Ono結構中的氧化層的形成方法

專利名稱：Ono結構中的氧化層的形成方法
技術領域：
本發明是有關于一種半導體元件及其形成方法，且特別是有關于一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅(O/N/O)結構的半導體元件，及其中的氧化物的形成方法。
背景技術：
在傳統工藝中，具有ONO結構的元件的形成方法是將穿隧層、氮化硅層以及頂氧化層覆蓋于一基底上。之后再進行一蝕刻工藝，以圖案化ONO結構。
ONO結構之中的頂氧化層可通過氧化氮化硅方式形成。然而，傳統的氮化硅氧化工藝必須耗費許多時間，且具有較高的熱預算。舉例來說，在某些傳統工藝中，是將氮化硅放置在一爐管內，并將溫度維持在攝氏1000度下持續60分鐘，以對氮化硅進行濕式氧化工藝。
此外，傳統工藝通常都會在氧化步驟完成后，接著進行清洗工藝。而在清洗過程中卻可能會蝕刻頂氧化層，甚至暴露出氮化硅層的角落，以致于從氮化硅層至其后形成的多晶硅柵極間產生漏電流。因此，儲存在氮化硅層中的電荷便會流失，進而導致元件產生電性問題。
為了避免頂氧化層在清洗過程中的損失，公知的作法是先沉積穿隧層與氮化硅層，并將其圖案化，之后再以濕式氧化法在氮化硅層上長出頂氧化層。然而，濕式氧化法對于基底與氮化硅層的氧化選擇比相當高，因此，濕式氧化法對基底的氧化速率會遠大于氮化硅層的氧化速率。舉例來說，若欲以濕式氧化法形成厚度100埃的頂氧化層，結果將會在基底上形成厚度1000埃的氧化層。由此可知，若使用公知的濕式氧化工藝形成頂氧化層，則當頂氧化層完成后，還需將基底上的厚氧化層移除。如此一來便會增加工藝的復雜度，也會導致一不平坦的基底表面。
在基底上形成氧化層的方法有一種稱為原位蒸汽生成(in situsteam generation，ISSG)工藝。ISSG工藝是將基底(通常為半導體晶圓)加熱至一足夠的高溫，以催化含氧的氣體與含氫的氣體間的反應，使其形成氧自由基。則此氧自由基即可有效地氧化基底上的硅或是氮化硅。
美國專利6184155號敘述的一種二步驟ISSG工藝，其適用于在具有窄信道長度的MOSFET中形成一超薄的二氧化硅柵極絕緣層。進行第一次蒸汽氧化并在氮的氧化物周遭進行原位回火后，接著再進行第二次的蒸汽氧化以及在氮的氧化物周遭的原位回火。此二步驟工藝可形成一厚度約在10埃至20埃之間的二氧化硅層，其與非利用此二步驟的ISSG工藝所形成的二氧化硅層相較下，可在MOSFET元件的預備或操作模式下，提供一具有較小的漏電流的柵極絕緣層。
美國專利6171911號所敘述的一種工藝可以在MOSFET元件中依序且有選擇性地形成兩種不同厚度的熱生成氧化硅，并由場隔離區定義出晶圓上的區域。傳統形成柵極氧化層的方法是在晶圓上所有暴露出的區域上形成一層厚氧化層，然后在晶圓上配置一罩幕，并將罩幕被圖案化以暴露出欲形成薄氧化層的區域。接著，以濕式蝕刻法利用氫氟酸將罩幕層所裸露的區域中的厚氧化層移除。之后再將罩幕剝除，并利用不含氫氟酸的水溶液清洗晶圓。接著將晶圓置于一含有氫氣與氮氣的環境下，再以低壓快速熱回火的方式移除原生氧化層(native oxide)并鈍化硅表面，以使殘留的氧化層厚度減少至大約4埃。其中，熱回火工藝中的溫度約為攝氏600度至1050度。上述的方法可改善氧化層厚度的均勻性及其氧化品質，而剩下的氧化薄膜經由上述的回火過程后，即可成為更堅固的氧化硅。

發明內容
根據本發明所述，先形成穿隧層及氮化硅層并將其圖案化之后，再于一含有氧自由基的環境下進行一原位蒸汽生成(in situ steamgeneration，ISSG)工藝，以同時形成MOS區域中的頂氧化層、埋入式漏極氧化層以與柵極氧化層。將暴露的圖案化氮化硅暴露于氧自由基下，可以較少的時間氧化氮化硅，例如約1分鐘。所以工藝所耗費的時間可因此縮短許多，并可降低熱預算。此外，因為本發明的氮化硅層的上表面與側壁皆覆蓋有頂氧化層，因此在后續的清洗工藝中，即可避免暴露出氮化硅。且由于多晶硅柵極與頂氧化層接觸面積的增加，因而增進了柵極的耦合比。
就一廣義方面來看，本發明的特征在于提供一種具有ONO結構的半導體其氧化層的形成方法。此方法是在基底上沉積穿隧氧化層以及氮化硅層，并利用微影工藝將其圖案化。再于一含有氧自由基的環境下進行快速熱氧化工藝，以在圖案化的氮化硅層的上表面及側壁上形成頂氧化層，并同時在基底中形成埋入式擴散區(源極/漏極)，以及在基底的MOS區域中形成柵極氧化層。
此處所謂的氧自由基，是指一種含有一或多對未成對電子且獨立存在的含氧物種。而未成對電子指的是在一個原子或分子的軌道上只存在一個電子。氧自由基是一種強氧化劑，其可使氮化硅快速氧化。因為基底與氮化硅層的氧化速率差異較小，所以基底與氮化硅層的氧化選擇性也較低。
依照本發明所述，頂氧化層、埋入式漏極氧化層以及MOS的柵極氧化層可同時形成而不必分成多個步驟。因此本發明能夠簡化工藝，并可縮短工藝時間，降低工藝的熱預算。
就另一廣義方面來看，本發明的特征在于提供一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅(O/N/O)結構的半導體元件的形成方法。此方法是先形成第一氧化硅層以及氮化硅層覆蓋于基底上，再圖案化第一氧化硅層與氮化硅層。接著在存有自由基氧化劑的環境下進行快速熱回火工藝，以便于同時在氮化硅所暴露出的表面上形成第二氧化硅層，并在基底上形成柵極氧化層。
就另一廣義方面來看，本發明的特征在于提供一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅(O/N/O)結構的存儲器元件的制造方法。此方法是先在基底上形成第一氧化硅層與氮化硅層，其中基底上具有一存儲器區以及一金氧半導體區。接著圖案化第一氧化硅層與氮化硅層，以在存儲單元區上形成圖案化的第一氧化硅層與氮化硅層。然后在圖案化的第一氧化硅層其彼此之間的基底中形成源極/漏極，再于存有自由基氧化劑的環境下進行快速熱回火，以同時在圖案化的氮化硅所暴露出的表面上形成第二氧化硅層，在埋入式源極/漏極上形成埋入式漏極氧化層，并在金氧半導體區上形成柵極氧化層。
