发明名称 ONO结构中之氧化层的形成方法
摘要 一种具有氧化矽/氮化矽/氧化矽(”ONO”)结构之半导体的形成方法,系先提供第一氧化矽层与氮化矽层覆盖于一具有记忆体元件区与逻辑元件区的基底上,再图案化第一氧化矽层与氮化矽层,以定义出部分完成之ONO堆叠结构的底氧化物与氮化矽部位,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制程,以同时在氮化矽层所暴露出的表面上形成第二氧化矽层,并在基底上形成闸极氧化矽层。然后在完成的ONO堆叠结构以及闸极氧化层上沈积导电层。本发明可用以制造具有逻辑元件与含有ONO结构记忆胞的记忆体元件。依照本发明所述,在RTO制程中将图案化之氮化矽暴露于氧自由基下可有效缩短制程所耗费的时间,并降低热预算。此外,依照本发明所述,因为顶氧化层系完全覆盖住氮化矽层的上表面及侧壁,所以可避免氮化矽在后续的清洗制程中被暴露出来。且由于多晶矽闸极与顶氧化层间接触面积的增加,也因而增进了闸极的耦合比。
申请公布号 TWI236712 申请公布日期 2005.07.21
申请号 TW093120185 申请日期 2004.07.06
申请人 旺宏电子股份有限公司 发明人 王致皓;陈昕辉;黄仲仁;陈仲慕;刘光文;邱家荣
分类号 H01L21/316 主分类号 H01L21/316
代理机构 代理人 詹铭文 台北市中正区罗斯福路2段100号7楼之1;萧锡清 台北市中正区罗斯福路2段100号7楼之1
主权项 1.一种ONO结构的形成方法,包括:在一基底之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;一氮化矽层,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堆叠结构之一底氧化物与一氮化矽部分,该底氧化物与该氮化矽部分具有一暴露出的侧壁,且该氮化矽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,使该暴露之侧壁以及该暴露之表面暴露于一快速热氧化作用中,以于该图案化之氮化矽部分及该图案化之氧化物部分的该暴露之表面与该暴露之侧壁上形成一氧化层。2.如申请专利范围第1项所述之ONO结构的形成方法,其中该自由基氧化剂包括一氧自由基。3.如申请专利范围第1项所述之ONO结构的形成方法,其中该自由基氧化剂包括O-。4.如申请专利范围第1项所述之ONO结构的形成方法,其中暴露之制程包括将该基底加热至一特定之温度,并在一特定之压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一以特定比例之一含氧气体与一含氢气体混合而成的气体中,且持续一特定之时间,藉由该含氧气体与该含氢气体之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.如申请专利范围第4项所述之ONO结构的形成方法,其中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.如申请专利范围第4项所述之ONO结构的形成方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第4项所述之ONO结构的形成方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第1项所述之ONO结构的形成方法,其中该暴露之制程包括将该基底加热至一特定之温度,并在一特定之压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一以特定比例之O2与H2混合而成的气体中,且持续一特定时间,藉由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.如申请专利范围第8项所述之ONO结构的形成方法,其中该暴露之制程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(torr)至20托(torr)之范围内的压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一O2与H2之比例(H2/H2+O2)约在0.1%至40%之范围内的混合气体中,且持续约1至1000秒的时间。10.如申请专利范围第9项所述之ONO结构的形成方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第9项所述之ONO结构的形成方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第9项所述之ONO结构的形成方法,其中该暴露之制程包括在该基底上流动的O2与H2之该混合气体,其比例(H2/H2+O2)约在5%至33%的范围内。13.如申请专利范围第9项所述之ONO结构的形成方法,其中该暴露之制程包括在该基底上流动的O2与H2之该混合气体,其比例(H2:O2)约在1:19至1:2的范围内。14.如申请专利范围第9项所述之ONO结构的形成方法,其中该暴露之制程包括O2与H2之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.如申请专利范围第9项所述之ONO结构的形成方法,其中该暴露之制程包括O2与H2之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.如申请专利范围第1项所述之ONO结构的形成方法,其中该暴露之制程包括于一炉管内加热该基底,并在一特定之压力下,导入一以特定比例之O2与H2混合而成的气体,且持续一特定时间,藉由O2与H2之组成成分的反应而在加热的该基底附近产生O-。17.如申请专利范围第16项所述之ONO结构的形成方法,其中该导入O2与H2之该混合气体之步骤更包括导入一载气。18.如申请专利范围第17项所述之ONO结构的形成方法,其中该导入O2与H2之该混合气体的步骤更包括导入一氮气(N2)作为载气。19.如申请专利范围第16项所述之ONO结构的形成方法,其中该导入该特定比例的O2与H2的混合气体的步骤,包括在一特定之流速比例下导入O2与H2。20.如申请专利范围第19项所述之ONO结构的形成方法,其中该导入O2与H2之该混合气体之步骤更包括以一特定之流速导入N2作为一载气。21.如申请专利范围第19项所述之ONO结构的形成方法,其中该导入O2与H2之步骤包括以一相加流速大约在1至40slm之范围内导入O2与H2。22.如申请专利范围第20项所述之ONO结构的形成方法,其中该导入O2与H2之步骤包括以一相加流速大约在1至40slm之范围内导入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结构之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,该基底具有藉由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之第一氧化矽层,以及覆盖于该第一氧化矽层上之一氮化矽层;图案化该氧化物-氮化物薄膜,以于该基底上之该第二区域内暴露出该基底的表面,并于该基底上之该第一区域内定义出一ONO堆叠结构中的一底氧化层与一氮化矽层之部分,该底氧化层部分与该氮化矽层部分皆具有一暴露出之侧壁,且该氮化矽层部分具有一暴露出之表面;当该基底之温度大约为摄氏700度至1200度之间时,将该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一自由基氧化剂中,以于图案化之氮化矽层部分的该暴露之侧壁及该暴露之表面上,形成一第二氧化层,并同时于该第二区域内之该基底表面上形成一闸极氧化层;以及形成一导电层以覆盖住该第二氧化层与该闸极氧化层。