附图使用方向术语，例如顶部、底部、左、右、上、下、上方、下方、在......之下、后部和前部。结合对附图的以下描述所使用的方向术语不应理解为以随附权利要求书中未明确提出的任何方式限制本发明的范畴。尽管本文的披露内容参考某些说明性实施例，但是应了解，仅作为实例而不是作为限制来给出这些实施例。应了解幷认识到，本文所描述的工艺和结构幷未覆盖制造整个集成电路的完整制造流程。可结合所属领域中常规使用的多种集成电路制造技术来实践本发明。
参照图1，根据本发明的方法制备的存储单元包括半导体基底101。可在基底101的表面下方形成若干源极和漏极区110、112和114。在某些优选实施例中，可邻近一个或一个以上源极和漏极区110、112和114形成由反向掺杂材料的附加口袋形植入物(pocket implant)118a、118b和118c。如同上文所使用的，术语“反向掺杂”指的是以与源极和漏极区的掺杂相反的方式掺杂口袋形植入物。因此，如果源极和漏极区包含n型掺杂区，那么口袋形植入物可包含p型掺杂，反之亦然。在基底表面上且在源极和漏极区110、112和114的上方形成电荷捕捉介电层结构120，其包含设置在基底表面上的氧化层122、设置在氧化层122上的电荷捕捉层124和设置在电荷捕捉层124上的绝缘层126。在形成电荷捕捉介电层结构120后，可以任何适当方式在电荷捕捉介电层结构120上沉积栅材料(图中未表示)。举例来说，可通过在垂直于埋入式扩散位线的方向上沉积位线来形成一个或一个以上栅。适当栅材料的实例包括N+型或P+型掺杂多晶硅、金属或金属硅化物。
根据本发明的方法包括提供半导体基底。半导体基底指的是在其上制造存储器的材料。在本发明的许多优选实施例中，半导体基底包含硅材料。然而，任意其它能够适当掺杂的半金属元素可用作根据本发明的方法中的半导体基底。
通过标准技术制备的硅片可用来制备适当的基底。举例来说，可通过如下技术制备适当的硅片从称作晶种的小晶体生长硅；缓慢地以旋转方式从熔融的超纯硅中收回以产生柱状晶；接着切片成薄盘；且切片后将其磨细、磨光(如镜子般光滑)幷清理。
根据本发明的若干优选实施例，硅半导体基底包含p型硅。一般来说，能够用于根据本发明的此种优选实施例的p型硅基底包含已轻度p型掺杂的硅片。可以任意适当方式进行p型硅掺杂，例如，通过植入(例如)硼、镓或能够用于半导体材料中的任意其它缺乏自由电子的物质。优选以从约1012/cm3到约1018/cm3剂量水平进行p型掺杂。更优选地以从约1016/cm3到约1018/cm3剂量水平进行p型掺杂。
应了解，尽管本文所描述的本发明优选实施例中有许多描述为NPN接合，其中半导体基底包含具有两个或两个以上通过n型掺杂所形成的源极和漏极区的p型硅，但是本发明的方法可用来制备PNP接合存储器。
根据本发明的方法进一步包括在基底的至少一部分上形成氧化层。一般来说，在基底的其中形成有源极和漏极区(例如，埋入式扩散位线)的基底区域的表面上形成氧化层，其中所述区域构成此种设备的存储单元阵列部分。优选加热地生长氧化层。形成氧化层的示范性热方法包括熔炉氧化法、快速热氧化法和等离子辅助式氧化法。然而，在基底表面上形成氧化物的任意方法都可用于本发明的方法中，其中包括但不限于多种化学气相沉积方法，例如，低压化学气相沉积(CVD)氧化物沉积。在本发明的某些优选实施例中，所述氧化层包含二氧化硅。
根据本发明，所形成的氧化层通常具有5埃(angstrom)到100埃的厚度，优选为30埃到80埃的厚度，且更优选为40埃到70埃的厚度。
参照图2a，在本发明的一个特别优选实施例中，提供轻度p型掺杂的硅基底201，且厚度约为45埃的氧化层222加热地生长在基底201的表面的一部分上。
本发明的方法还包括形成至少两个源极和漏极区。每一个源极和漏极区包含位于基底内部的一个区域，所述区域中以与基底所使用的掺杂类型以互补形式对应的方式掺杂。换句话说，如果使用p型基底，那么源极和漏极区进行n型掺杂，反之亦然。因此，在基底包含p型硅的优选实施例中，所述至少两个源极和漏极区将包含n+型掺杂区，其优选为具有较高剂量的n型掺杂。