在本發明的某些實施例中，自由基氧化劑包括一氧自由基。而在一特定的實施例中，氧自由基為O-。
在本發明的某些實施例中，所形成的第二氧化硅層與柵極氧化層的厚度比約在0.6∶1至0.8∶1之間。而在某些實施例中，所述的元件為具有埋入式源極/漏極的且所形成的埋入式漏極氧化層的厚度系遠大于柵極氧化層的厚度的存儲元件。
在本發明的某些實施例中，快速熱回火工藝為一原位蒸汽生成工藝。在此工藝中需將基底(例如是半導體晶圓)的溫度加熱至一適當的溫度范圍內，并在一適當時間內導入含氧氣體與含氫氣體，且其流速均需維持在適當范圍內，以完成氧化工藝。在某些實施例中，系同時導入含氧氣體與含氫氣體，且其與載氣的比例落于適當范圍之內。
在本發明的某些實施例中，含氫的氣體為氫氣(H2)，含氧的氣體為氧氣(O2)。而工藝中若有使用載氣，則載氣為氮氣(N2)。其中氫氣與氧氣的導入流速系成比例的，且其流速比例(H2/H2+O2)約在O.1％至40％之間，較佳的是約在5％至33％之間。而在特定的實施例中，氫氣與氧氣的流速比(H2∶O2)大約是1∶19或1∶3或1∶2。晶圓的溫度則維持在約攝氏700度至1300度之間，較佳的是大約攝氏900度至1150度之間。晶圓暴露于此混合氣體下的時間取決于欲形成的氧化層厚度、氣體流速以及溫度。暴露時間短則1至10秒，長則100至1000秒，甚至更久。晶圓暴露于混合氣體下的時間通常是10秒，而在特定的實施例中是30秒，某些實施例中為120秒，其它實施例中則為300秒，更有其它實施例其晶圓的暴露時間為500秒。本發明的特定實施例中，當工藝所使用的溫度系為攝氏850度、900度、950度或是1000度。氧氣與氫氣的流速比值(H2/H2+O2)約為5％、25％或是33％(例如，氫氣的流速為6slm，而氧氣的流速為12slm)時，則工藝所需的時間即大約為30秒、60秒、90秒或是120秒。
就另一廣義方面來看，本發明的特征在于提供一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅結構的半導體元件。此元件包括覆蓋于基底上的第一氧化硅層、覆蓋住部分的第一氧化硅層的氮化硅層、完全覆蓋住氮化硅層并與第一氧化硅層接觸的第二氧化硅層以及覆蓋于第二氧化硅層上的柵極導體層。
就另一廣義方面來看，本發明的特性在于提供一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅結構的非揮發性存儲器的存儲單元。此存儲單元包括位于基底中的埋入式源極與漏極、覆蓋于埋入式漏極/源極上的埋入式漏極/源極氧化層、覆蓋于埋入式漏極與埋入式源極間的基底上以及部分埋入式漏極/源極氧化層上的第一氧化硅層、覆蓋于部分的第一氧化硅層上的氮化硅層、完全覆蓋住氮化硅層并與第一氧化硅層接觸之第二氧化硅層以及覆蓋于第二氧化硅層上的柵極導體層。
就另一廣義方面來看，本發明的特性在于提供一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅結構于非揮發性存儲器中的存儲單元，包括位于基底中的埋入式源極與漏極、覆蓋于埋入式漏極/源極上的埋入式漏極/源極氧化層、覆蓋于漏極/源極間的基底以及部分埋入式漏極/源極氧化層上的第一氧化硅層、覆蓋于部分的第一氧化硅層上的氮化硅層、完全覆蓋住氮化硅層并與第一氧化硅層接觸的第二氧化硅層以及覆蓋于第二氧化硅層上的柵極導體層。
在本發明的某些實施例中，在氮化硅(SiN)上的氧化層與在硅(Si)上的氧化層的厚度比(SiN∶Si)約為0.6∶l至0.8∶1，較佳的是約為0.68∶1至0.78∶1。
為讓本發明的上述和其它目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下。


圖1是公知氧化工藝的步驟流程圖。
圖2A圖至圖2G是圖1中每一步驟的剖面示意圖。
圖3是本發明的一實施例的一種氧化工藝的步驟流程圖。
圖4A至圖4G是圖3中每一氧化工藝步驟的剖面示意圖。
圖5是依照公知工藝所形成的ONO結構的剖面示意圖。
圖6是依照本發明的工藝所形成的ONO結構的剖面示意圖。
100公知工藝
102～116、302～314工藝步驟202、402、502、602基底204、404隔離結構206、406第一區域208、408第二區域210、410穿隧氧化層212、213、226、412、426、427、526、626氮化硅層214、228、428、528、628頂氧化層220、222、420、422、500、600ONO結構224、424、524、624底氧化層230、430源極/漏極區232、233、432、532、632埋入式擴散區(源極/漏極)234、434、534、634埋入式源極/漏極氧化層236、436柵極氧化層238、438、528、638多晶硅層300本發明的工藝421、423、522、622ONO堆棧結構527、627氮化硅層的邊緣529頂氧化層的邊緣具體實施方式
以下將配合本發明的每一實施例的說明圖標，對本發明加以詳細敘述。此些圖標概略地繪示本發明的某些特征以及與其相關的其它特征與結構，并未按照一定的比例作圖。圖中本發明的實施例的構件若與其它圖標中的構件相同，雖然在所有圖中都可輕易辨認出此些構件，但為了使圖標的說明更為清楚，本說明書不會將所有相同的構件的標號標于每一圖中。
依照本發明的實施例，在ISSG的條件下，于加熱的晶圓表面上使氫氣與氧氣產生反應，即可形成氧自由基。原位蒸汽生成工藝是屬于一低壓工藝，其是以一比例將氧氣與氫氣混合后，未經事先的燃燒過程即直接導入工藝腔室內。晶圓被加熱后可視為一點火源，使氫氣與氧氣間的反應即會發生在晶圓表面附近(原位)。一般來說，在ISSG工藝的條件下，主要是通過以下的反應式來產生氧自由基。
