CN104681492A - 闪存单元形成方法 - Google Patents

Abstract

一种闪存单元形成方法，包括：在半导体衬底上形成隧穿氧化层；在所述隧穿氧化层上形成浮栅；在所述浮栅上形成ONO层；在所述ONO层上形成控制栅；对所述浮栅、ONO层和控制栅进行无氧退火处理；在所述浮栅、ONO层和控制栅的侧面以及所述控制栅的顶面形成保护层。所述形成方法在形成浮栅、ONO层和控制栅的叠层结构之后，进行无氧退火处理，修复所述叠层结构的刻蚀工艺所造成的表面晶格损伤，并在浮栅，ONO层和控制栅的侧边边缘形成薄膜保护层，以降低侧边因刻蚀过程所造成的粗糙度，此保护层也使得所述叠层结构在后续工艺过程中都不会受到氧化，ONO层的薄膜厚度均匀性也得到保证，从而提高最终形成的闪存单元的性能。

Description

闪存单元形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种闪存单元形成方法。

背景技术

在当前半导体产业，集成电路产品主要可分为三大类型：模拟电路、数字电路和数模混合电路。数字电路中的一种重要产品是存储器件。在存储器件中，近年来闪速存储器（flash memory，简称闪存）的发展尤为迅速。闪存的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息，并且还具有集成度高、存取速度快以及易于擦除和重写等优点，因而在微机、自动化控制等多项领域得到了广泛的应用。

闪存的标准物理结构称为闪存存储单元（bit，简称闪存单元）。闪存单元的结构与常规MOS晶体管不同。常规的MOS晶体管的栅极（gate）和导电沟道间由栅极绝缘层隔开，栅极绝缘层一般为氧化层（oxide）。而闪存在控制栅（control gate，CG）与导电沟道间还多了一层结构，称为浮栅（floating gate，FG），浮栅与控制栅之间通常具有氧化硅-氮化硅-氧化硅（ONO）层。由于浮栅的存在，闪存单元可以完成三种基本操作模式：读、写和擦除。并且，即便在没有电源供给的情况下，由于浮栅的存在，闪存单元仍然可以保持存储数据的完整性。

请参考图1，现有方法形成闪存单元中，在半导体衬底100上先形成多个分立的隧穿氧化层101，每个隧穿氧化层上形成有由浮栅102、ONO层103和控制栅104组成的叠层结构，所述叠层结构被氧化层105覆盖（可进一步参考图2）。

请参考图2，图2为图1所示结构中结构Ⅰ的放大示意图，从中可以看到，ONO层103具体包括三层结构：下氧化硅层103a、氮化硅层103b和上氧化硅层103c。

现有方法中，氧化层105的形成原因如下：在形成上述叠层结构的过程中，需要进行等离子体强度较强的刻蚀工艺，所述刻蚀工艺会对所述叠层结构表面（包括浮栅102的侧面、ONO层103的侧面，以及控制栅104的侧面和顶面）造成损伤，因此，需要进行氧化退火工艺，以在所述叠层结构表面形成氧化层105，从而修复所述叠层结构表面晶格受到的损伤，并提高所述叠层结构表面的平整度。

然而，在所述氧化退火工艺过程中，氧原子会对沿着浮栅和ONO层，以及控制栅和ONO层的边缘进行氧化，而浮栅和控制栅的边缘被氧化的部分既属于氧化层105的一部分，又会与ONO层中的氧化硅层重叠在一起，显现出ONO层103中下氧化硅层103a和下氧化硅103c两端厚度增加的现象，即造成ONO层与浮栅和控制栅之间形成微笑效应（smiling effect），如图2中结构Ⅱ所示。

一旦ONO层与浮栅和控制栅之间形成微笑效应，就会造成闪存单元的阈值电压变化，引起闪存单元的性能下降。

为此，需要一种新的闪存单元形成方法，以防止闪存单元在形成过程中ONO层与浮栅和控制栅之间形成微笑效应，防止闪存单元的性能下降。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种闪存单元形成方法，以消除闪存单元在形成过程中ONO层与浮栅和控制栅之间出现微笑效应的现象，提高闪存单元的性能下降。

为解决上述问题，本发明提供一种闪存单元形成方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成隧穿氧化层；

在所述隧穿氧化层上形成浮栅；

在所述浮栅上形成ONO层；

在所述ONO层上形成控制栅；

对所述浮栅、ONO层和控制栅进行无氧退火处理；

在所述浮栅、ONO层和控制栅的侧面以及所述控制栅的顶面形成保护层。

可选的，所述无氧退火处理采用氨气、氮气或者惰性气体作为保护气体。

可选的，所述无氧退火处理的温度范围为850℃～1150℃，所述无氧退火处理的时间范围为5s～120s，所述保护气体的流量范围为5slm～20slm。

可选的，所述保护层的材料为氮化硅，所述保护层的厚度范围为

可选的，采用低压化学气相沉积法形成所述保护层。

可选的，所述低压化学气相沉积法采用的反应气体包括二氯硅烷和氨气。

可选的，所述低压化学气相沉积法的反应温度范围为500℃～800℃，所述低压化学气相沉积法中反应腔室内的压强范围为50mTorr～500mTorr，所述二氯硅烷和氨气的流量比例范围为1:3～1:20。