如同所属领域的技术人员可了解到的，每一个存储单元包含两个源极和漏极区，其中每一个可取决于所施加的电压的位置而用作源极或漏极。因为本文所使用的术语“源极和漏极区”可取决于所施加的电压而用作源极或漏极，所以所述术语指的是此种区的双重性质。当参考根据发明的存储单元(其中一个区用作源极而另一区用作漏极)的具体操作时，“源极”和“漏极”可独立地用来参考特定区。然而，独立使用的每个术语幷不理解为限制每个区的功能，或理解为在源极和漏极的具体位置方面限制本发明。
根据本发明的某些优选实施例，通过离子植入在基底中形成所述两个或两个以上源极和漏极区。根据此种优选实施例的离子植入可包含从(例如)砷、磷和氮中选出的一种或一种以上元素的离子植入，其中离子植入的剂量约为1017/cm3到1021/cm3。在某些优选实施例中，源极和漏极区可包含埋入式扩散位线，其中在两个或两个以上规则间隔的平行线区域中掺杂基底。
另外，在某些优选实施例中，可对与源极/漏极(位线)邻近的反向掺杂区进行口袋形植入。举例来说，如果两个或两个以上源极和漏极区包含n+型掺杂区域，那么可对与源极和漏极区中的一个或多个邻近的高度p型掺杂的较小区域进行附加口袋形植入。
可根据本发明的此种优选实施例来使用所属领域中进行离子植入的任意已知方法。举例来说，参照图2b，可在氧化层222上沉积光致抗蚀掩模层230，且可通过任意适当光刻法来显影，从而提供植入图案。接着可进行植入，从而在光致抗蚀掩模层230中的暴露图案235的下方掺杂基底201的区域210、212和214。可视情况形成附加口袋形植入区218a、218b和218c。可能由于植入而对氧化层240造成损坏。在形成源极和漏极区后，可移去光致抗蚀掩模层230。
参照图2c，在本发明的某些优选实施例中，在形成源极和漏极区210、212和214且形成可选口袋形植入物218a、218b和218c之后，移去光致抗蚀掩模层且对氧化层222(包括已损坏的氧化物区域240)进行清理和/或退火处理，借此氧化层222留为未覆盖的。可以任意已知的或将研发的方式对氧化层表面进行清理以移去光致抗蚀材料和其它表面碎片。在对氧化层进行退火时，可使用任何适用于抑制瞬态加速扩散(TED)和/或氧化加速扩散(OED)的退火方法。在本发明的某些实施例中，可优选地在约700℃到约1100℃的温度下且在约10秒到约10分钟的时间内使用快速热退火进行退火。优选地在惰性气氛(例如氮气或氩气)中进行氧化层的退火。在本发明的一个实施例中，在惰性气体环境中约950℃的温度下对氧化层进行近似30秒的退火。
在本发明的某些实施例中，在源极和漏极区形成之后对氧化层进行再氧化。可以任意适用于氧化的方式(例如本文所披露的氧化层的形成方法)进行氧化层的再氧化。在一个实施例中，可使用热氧化工艺进行再氧化。可在约750℃到约1000℃的温度下进行根据本发明的优选实施例的热再氧化。在另一实施例中，可使用等离子辅助式氧化法再氧化法在低于约700℃的温度下进行再氧化。参照图2d，可优选地进行根据本发明的再氧化，直到氧化层222高出源极和漏极区210、212和214中的一个或一个以上的厚度比所述氧化层高出通道区的厚度更大，其中由两个相邻源极和漏极区之间的基底空间来限定所述通道区。参照图2c和图2d，一般来说，根据本发明，氧化层的再氧化可导致源极和漏极区210、212和214以及可选口袋形植入物218a、218b和218c的角变圆。在某些特别优选实施例中，高出源极和漏极区中的一个或一个以上的氧化层的厚度可超出所述氧化层高出通道区的厚度约40埃、约50埃或更多。
在本发明的某些优选实施例中，可在干氧环境中形成氧化层和对氧化层进行再氧化。在根据本发明的方法的某些更优选实施例中，可在干氧环境中形成底部氧化层和对底部氧化层进行再氧化。如同本文所使用的“干氧环境”一般指的是水含量约为0.1％或更低的氧化或再氧化环境。根据本发明的愈加优选的实施例，可形成氧化层和/或对其进行再氧化的干氧环境的水含量低于约0.1％、低于约0.01％，且最优选地低于约0.001％。