在ISSG氧化工藝中，氫氣的存在可加速氧分子游離形成易反應的氧原子。依照本發明所述，在ISSG工藝中氮化硅上的氧化物的形成速率(即氧化物的形成厚度相對于氮化硅的損耗厚度)顯現出其與氧原子(氧自由基O-)濃度有很強的關連性，而與其它種類的分子或原子無關。氧自由基O-的濃度并非取決于反應氣體的體積，而是取決于壓力、溫度以及氫氣在腔室中的相對數量。
腔室中的壓力與溫度的主要功能是使分子間產生碰撞，而壓力或流速的主要功能則是使分子再結合。在分子發生碰撞與再結合的期間，自由基的生成平衡會使得氧自由基達到最高的濃度。因此，ISSG工藝是依腔室內所使用的工藝壓力、氣體流速以及溫度而定，且上述之值皆在一特定的范圍內。因此，在本發明的某些實施例中，使用以下參數的工藝可得到較佳的效能溫度約在攝氏800度至1000度的范圍內，壓力約在1托(torr)至20托的范圍內，而H2+O2的流速大約是在1slm至40slm的范圍內。且H2/H2+O2的比值大約是在0.1％至40％的范圍內。
在本發明的某些實施例中，載氣與氫氣和氧氣的混合氣體一起流過腔室，用以提高壓力的均勻性。其中載氣例如是氮氣。但由于載氣在氧自由基的原位生成工藝中并不是必要的元素，因此其流速可以是0slm(若無使用載氣)至50slm之間。
在公知工藝中，所使用的氫氣與氧氣的比例相當高，例如是1/67∶1，且反應溫度例如是攝氏1000度，在氮化硅上的氧化物與硅上的氧化物的生成速率的比值(SiN/Si)例如是約0.26。而依照本發明的作法，可使氮化硅上的氧化物與硅上的氧化物的生成速率達到更高之比值，亦可在氮化硅與硅的表面上同時生成氧化物。
圖1所示的流程圖為具有ONO結構的元件形成氧化物的公知工藝100。而圖2A至圖2G則為公知工藝中不同階段所形成的結構的剖面示意圖。請參照圖1及圖2A，公知工藝100的步驟102，是在基底202中形成隔離結構204，以定義出第一區域206以及第二區域208。基底202例如是一硅晶圓，而隔離結構204例如是溝渠式隔離結構。第一區域206用以形成存儲單元，而第二區域208則用以形成邏輯元件。接著在步驟104中，在第一區域206及第二區域208上形成穿隧氧化層210，如圖2B所示。再于步驟106中，沉積一層氮化硅層212覆蓋于穿隧氧化層210上，如圖2C所示。然后在步驟108中，對氮化硅層212進行氧化工藝，以形成頂氧化層214。由于氧化過程中氮化硅層212的頂部會有部分被耗損，因而所留下的氮化硅層213的厚度較薄，如圖2D所示。此時即完成ONO薄膜的形成。再于步驟110中，利用一罩幕(未繪示)進行圖案化工藝，以于基底202的第一區域206上定義出ONO結構220以及ONO結構222，并暴露出第二區域208中的基底202的表面。所形成的每一ONO結構220與222皆構成一ONO堆棧結構，且由基底202依序往上分別為底氧化層224、氮化硅層226以及頂氧化層228。而本實施例是通過源極/漏極區230隔開ONO堆棧結構。在步驟112中，進行離子植入工藝，以形成埋入式擴散區232，并構成一埋入式源極/漏極，如圖2E所示。然后在步驟114中，進行一氧化工藝，以于第二區域208上生成元件柵極氧化層236，并且生成源極/漏極氧化層234。而由于部分的埋入式擴散區232在氧化過程中被損耗，因此會產生厚度較薄的埋入式擴散區233，如圖2F所示。在此處所使用的條件下，ONO結構中的頂氧化層厚度的增加量非常小，相當于無意義的數量，例如是數埃。在步驟116中，多晶硅層238沉積覆蓋于柵極氧化層236、ONO結構220與222以及埋入式源極/漏極氧化層234之上，如圖2G所示。
然而，值得注意的是，移除覆蓋于第二區域上的氧化層210將使得整個工藝更加復雜，且會在第二區域208上產生一不平坦的表面。
圖3是本發明的一實施例的一種氧化工藝的步驟流程圖。而圖4A至圖4G則為本發明的氧化工藝300中不同階段所形成的結構的剖面示意圖。請參照圖3及圖4A，工藝300的步驟302，是在基底402中形成一隔離結構404，以定義出第一區域406與第二區域408。第一區域406用以形成存儲單元；而第二區域408用以形成邏輯元件隔離結構。基底402例如是一硅晶圓，而隔離結構例如是溝渠式隔離結構404。在步驟304中，形成穿隧氧化層410覆蓋住第一區域406及第二區域408，如圖4B所示。再于步驟306中，沉積一層氮化硅層412覆蓋于穿隧氧化層410上，如圖4C所示。這些步驟皆可以利用公知技術來完成。而且，請參照圖4C，完成這些步驟的結果是提供一個具有由隔離結構404所定義出的區域的基底402，且在此些區域上覆蓋有一穿隧氧化層410，而穿隧氧化層410上則形成有一具有暴露出的表面的氮化硅層412。依據本發明所述，在步驟308中利用罩幕(未繪示)進行一圖案化工藝，以定義出基底402的第一區域406上預定形成的ONO結構中的底氧化層部分424以及氮化硅層部分426，如圖式中標記420與422所示的結構，并暴露出第二區域408中的基底402表面，如圖4D所示。此時，第二區域408中的邏輯元件的柵極氧化層與ONO結構中的頂氧化層皆未形成。而本實施例中，已定義的氧化物與氮化物所構成的部分完成的ONO堆棧結構之間為一源極/漏極區430。在步驟310中，進行一離子植入工藝，以在基底402的源極/漏極區430中形成一埋入式擴散區，以構成埋入式源極/漏極432，如圖4E所示。
然后，依照本發明所述，在步驟312中，于存在一氧自由基的環境下進行快速熱氧化(Rapid Therma1 Oxidation，RTO)工藝，以同時形成頂氧化層428、埋入式漏極/源極氧化層434以與柵極氧化層436，如圖4F所示。且在生成頂氧化層428的同時，會耗損部分的氮化硅層426，而剩下較薄的氮化硅層427。由上述工藝所形成的每一ONO結構421與423皆構成一ONO堆棧結構，且由基底402依序往上分別為底氧化層424、氮化硅層427以及頂氧化層428。
之后，在步驟314中，沉積多晶硅層438覆蓋住柵極氧化層436、ONO堆棧結構421與423以及埋入式源極/漏極氧化層434，如圖4G所示。