24.如申请专利范围第23项所述之具有ONO结构之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.如申请专利范围第23项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,该自由基氧化剂包括O-。26.如申请专利范围第23项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括将该基底加热至该温度范围内之一温度,并在一特定之压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一以特定比例之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,藉由该含氧气体与该含氢气体之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.如申请专利范围第26项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第26项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第23项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括将该基底加热至该温度范围内之一温度,并在一特定之压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一以特定比例之O2与H2混合而成的气体中,且持续一特定时间,藉由O2与H2之组成成分的反应而在加热的该基底附近产生O-。30.如申请专利范围第29项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括将该基底加热至该温度范围内之一温度,并于一约在1托(torr)至20托(torr)之范围内的压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一O2与H2之比例(H2/H2+O2)约在0.1%至40%之范围内的混合气体中,且持续约1至1000秒的时间。31.如申请专利范围第30项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第30项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第30项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括在该基底上流动的O2与H2之该混合气体,其比例(H2/H2+O2)约在5%至33%的范围内。34.如申请专利范围第30项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括在该基底上流动的O2与H2之该混合气体,其比例(H2:O2)约在1:19至1:2的范围内。35.如申请专利范围第30项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括O2与H2之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.如申请专利范围第30项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括O2与H2之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.如申请专利范围第23项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括于一炉管内加热该基底,并在一特定之压力下,导入一以特定比例之O2与H2混合而成的气体,且持续一特定时间,藉由O2与H2之组成元素的反应而在加热的该基底附近产生O-。38.如申请专利范围第37项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之该混合气体的步骤更包括导入一载气。39.如申请专利范围第38项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之该混合气体之步骤更包括导入一氮气(N2)作为载气。40.如申请专利范围第37项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该导入该特定O2与H2之比例的混合气体的步骤,更包括在一特定之流速比例下导入O2与H2。41.如申请专利范围第40项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之该混合气体之步骤更包括以一特定之流速导入N2作为一载气。42.如申请专利范围第40项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之步骤包括以一相加流速大约在1至40slm之范围内导入O2与H2。43.如申请专利范围第41项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之步骤包括以一相加流速大约在1至40slm之范围内导入O2与H2,且导入N2包括以大于50slm的流速导入N2。44.如申请专利范围第23项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该第二氧化层与该闸极氧化层之形成厚度比约在0.6:1至0.8:1之范围内。45.如申请专利范围第23项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括在一炉管内加热该基底,且当该基底之温度维持在该温度范围内之一温度下并持续约10秒至500秒时,于该炉管内产生该自由基氧化剂。46.如申请专利范围第23项所述之具有ONO结构之半导体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括在一炉管内加热该基底,且当该基底之温度维持在该温度范围内之一温度下并持续约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结构之记忆体元件的制造方法,包括:在一基底的表面上提供一氧化物-氮化物薄膜,该基底具有藉由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之一第一氧化矽层,以及覆盖于该第一氧化矽层上之一氮化矽层;图案化该氧化物-氮化物薄膜,以于该基底上之该第二区域内暴露出该基底的表面,并于该基底上之该第一区域内定义出一ONO堆叠结构中的一底氧化层与一氮化矽层之部分,该底氧化层部分与该氮化矽层部分皆具有一暴露出之侧壁,且该氮化矽层部分具有一暴露出之表面;当该基底之温度大约在摄氏700度至1200度之间时,将该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一自由基氧化剂中,以于图案化之氮化矽层部分的该暴露之侧壁及该暴露之表面上,形成一第二氧化层,并同时于该第二区域内之该基底表面上形成一闸极氧化层;以及形成一导电层以覆盖住该第二氧化层与该闸极氧化层。48.如申请专利范围第47项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,该自由基氧化剂包括一氧自由基。49.如申请专利范围第47项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,该自由基氧化剂包括O-。50.