本发明的方法进一步包含在氧化层上形成电荷捕捉层。在本发明的某些优选实施例中，电荷捕捉层包含氮化硅。其它适当的电荷捕捉层包括(例如)氧化钽(Ta2O5)、钛酸锶(SrTiO3)、钡锶钛(BaSrTiO2)、二氧化铪(HfO2)及其类似物。电荷捕捉层还可包含具有两个独立的多晶硅岛的二氧化硅层。
本发明的方法还进一步包括在电荷捕捉层上形成绝缘层。在本发明的某些优选实施例中，绝缘层包含二氧化硅。适合作为绝缘材料的其它示范性材料包括非导电氧化物和氮化物，例如氧化铝和氮化铝。
因此，参照图2e，举例来说，可在氧化层222上形成电荷捕捉层224，且可在电荷捕捉层224上形成绝缘层226。氧化层222、电荷捕捉层224和绝缘层226共同构成电荷捕捉介电层结构220。
在本发明的某些实施例中，可使用低压化学气相沉积方法(LPCVD)形成电荷捕捉层和/或绝缘层。在本发明的某些优选实施例中，可在低于约950℃的温度下沉积LPCVD氧化物。然而，可通过所属领域中的任意已知方法形成电荷捕捉层和绝缘层，所述方法包括但不限于其它化学气相沉积方法、等离子辅助式氧化法和氮化法以及热氧化法。
在本发明的某些实施例中，所述方法进一步包括让绝缘层经历退火处理。优选地，在氢浓度已降低的环境中进行退火处理。在愈加更优选的实施例中，在氢含量低于约0.01％、低于约1ppm且低于约1ppb的环境中退火绝缘层。更优选地，在无氢环境中退火绝缘层。如同本文所使用的，“无氢环境”指的是含氢量无法被质谱仪察觉的环境。
在某些优选实施例中，绝缘层的退火包含快速热退火，其优选地在至少约700℃的温度下进行，且更优选地在至少约900℃的温度下进行。一般来说，绝缘层的退火持续约10分钟或更短。在更优选的实施例中，绝缘层在至少约700℃的温度下经历快速热退火，且更优选地在氢浓度已降低的环境中在约900℃下经历快速热退火，或者更优选地在无氢环境中经历快速热退火。在本发明的某些优选实施例中，在干氧环境下形成氧化层和/或对其进行再氧化，且让绝缘层经历退火处理。
参照图3，本发明的一个优选实施例包括一种方法，所述方法包含如下步骤优选地在干氧环境中在基底(优选为p型掺杂硅)上形成氧化层(SiO2)350；优选为n型的埋入式扩散/口袋形离子植入(形成源极和漏极区)351；清理/退火氧化层352；优选地在干氧环境中对氧化层进行再氧化353；用LPCVD法沉积电荷捕捉层(氮化硅)354；沉积绝缘层(SiO2)355；和优选地在氢浓度已降低的环境中退火356。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是包括提供半导体基底；在该基底的至少一部分上形成氧化层；在该氧化层下方的该基底中形成两个或两个以上的源极和漏极区；对该氧化层进行再氧化；在该氧化层上形成电荷捕捉层；以及在该电荷捕捉层上形成绝缘层。
2.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在对该氧化层进行该再氧化之前，还包含对该氧化层进行清理和退火。
3.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在干氧环境中形成该氧化层。
4.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是通过离子植入形成该两个或两个以上的源极和漏极区。
5.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在干氧环境中进行该再氧化。
6.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是使用低压化学气相沉积形成该电荷捕捉层。
7.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是使用低压化学气相沉积形成该绝缘层。
8.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是还包括对该绝缘层进行退火。