請參照圖5，其為依照公知工藝在存儲單元區所形成的ONO結構500的剖面示意圖。ONO結構500形成在基底502上，其包括一ONO堆棧結構522，而此ONO堆棧結構522是由基底502依序往上分別為底氧化層524、氮化硅層526以及頂氧化層528所組成。埋入式擴散區(源極/漏極區)532形成于與ONO堆棧結構522相鄰的基底502中，其形成方法例如是離子植入法。源極/漏極氧化層534則是通過氧化埋入式擴散區532而成。多晶硅層538覆蓋于ONO堆棧結構522的頂氧化層528以及與ONO堆棧結構522相鄰的源極/漏極氧化層534上。值得注意的是，使用公知濕式氧化工藝形成上述ONO堆棧結構522的頂氧化層528后，需要再進行一清洗工藝，而此清洗工藝將會蝕刻頂氧化層528，并暴露出氮化硅層526的角落或邊緣。請再參考圖5，以公知方法所形成的ONO堆棧結構522中，當頂氧化層538的邊緣529遭受蝕刻的破壞時，將會暴露出氮化硅層的邊緣527。當多晶硅層538沉積覆蓋于此堆棧結構上時，氮化硅層所暴露出的邊緣527會與覆蓋于其上的多晶硅層538接觸，而從氮化硅層526至多晶硅層528形成一漏電流路徑，并因此降低ONO結構500的效能。
本發明可避免上述漏電流的問題。圖6為依照本發明而形成的一種ONO結構600的剖面示意圖。請參照圖6，本發明的ONO結構600形成在基底602上，其包括一ONO堆棧結構622，而ONO堆棧結構622是由基底602依序往上分別為底氧化層624、氮化硅層626以及頂氧化層628所組成。埋入式擴散區(源極/漏極區)632形成于與ONO堆棧結構622相鄰的基底602中，其形成方法例如是離子植入法。源極/漏極氧化層634則是在含氧自由基的RTO工藝中，通過氧化埋入式擴散區632而成。且頂氧化層628亦是在此工藝中與源極/漏極氧化層634同時形成，如前述有關圖3及圖4D至圖4F的說明。而多晶硅層638覆蓋于ONO堆棧結構622的頂氧化層628以及與ONO堆棧結構622相鄰的源極/漏極氧化層634之上。依照本發明所述，本發明的頂氧化層628，是于圖案化氮化硅層626及底氧化層624之后，從氮化硅層626所暴露出的表面上氧化形成。而且此方法所形成的頂氧化層628可完全覆蓋住氮化硅層626的邊緣與角落，且頂氧化層628包圍著氮化硅層626的邊緣而與鄰近部分的源極/漏極氧化層634接觸。因此，氮化硅層626可與之后形成于其上的多晶硅層638完全隔離，進而改善ONO結構600的效能與可靠度。
實例一在本實例中，在晶圓基底上形成圖案化的氮化硅(SiN)與硅(Si)表面，再將晶圓放置在原位蒸汽生成的爐管內。接著在ISSG腔室中將晶圓加熱至約攝氏950度，并使其暴露于氫氣、氧氣以及作為載氣的氮氣下約300秒，以在硅與氮化硅的表面上形成氧化層。其中ISSG工藝的腔室中氫氣的流速為2slm，氧氣的流速為8slm。而在硅表面上所形成的氧化層厚度約為158埃，在氮化硅表面上所形成的氧化層厚度約為128埃。
實例二本實例將比較利用ISSG工藝在氮硅化合物(SiN)上生成氧化物的速率的實際值與由反應式推導而得的理論值其間的差異。
而理論值速率可由以下式子推導而出
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若將ISSG工藝的實驗資料中的氧化層生成厚度相對于氮化硅層(SiNGen)的耗損厚度繪制成一關系圖，則所得的斜率為1.6301。而位于頂氧化層與氮化層的界面的薄層中的氮合并氧化物(氮氧化物)的形成，可用以說明理論值速率與所測得的實驗值速率間的差異。且由于氮合并氧化物的存在，使得氧化物層-氮化物層的界面的精準位置，尤其是在ONO堆棧結構中的頂氧化薄膜與氮化物層的界面的精準位置難以決定。
實例三本實例將比較在三種不同溫度下的ISSG工藝中，其氮硅化合物(二氯硅烷，DCS)上的氧化層的生成速率。此三種溫度分別為攝氏850度、900度以及950度。而每一溫度下的晶圓皆暴露于氫氣與氧氣中，且氫氣與氧氣的流速比(H2/H2+O2)大約是33％(H2流速為6slm，而O2流速為12slm)。而測量氧化層厚度的時間間隔大約是30秒、60秒、90秒以及120秒。
在溫度為攝氏850度的工藝中，氧化層在氮化硅及硅上的生成速率比(SiN/Si)約在0.68∶1至0.75∶1的范圍內。在溫度為攝氏900度的工藝中，氧化層在氮化硅及硅上的生成速率比(SiN/Si)約在0.69∶1至0.75∶1的范圍內。而在溫度為攝氏950度的工藝中，氧化層在氮化硅及硅上的生成速率比(SiN/Si)約在0.72∶1至0.78∶1的范圍內。
公知方法在氮化硅層上的薄氧化膜的形成是依據線性生成法(linear growth law)則而得。相對地，ISSG工藝中的氧化層的形成顯然是利用控制其擴散而得。當氧化層厚度的數值平方與氧化時間呈線性比例時，則其符合拋物線生成法則(parabolic growth law)。
實例四本實例將比較不同參數的ISSG工藝中的氮化硅(DCS)上的氧化層生成速率。工藝中氫氣與氧氣的比值(H2/H2+O2)分別為約25％以及約33％，且溫度分別約為攝氏850度、900度以及950度。而測量氧化層厚度的時間間隔大約是30秒、60秒、90秒以及120秒。并利用一燈式(lamp type，XT)單晶圓腔室于事先形成氮化硅膜。一般來說，在較高溫的工藝中，每一時間間隔內所形成的氧化層皆會較厚。也就是說，在較高溫下的工藝中，其氧化層生成速率較快，因為氧自由基中明顯增加的動能可使其更容易克服活性能的障礙。而且，在每一工藝溫度下，H2/H2+O2比值愈高其氧化層的生成速率愈快。因此，在一給定的工藝溫度下，氫氣濃度愈高，則氧化層達到指定厚度所需的工藝時間愈短。明顯地，氫氣的高濃度可加速氧分子游離為易反應的氧自由基，進而使更多氧自由基能夠參與反應。