如申请专利范围第47项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括将该基底加热至该温度范围内之一温度,并在一特定之压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一以特定比例之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,藉由该含氧气体与该含氢气体之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.如申请专利范围第50项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第50项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第47项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括将该基底加热至该温度范围内之一温度,并在一特定之压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一以特定比例之O2与H2混合而成的气体中,且持续一特定时间,藉由O2与H2之组成元素的反应而在加热的该基底附近产生O-。54.如申请专利范围第53项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括将该基底加热至该温度范围内之一温度,并于一约在1托(torr)至20托(torr)之范围内的压力下,令该暴露之侧壁及该暴露之表面暴露于一O2与H2之比例(H2/H2+O2)约在0.1%至40%之范围内的混合气体中,且持续约1至1000秒的时间。55.如申请专利范围第54项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第54项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该加热该基底之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.如申请专利范围第54项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括在该基底上流动的O2与H2之该混合气体,其比例(H2/H2+O2)约在5%至33%的范围内。58.如申请专利范围第54项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括在该基底上流动的O2与H2之该混合气体,其比例(H2:O2)约在1:19至1:2的范围内。59.如申请专利范围第54项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括O2与H2之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.如申请专利范围第54项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括O2与H2之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.如申请专利范围第47项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括于一炉管内加热该基底,并在一特定之压力下,导入一以特定比例之O2与H2混合而成的气体,且持续一特定时间,藉由O2与H2之组成成分的反应而在加热的该基底附近产生O-。62.如申请专利范围第61项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之该混合气体之步骤更包括导入一载气。63.如申请专利范围第62项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之该混合气体之步骤更包括导入一氮气(N2)作为载气。64.如申请专利范围第61项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该导入该特定O2与H2之比例的混合气体之步骤,更包括在一特定之流速比例下导入O2与H2。65.如申请专利范围第64项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之该混合气体之步骤更包括以一特定之流速导入N2作为一载气。66.如申请专利范围第64项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之步骤包括以一相加流速大约在1至40slm之范围内导入O2与H2。67.如申请专利范围第65项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该导入O2与H2之步骤包括以一相加流速大约在1至40slm之范围内导入O2与H2,且导入N2包括以大于50slm的流速导入N2。68.如申请专利范围第47项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该第二氧化层与该闸极氧化层之形成厚度比约在0.6:1至0.8:1之范围内。69.如申请专利范围第47项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括在一炉管内加热该基底,且当该基底之温度维持在该温度范围内之一温度下并持续约10秒至500秒时,于该炉管内产生该自由基氧化剂。70.如申请专利范围第47项所述之具有ONO结构之记忆体元件的制造方法,其中该暴露之制程包括在一炉管内加热该基底,且当该基底之温度维持在该温度范围内之一温度下并持续约30秒至300秒时,于该炉管内产生该自由基氧化剂。71.一种具有氧化矽/氮化矽/氧化矽结构的半导体元件,包括:一第一氧化矽层,覆盖于一基底上;一氮化矽层,覆盖于该第一氧化矽层上;一第二氧化矽层,完全覆盖住该氮化矽层,并与该第一氧化矽层接触;以及一闸极导电层,覆盖于该第二氧化矽层上。72.一种具有氧化矽/氮化矽/氧化矽结构的记忆胞元件,包括:一埋入式汲极与一埋入式源极,配置于一基底中;一埋入式汲极氧化层,覆盖住该埋入式汲极,以及一埋入式源极氧化层,覆盖住该埋入式源极;一第一氧化矽层,覆盖住位在该基底上之该埋入式汲极与该埋入式源极间的一区域,并覆盖住部分之该埋入式汲极氧化层与部分之该埋入式源极氧化层;一氮化矽层,覆盖住部分之该第一氧化矽层;一第二氧化矽层,完全覆盖住该氮化矽层并与该第一氧化矽层接触;以及一闸极导电层,覆盖于该第二氧化矽层上。73.一种具有氧化矽/氮化矽/氧化矽结构的记忆胞元件之唯读记忆体,包括:一埋入式汲极与一埋入式源极,配置于一基底中;一埋入式汲极氧化层,覆盖于该埋入式汲极上,以及一埋入式源极氧化层,覆盖于该埋入式源极上;一第一氧化矽层,覆盖住位在该基底上之该埋入式汲极与该埋入式源极问的一区域,并覆盖住部分之该埋入式汲极氧化层与部分之该埋入式源极氧化层;一氮化矽层,覆盖住部分之该第一氧化矽层;一第二氧化矽层,完全覆盖住该氮化矽层并与该第一氧化矽层接触;以及一闸极导电层,覆盖于该第二氧化矽层上。图式简单说明:第1图是绘示习知氧化制程之步骤流程图。第2A图至第2G图是绘示第1图中每一步骤的剖面示意图。第3图是绘示本发明之一实施例的一种氧化制程之步骤流程图。第4A图至第4G图定是绘示第3图中每一氧化制程步骤的剖面示意图。第5图是绘示依照习知制程所形成的ONO结构之剖面示意图。第6图是绘示依照本发明之制程所形成的ONO结构之剖面示意图。
地址 新竹市新竹科学工业园区力行路16号
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