CN103066023A - 一种改善sonos存储器可靠性性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改善SONOS存储器可靠性性能的方法，包括如下步骤：第一步，在硅衬底上生长隧穿氧化层；第二步，在隧穿氧化层上生长氮氧化硅阻挡层；第三步，利用快速热氧化工艺对氮氧化硅阻挡层和隧穿氧化层进行高温退火；第四步，在氮氧化硅阻挡层上生长氮化硅陷阱层；第五步，在氮化硅陷阱层上生长高温热氧化层。通过在薄膜沉积底层氮氧化硅膜层后，利用RTP(快速热氧化工艺)对于隧穿氧化层与底层氮氧化硅阻挡层进行退火，从而去除不稳定的硅氢键，由此来提高SONOS闪存器件可靠性性能。

Description

一种改善SONOS存储器可靠性性能的方法
技术领域
本发明属于半导体集成电路制造工艺，尤其是一种改善SONOS存储器可靠性性能的方法。
背景技术
SONOS闪存器件，因为具备良好的等比例缩小特性和抗辐照特性而成为目前主要的闪存类型之一。SONOS闪存器件面临的可靠性问题主要有两个：一是Endurance(电擦写持久力)特性，就是衡量SONOS器件在多次编程/擦除之后，器件特性方面可能的退化。二是Data Retention(数据保持力)特性，就是SONOS器件的数据保存能力。
传统的SONOS器件主要是利用NH3制备底层氮氧化硅，NH3生成的氮氧化硅在成膜后不可避免的会引入硅氢键。这类硅氢键不仅会长期存在，且由于硅氢键非常不稳定，因此在后续可靠性测试中就会成为电子逃逸的缺陷所在，最终大幅影响可靠性寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种改善SONOS存储器可靠性性能的方法，对于Data Retention能力有较大的提高。其通过在薄膜沉积底层氮氧化硅膜层后，利用RTP(快速热氧化工艺)对于隧穿氧化层与底层氮氧化硅阻挡层进行退火，从而去除不稳定的硅氢键，由此来提高SONOS闪存器件可靠性性能。
为解决上述技术问题，本发明提供一种改善SONOS存储器可靠性性能的方法，包括如下步骤：
第一步，在硅衬底上生长隧穿氧化层；
第二步，在隧穿氧化层上生长氮氧化硅阻挡层；
第三步，利用快速热氧化工艺对氮氧化硅阻挡层和隧穿氧化层进行高温退火；
第四步，在氮氧化硅阻挡层上生长氮化硅陷阱层；
第五步，在氮化硅陷阱层上生长高温热氧化层。
在第一步中，采用低温热氧化工艺生长隧穿氧化层，压力控制为800mtorr～500torr，氧气流量为200sccm～10ml，温度控制为700℃～950℃。
在第二步中，采用低压化学气相淀积工艺生长氮氧化硅阻挡层，压力控制为50mtorr～500mtorr，NH3流量为10sccm～200sccm，DCS流量为10sccm～300sccm，N2O流量为10sccm～300sccm，温度控制为650℃～800℃。
第三步中，所述快速热氧化工艺的N2流量为500ml～5L，反应温度为700℃～950℃，压力为1torr～760torr。所述快速热氧化工艺对氮氧化硅阻挡层和隧穿氧化层进行高温退火，从而去除不稳定的硅氢键。
第四步中，采用低压化学气相淀积工艺生长氮化硅陷阱层，压力控制为50mtorr～500mtorr，NH3流量为10sccm～200sccm，DCS流量为10sccm～300sccm，温度控制为600℃～900℃。
第五步中，采用化学气相淀积工艺生长高温热氧化层，压力控制为50mtorr～500mtorr，DCS流量为10sccm～500sccm，N2O流量为10sccm～200ml，温度控制为650℃～900℃。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明主要是利用了高温退火对于硅氢键的去除，使得在隧穿氧化层与底层氮氧化硅内的硅氢键大量减少，从而改善了衬底与隧穿氧化层的界面态。如图2的能级示意图可以看出，由于界面态的改善使得发生陷阱隧穿的几率出现降低。这一推导结论，也可以从图3界面态复合电流比较曲线看出，有高温退火的SONOS器件界面态(RTP)要好于普通的SONOS器件(Non-RTP)。同时也可以从图4最终的可靠性测试结果中看出加入高温退火后的明显改善，新条件的可靠性寿命从而提高了2个数量级。当然图5对于可靠性测试衰减斜率的研究也可以看出，加入高温退火后，VTP(写电压)的衰减斜率明显放缓，从而最终对于可靠性寿命的大幅增长起了决定性的作用。
附图说明
图1是本发明方法SONOS器件ONO薄膜生长的工艺流程示意图；其中，图1A是本发明方法第一步完成后的示意图；图1B是本发明方法第二步完成后的示意图；图1C是本发明方法第三步完成后的示意图；图1D是本发明方法第四步完成后的示意图；图1E是本发明方法第五步完成后的示意图；
图2是本发明SONOS存储器能级示意图；
图3是采用本发明方法(有RTP)与采用传统方法(无RTP)形成的SONOS存储器的界面态复合电流比较曲线示意图；图3中，Icp表示界面态复合电流，Vb表示栅极所加脉冲电压；
图4是采用本发明方法(RTP split)与采用传统方法(Baseline)形成的SONOS存储器的Data Retention(数据保持力)测试结果比较图；
图5是采用本发明方法(RTP split)与采用传统方法(Baseline)形成的SONOS存储器的写入电压衰减斜率比较图；
图中附图标记说明如下：
图1中，1为硅衬底；2为隧穿氧化层；3为氮氧化硅阻挡层；4为退火后的氮氧化硅阻挡层；5为氮化硅陷阱层，6为高温热氧化层；
图2中，7为硅衬底，8为隧穿氧化层，9为氮氧化硅阻挡层，10为氮化硅陷阱层，11为高温热氧化层，12为多晶硅，T-T隧穿是指阱到阱的隧穿。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明提出了一种改善SONOS存储器可靠性性能的方法，对于DataRetention能力有较大的提高。其主要方法是通过在薄膜沉积底层氮氧化硅膜层后，利用RTP(快速热氧化工艺)对于隧穿氧化层与底层氮氧化硅进行退化，从而去除不稳定的硅氢键，由此来提高SONOS闪存器件可靠性性能。
本发明的具体工艺流程如图1所示，包括如下具体步骤：
第一步，如图1A所示，在硅衬底1上生长隧穿氧化层2。该步骤采用低温热氧化工艺，压力控制为800mtorr～500torr，氧气流量为200sccm～10ml，温度控制为700℃～950℃。
第二步，如图1B所示，在隧穿氧化层2上生长氮氧化硅阻挡层3。该步骤采用低压化学气相淀积工艺生长氮氧化硅阻挡层3，压力控制为50mtorr～500mtorr，NH3(氨气)流量为10sccm～200sccm，DCS(二氯二氢硅)流量为10sccm～300sccm，N2O(笑气)流量为10sccm～300sccm，温度控制为650℃～800℃。
第三步，如图1C所示，利用RTP(快速热氧化工艺)对于氮氧化硅阻挡层3和隧穿氧化层2进行高温退火，从而去除不稳定的硅氢键，形成退火后的氮氧化硅阻挡层4；所述的RTP退火工艺，其N2(氮气)流量为500ml～5L，反应温度为700℃～1150℃，压力为1torr～760torr。
第四步，如图1D所示，在氮氧化硅阻挡层3上生长氮化硅陷阱层5；该步骤采用低压化学气相淀积工艺，压力控制为50mtorr～500mtorr，NH3(氨气)流量为10sccm～200sccm，DCS(二氯二氢硅)流量为10sccm～300sccm，温度控制为600℃～900℃。
第五步，如图1E所示，在氮化硅陷阱层5上生长高温热氧化层6。该步骤采用化学气相淀积工艺，压力控制为50mtorr～500mtorr，DCS(二氯二氢硅)流量为10sccm～500sccm，N2O流量为10sccm～200ml，温度控制为650℃～900℃。
本发明与标准SONOS工艺的差别主要体现在底层氮氧化硅阻挡层后的高温退火(即上述第三步)。本发明利用了该高温退火步骤对于硅氢键的去除，使得在隧穿氧化层与底层氮氧化硅阻挡层内的硅氢键大量减少，从而改善了硅衬底与隧穿氧化层的界面态。由于界面态得到改善，使得在烘烤等高温后产生的缺陷减到最小，从而最终极大地提升了SONOS器件的可靠性寿命。