實例五在本實例中，氧化層是利用攝氏850度及950度的ISSG工藝形成于氮化層上。而此氮化層可以是利用多種不同的方式形成，其包括二氯硅烷基(DCS-based)的氮化層(XT lamp type腔室)、利用單晶圓腔室(XT lamp type)生成的烷基氮化物以及利用SiNGen單晶圓腔室系統所生成的烷基氮化物。如預期的，在較高的溫度下頂氧化層的生成速度較快。且在同一溫度下，上述三種不同型式的薄膜上的氧化層生成速率相似。
上述之一或更多參數的恰當值，將會因其它一或更多的參數值而有所不同。舉例來說，通常在較高的工藝溫度下，即可縮短工藝所需的時間。而且，在任一給定的工藝溫度下，若是混合氣體中氫氣相對于氧氣的比例較高，工藝時間也會較短。這些實例是依照本發明而在此提供建議方針，用以決定較佳的參數結合，并非用以表現特定的實行法。
權利要求
1.一種ONO結構的形成方法，其特征是，該方法包括在一基底的表面上提供一氧化物-氮化物薄膜，該氧化物-氮化物薄膜包括一第一氧化層，覆蓋于該基底上；一氮化硅層，覆蓋于該第一氧化層上；圖案化該氧化物-氮化物薄膜，以于該基底上定義出一ONO堆棧結構的一底氧化物與一氮化硅部分，該底氧化物與該氮化硅部分具有一暴露出的側壁，且該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劑的環境下，使該暴露的側壁以及該暴露的表面暴露于一快速熱氧化作用中，以于該圖案化的氮化硅部分及該圖案化的氧化物部分的該暴露的表面與該暴露的側壁上形成一氧化層。
2.如權利要求1所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該自由基氧化劑包括一氧自由基。
3.如權利要求1所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該自由基氧化劑包括O-。
4.如權利要求1所述的ONO結構的形成方法，其特征是，暴露的工藝包括將該基底加熱至一特定的溫度，并在一特定的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一以特定比例的一含氧氣體與一含氫氣體混合而成的氣體中，且持續一特定的時間，通過該含氧氣體與該含氫氣體的組成成分的反應而在加熱的該基底附近產生該自由基氧化劑。
5.如權利要求4所述的ONO結構的形成方法，其特征是，加熱該基底包括將該基底加熱至約攝氏700度至攝氏1300間的范圍內。
6.如權利要求4所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏900度至攝氏1150間的范圍內。
7.如權利要求4所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏850度至攝氏1000間的范圍內。
8.如權利要求1所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該暴露的工藝包括將該基底加熱至一特定的溫度，并在一特定的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一以特定比例的O2與H2混合而成的氣體中，且持續一特定時間，通過O2與H2之組成元素的反應而在加熱的該基底附近產生O-。
9.如權利要求8所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該暴露的工藝包括將該基底加熱至約攝氏700度至攝氏1300度的范圍內，并于一約在1托至20托的范圍內的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一O2與H2的比例，即H2/H2+O2，約在0.1％至40％的范圍內的混合氣體中，且持續約1至1000秒的時間。
10.如權利要求9所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏900度至攝氏1150間的范圍內。
11.如權利要求9所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏850度至攝氏1000間的范圍內。
12.如權利要求9所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該暴露的工藝包括在該基底上流動的O2與H2的該混合氣體，其比例，即H2/H2+O2，約在5％至33％的范圍內。
13.如權利要求9所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該暴露的工藝包括在該基底上流動的O2與H2的該混合氣體，其比例，即H2∶O2，約在1∶19至1∶2的范圍內。
14.如權利要求9所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該暴露的工藝包括O2與H2的該混合氣體在該基底上流動的時間約在10秒至500秒的范圍內。
15.如權利要求9所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該暴露的工藝包括O2與H2的該混合氣體在該基底上流動的時間約在30秒至300秒的范圍內。
16.如權利要求1所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該暴露的工藝包括于一爐管內加熱該基底，并在一特定的壓力下，導入一以特定比例的O2與H2混合而成的氣體，且持續一特定時間，通過O2與H2的組成成分的反應而在加熱的該基底附近產生O-。
17.如權利要求16所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括導入一載氣。
18.如權利要求17所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括導入一N2作為載氣。
19.如權利要求16所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該導入該特定比例的O2與H2的混合氣體的步驟，包括在一特定的流速比例下導入O2與H2。