9.根据权利要求8所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是该退火包括快速热退火。
10.根据权利要求9所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在至少700℃的温度下进行该快速热退火。
11.根据权利要求8所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在氢含量低于0.01％的环境中进行该退火。
12.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在干氧环境中形成该氧化层，且其中在干氧环境中进行该再氧化。
13.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在干氧环境中形成该氧化层，其中在干氧环境中进行该再氧化，且还包括对该绝缘层进行退火。
14.根据权利要求1所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是形成该氧化层包括热成长二氧化硅，形成该电荷捕捉层包括沉积氮化硅，且形成该绝缘层包含沉积该二氧化硅。
15.一种在硅半导体基底上形成ONO层的方法，其特征是包括提供硅半导体基底；在干氧环境中在该基底的至少部分上形成底部二氧化硅层；在该底部二氧化硅层下方的该基底中形成两个或两个以上的源极和漏极区；对该底部二氧化硅层进行清理和退火；在干氧环境中对该底部二氧化硅层进行再氧化；通过低压化学气相沉积在该底部二氧化硅层上沉积氮化硅层；通过低压化学气相沉积在该氮化硅层上沉积顶部二氧化硅层；让该顶部二氧化硅层在氢含量低于0.01％的环境中经历快速热退火。
16.一种形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是包含提供半导体基底；在干氧环境中在该基底的至少一部分上形成氧化层；在该氧化层下方的该基底中形成两个或两个以上源极和漏极区；在该氧化层上形成电荷捕捉层；在该电荷捕捉层上形成绝缘层；和在氢含量低于0.01％的环境中对该绝缘层进行退火。
17.根据权利要求16所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是形成该氧化层包括热成长二氧化硅，形成该电荷捕捉层包括沉积氮化硅，且形成该绝缘层包括沉积二氧化硅。
18.根据权利要求16所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在形成该两个或两个以上的源极和漏极区后，还包括对该氧化层进行再氧化。
19.根据权利要求18所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在该再氧化之前还包括对该氧化层进行清理和退火。
20.根据权利要求18所述之形成半导体存储器中的结构的方法，其特征是在干氧环境中进行该再氧化。
全文摘要
一种形成半导体存储器中的电荷捕捉介电层的方法，包含(a)提供半导体基底；(b)在基底的至少一部分上形成氧化层；(c)在氧化层下方的基底中形成两个或两个以上的源极和漏极区；(d)对氧化层进行再氧化；(e)在氧化层上形成电荷捕捉介电层；(f)在电荷捕捉介电层上形成绝缘层。且另外描述包含如下步骤的方法(a)提供半导体基底；(b)在干氧环境中于基底的至少一部分上形成氧化层；(c)在氧化层下方的基底中形成两个或两个以上的源极和漏极区；(d)在氧化层上形成电荷捕捉介电层；(e)在电荷捕捉介电层上形成绝缘层；(f)在氢含量低于约0.01％的环境中对绝缘层进行退火。
文档编号H01L21/31GK1921074SQ20061009036
公开日2007年2月28日 申请日期2006年7月3日 优先权日2005年8月23日
发明者施彦豪, 李士勤, 谢荣裕, 赖二琨, 谢光宇 申请人:旺宏电子股份有限公司