Claims (7)

1.一种改善SONOS存储器可靠性性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，在硅衬底上生长隧穿氧化层；
第二步，在隧穿氧化层上生长氮氧化硅阻挡层；
第三步，利用快速热氧化工艺对氮氧化硅阻挡层和隧穿氧化层进行高温退火；
第四步，在氮氧化硅阻挡层上生长氮化硅陷阱层；
第五步，在氮化硅陷阱层上生长高温热氧化层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一步中，采用低温热氧化工艺生长隧穿氧化层，压力控制为800mtorr～500torr，氧气流量为200sccm～10ml，温度控制为700℃～950℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第二步中，采用低压化学气相淀积工艺生长氮氧化硅阻挡层，压力控制为50mtorr～500mtorr，NH3流量为10sccm～200sccm，DCS流量为10sccm～300sccm，N2O流量为10sccm～300sccm，温度控制为650℃～800℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步中，所述快速热氧化工艺的N2流量为500ml～5L，反应温度为700℃～950℃，压力为1torr～760torr。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，第三步中，所述快速热氧化工艺对氮氧化硅阻挡层和隧穿氧化层进行高温退火，从而去除不稳定的硅氢键。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步中，采用低压化学气相淀积工艺生长氮化硅陷阱层，压力控制为50mtorr～500mtorr，NH3流量为10sccm～200sccm，DCS流量为10sccm～300sccm，温度控制为600℃～900℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第五步中，采用化学气相淀积工艺生长高温热氧化层，压力控制为50mtorr～500mtorr，DCS流量为10sccm～500sccm，N2O流量为10sccm～200ml，温度控制为650℃～900℃。
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