20.如權利要求19所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括以一特定的流速導入N2作為一載氣。
21.如權利要求19所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該導入O2與H2的步驟包括以一相加流速大約在1至40slm的范圍內導入O2與H2。
22.如權利要求20所述的ONO結構的形成方法，其特征是，該導入O2與H2的步驟包括以一相加流速大約在1至40slm的范圍內導入O2與H2，且導入N2包括以大于50slm的流速導入N2。
23.一種具有ONO結構的半導體元件的制造方法，包括在一基底的表面上提供一氧化物-氮化物薄膜，該基底具有通過一絕緣體所定義出的第一及第二區域，該氧化物-氮化物薄膜包括一覆蓋于基底上的第一氧化硅層，以及覆蓋于該第一氧化硅層上的一氮化硅層；圖案化該氧化物-氮化物薄膜，以于該基底上的該第二區域內暴露出該基底的表面，并于該基底上的該第一區域內定義出一ONO堆棧結構中的一底氧化層與一氮化硅層的部分，該底氧化層部分與該氮化硅層部分皆具有一暴露出的側壁，且該氮化硅層部分具有一暴露出的表面；當該基底的溫度大約為攝氏700度至1200度之間時，將該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一自由基氧化劑中，以于圖案化的氮化硅層部分的該暴露的側壁及該暴露的表面上，形成一第二氧化層，并同時于該第二區域內的該基底表面上形成一柵極氧化層；以及形成一導電層以覆蓋住該第二氧化層與該柵極氧化層。
24.如權利要求23所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，該自由基氧化劑包括一氧自由基。
25.如權利要求23所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，該自由基氧化劑包括O-。
26.如權利要求23所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括將該基底加熱至該溫度范圍內的一溫度，并在一特定的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一以特定比例的一含氧氣體與一含氫氣體混合而成的氣體中，且持續一特定時間，通過該含氧氣體與該含氫氣體的組成成分的反應而在加熱的該基底附近產生該自由基氧化劑。
27.如權利要求26所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏900度至攝氏1150間的范圍內。
28.如權利要求26所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏850度至攝氏1000間的范圍內。
29.如權利要求23所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括將該基底加熱至該溫度范圍內的一溫度，并在一特定的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一以特定比例的O2與H2混合而成的氣體中，且持續一特定時間，通過O2與H2的組成成分的反應而在加熱的該基底附近產生O-。
30.如權利要求29所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括將該基底加熱至該溫度范圍內的一溫度，并于一約在1托至20托的范圍內的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一O2與H2的比例，即H2/H2+O2，約在0.1％至40％的范圍內的混合氣體中，且持續約1至1000秒的時間。
31.如權利要求30所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏900度至攝氏1150間的范圍內。
32.如權利要求30所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏850度至攝氏1000間的范圍內。
33.如權利要求30所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括在該基底上流動的O2與H2的該混合氣體，其比例，即H2/H2+O2，約在5％至33％的范圍內。
34.如權利要求30所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括在該基底上流動的O2與H2的該混合氣體，其比例，即H2∶O2，約在1∶19至1∶2的范圍內。
35.如權利要求30所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括O2與H2的該混合氣體在該基底上流動的時間約在10秒至500秒的范圍內。
36.如權利要求30所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括O2與H2的該混合氣體在該基底上流動的時間約在30秒至300秒的范圍內。
37.如權利要求23所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括于一爐管內加熱該基底，并在一特定的壓力下，導入一以特定比例的O2與H2混合而成的氣體，且持續一特定時間，通過O2與H2的組成元素的反應而在加熱的該基底附近產生O-。
38.如權利要求37所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括導入一載氣。
39.如權利要求38所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括導入一N2作為載氣。
40.如權利要求37所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該導入該特定O2與H2的比例的混合氣體的步驟，更包括在一特定的流速比例下導入O2與H2。
41.如權利要求40所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括以一特定的流速導入N2作為一載氣。
42.如權利要求40所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的步驟包括以一相加流速大約在1至40slm的范圍內導入O2與H2。
43.如權利要求41所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的步驟包括以一相加流速大約在1至40slm的范圍內導入O2與H2，且導入N2包括以大于50slm的流速導入N2。
44.如權利要求23所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該第二氧化層與該柵極氧化層的形成厚度比約在0.6∶1至0.8∶1的范圍內。
45.如權利要求23所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括在一爐管內加熱該基底，且當該基底的溫度維持在該溫度范圍內的一溫度下并持續約10秒至500秒時，于該爐管內產生該自由基氧化劑。
46.如權利要求23所述的具有ONO結構的半導體元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括在一爐管內加熱該基底，且當該基底的溫度維持在該溫度范圍內的一溫度下并持續約30秒至300秒時，于該爐管內產生該自由基氧化劑。
47.一種具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，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，該基底具有通過一絕緣體所定義出的一第一區域及一第二區域，該氧化物-氮化物薄膜包括覆蓋于基底上的一第一氧化硅層，以及覆蓋于該第一氧化硅層上的一氮化硅層；圖案化該氧化物-氮化物薄膜，以于該基底上的該第二區域內暴露出該基底的表面，并于該基底上的該第一區域內定義出一ONO堆棧結構中的一底氧化層與一氮化硅層的部分，該底氧化層部分與該氮化硅層部分皆具有一暴露出的側壁，且該氮化硅層部分具有一暴露出的表面；當該基底的溫度大約在攝氏700度至1200度之間時，將該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一自由基氧化劑中，以于圖案化的氮化硅層部分的該暴露的側壁及該暴露的表面上，形成一第二氧化層，并同時于該第二區域內的該基底表面上形成一柵極氧化層；以及形成一導電層以覆蓋住該第二氧化層與該柵極氧化層。
48.如權利要求47所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該自由基氧化劑包括一氧自由基。
49.如權利要求47所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該自由基氧化劑包括O-。
50.如權利要求47所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括將該基底加熱至該溫度范圍內之一溫度，并在一特定的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一以特定比例的一含氧氣體與一含氫氣體混合而成的氣體中，且持續一特定時間，通過該含氧氣體與該含氫氣體的組成元素的反應而在加熱的該基底附近產生該自由基氧化劑。
51.如權利要求50所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏900度至攝氏1150間的范圍內。
52.如權利要求50所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏850度至攝氏1000間的范圍內。
53.如權利要求47所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括將該基底加熱至該溫度范圍內的一溫度，并在一特定的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一以特定比例的O2與H2混合而成的氣體中，且持續一特定時間，通過O2與H2的組成元素的反應而在加熱的該基底附近產生O-。
54.如權利要求53所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括將該基底加熱至該溫度范圍內的一溫度，并于一約在1托至20托的范圍內的壓力下，令該暴露的側壁及該暴露的表面暴露于一O2與H2的比例，即H2/H2+O2，約在0.1％至40％的范圍內的混合氣體中，且持續約1至1000秒的時間。
55.如權利要求54所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏900度至攝氏1150間的范圍內。
56.如權利要求54所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該加熱該基底的步驟包括將該基底加熱至約攝氏850度至攝氏1000間的范圍內。
57.如權利要求54所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括在該基底上流動的O2與H2的該混合氣體，其比例，即H2/H2+O2，約在5％至33％的范圍內。
58.如權利要求54所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括在該基底上流動的O2與H2的該混合氣體，其比例，即H2∶O2，約在1∶19至1∶2的范圍內。
59.如權利要求54所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括O2與H2的該混合氣體在該基底上流動的時間約在10秒至500秒的范圍內。
60.如權利要求54所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括O2與H2的該混合氣體在該基底上流動的時間約在30秒至300秒的范圍內。
61.如權利要求47所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括于一爐管內加熱該基底，并在一特定的壓力下，導入一以特定比例的O2與H2混合而成的氣體，且持續一特定時間，通過O2與H2的組成成分的反應而在加熱的該基底附近產生O-。
62.如權利要求61所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括導入一載氣。
63.如權利要求62所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括導入一N2作為載氣。
64.如權利要求61所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該導入該特定O2與H2的比例的混合氣體的步驟，更包括在一特定的流速比例下導入O2與H2。
65.如權利要求64所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的該混合氣體的步驟更包括以一特定的流速導入N2作為一載氣。
66.如權利要求64所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的步驟包括以一相加流速大約在1至40slm的范圍內導入O2與H2。
67.如權利要求65所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該導入O2與H2的步驟包括以一相加流速大約在1至40slm的范圍內導入O2與H2，且導入N2包括以大于50slm的流速導入N2。
68.如權利要求47所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該第二氧化層與該柵極氧化層的形成厚度比約在0.6∶1至0.8∶1的范圍內。
69.如權利要求47所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括在一爐管內加熱該基底，且當該基底的溫度維持在該溫度范圍內的一溫度下并持續約10秒至500秒時，于該爐管內產生該自由基氧化劑。
70.如權利要求47所述的具有ONO結構的存儲器元件的制造方法，其特征是，該暴露的工藝包括在一爐管內加熱該基底，且當該基底的溫度維持在該溫度范圍內的一溫度下并持續約30秒至300秒時，于該爐管內產生該自由基氧化劑。
71.一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅結構的半導體元件，其特征是，該半導體元件包括一第一氧化硅層，覆蓋于一基底上；一氮化硅層，覆蓋于該第一氧化硅層上；一第二氧化硅層，完全覆蓋住該氮化硅層，并與該第一氧化硅層接觸；以及一柵極導電層，覆蓋于該第二氧化硅層上。
72.一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅結構的存儲單元元件，其特征是，該存儲單元元件包括一埋入式漏極與一埋入式源極，配置于一基底中；一埋入式漏極氧化層，覆蓋住該埋入式漏極，以及一埋入式源極氧化層，覆蓋住該埋入式源極；一第一氧化硅層，覆蓋住位在該基底上的該埋入式漏極與該埋入式源極間的一區域，并覆蓋住部分的該埋入式漏極氧化層與部分的該埋入式源極氧化層；一氮化硅層，覆蓋住部分的該第一氧化硅層；一第二氧化硅層，完全覆蓋住該氮化硅層并與該第一氧化硅層接觸；以及一柵極導電層，覆蓋于該第二氧化硅層上。
73.一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅結構的存儲單元元件的只讀存儲器，其特征是，該只讀存儲器包括一埋入式漏極與一埋入式源極，配置于一基底中；一埋入式漏極氧化層，覆蓋于該埋入式漏極上，以及一埋入式源極氧化層，覆蓋于該埋入式源極上；一第一氧化硅層，覆蓋住位在該基底上的該埋入式漏極與該埋入式源極間的一區域，并覆蓋住部分的該埋入式漏極氧化層與部分的該埋入式源極氧化層；一氮化硅層，覆蓋住部分的該第一氧化硅層；一第二氧化硅層，完全覆蓋住該氮化硅層并與該第一氧化硅層接觸；以及一柵極導電層，覆蓋于該第二氧化硅層上。
全文摘要
一種具有氧化硅/氮化硅/氧化硅(“ONO”)結構的半導體的形成方法，是先提供第一氧化硅層與氮化硅層覆蓋于一具有存儲器元件區與邏輯元件區的基底上，再圖案化第一氧化硅層與氮化硅層，以定義出部分完成的ONO堆棧結構的底氧化物與氮化硅部位，并暴露出邏輯元件區域內的基底。在具有自由基氧化劑的環境下進行快速熱回火工藝，以同時在氮化硅層所暴露出的表面上形成第二氧化硅層，并在基底上形成柵極氧化硅層。然后在完成的ONO堆棧結構以與柵極氧化層上沉積導電層。本發明可用以制造具有邏輯元件與含有ONO結構存儲單元的存儲器元件。其縮短工藝耗費時間，降低熱預算，可避免氮化硅在后續清洗工藝中被暴露出來，增進了柵極的耦合比。
文檔編號H01L21/314GK1705087SQ20041004268
公開日2005年12月7日 申請日期2004年5月31日 優先權日2004年5月31日
發明者王致皓, 陳昕輝, 黃仲仁, 陳仲慕, 劉光文, 邱家榮 申請人:旺宏電子股份有限公司