可选的，在形成所述保护层之后，所述方法还包括，在所述保护层表面形成氧化层。

可选的，所述氧化层的材料为氧化硅，所述氧化层的厚度范围为

可选的，采用热氧化法形成所述氧化层，所述热氧化法采用的反应气体包括氧气、一氧化二氮和氮气的至少其中两种，或者包括氧气和一氧化二氮的其中一种，所述反应气体的总流量范围为5slm～20slm，所述热氧化法的温度范围为700℃～1150℃。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案在形成浮栅、ONO层和控制栅的叠层结构之后，进行无氧退火处理，所述无氧退火处理一方面修复所述叠层结构形成过程中，相应的刻蚀工艺对所述叠层结构表面造成的损伤，另一方面防止退火过程中氧气氧化浮栅和控制栅的边缘，即防止ONO层与浮栅和控制栅之间形成微笑效应，此后形成保护层保护所述叠层结构，使所述叠层结构在后续工艺过程中都不被氧化，从而提高最终形成的闪存单元的性能。

进一步，采用低压气相沉积法形成所述保护层，由于低压气相沉积法在沉积过程中的压强较小，保护层能够均匀沉积形成在所述叠层结构的各个面上，并且不会消耗叠层结构中的硅源，低气压力的气相反应最终形成的保护层结构更致密，保护作用更强。

附图说明

图1为现有闪存单元形成方法形成过程中的结构示意图；

图2为图1所示结构中结构Ⅰ的放大示意图；

图3至图6为本发明实施例闪存单元形成方法各步骤的示意图。

具体实施方式

现有闪存单元形成方法在形成浮栅、ONO层和控制栅所组成的叠层结构之后，进行氧化退火工艺，虽然修复了相应刻蚀工艺对所述叠层结构表面造成的损伤，但另一方面却会导致氧气氧化浮栅和控制栅的边缘，致使ONO层与浮栅和控制栅之间形成微笑效应，当出现微笑效应时，ONO层中上下氧化硅层两端的厚度都增加，因此ONO层的性能恶化，导致整个器件的阈值电压不稳定，造成闪存单元性能下降。

为此，本发明提供一种新的闪存单元形成方法，所述形成方法在形成浮栅、ONO层和控制栅所组成的叠层结构之后，进行无氧退火处理，一方面修复所述叠层结构形成过程中，相应的刻蚀工艺对所述叠层结构表面造成的损伤，另一方面防止退火过程中氧气氧化浮栅和控制栅的边缘，即防止ONO层与浮栅和控制栅之间形成微笑效应，并且在所述无氧退火处理之后，继续形成保护层所述叠层结构，使所述叠层结构在后续工艺过程中都不被氧化，从而提高最终形成的闪存单元的性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种闪存单元形成方法，请结合参考图3至图6。

请参考图3，提供半导体衬底200，在半导体衬底200上形成隧穿氧化层201，在隧穿氧化层201上形成浮栅202，在浮栅202上形成ONO层203，在ONO层203上形成控制栅204。

本实施例中，半导体衬底200可以为硅衬底，也可以为锗衬底或锗硅衬底，还可以是绝缘体上硅(SOI)衬底等。当隧穿载流子为电子时，半导体衬底200内形成有p型掺杂阱，可通过注入硼离子实现。当隧穿载流子为空穴时，半导体衬底200内形成有n型掺杂阱，可通过注入磷离子实现。本实施例具体的，闪存单元采用电子作为载流子，半导体衬底200内形成有p型掺杂阱，半导体衬底200用作后续形成闪存单元的平台。

本实施例中，隧穿氧化层201的材料可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他高k材料，本实施例具体选用氧化硅。隧穿氧化层201的形成方法可以为炉管热氧化，原子层沉积(ALD)、化学气相淀积(CVD)、等离子体增强型化学气相淀积(PECVD)等。

本实施例中，在隧穿氧化层201上形成浮栅202，浮栅202的材料可以为多晶硅，浮栅202的形成方法可以为化学气相淀积(CVD)。在形成多晶硅浮栅之后，可以对其进行掺杂。由于隧穿载流子为电子，因此对浮栅202进行N型掺杂，掺杂离子可以为磷、锑和砷等五价元素。

请结合参考图3和图4，图4为图3所示结构中结构Ⅲ的放大示意图。本实施例中，ONO层包括下氧化硅层203a、氮化硅层203b和上氧化硅层203c，其中，下氧化硅层203a和上氧化硅层203c的形成方法可以为原子层沉积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或者等离子体增强型化学气相淀积(PECVD)工艺，本实施例采用低压化学气相沉积法淀积。氮化硅层203b的形成方法可以为等离子体增强型化学气相淀积(PECVD)、化学气相淀积(CVD)工艺。ONO层具有漏电小、低缺陷的优点，并且可以防止由于控制栅中通常掺杂有硼而引起的硼穿透效应。

本实施例中，在ONO层203上沉积形成控制栅204，控制栅204的材料同样可以为多晶硅，可参考浮栅202的形成过程。

需要说明的是，具体形成过程中，上述浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构可以是在同一刻蚀工艺中形成的，即：在半导体衬底200上从下到上依次形成隧穿氧化材料层、浮栅202材料层、ONO材料层和控制栅204材料层，再在控制栅204材料层表面形成一层或者多层掩膜层（或层间介质层），然后在掩膜层上形成光刻胶层，并进行光刻和显影工艺图案化所述光刻胶层，以所述图案化的光刻胶层为掩模图案化所述掩膜层，再以图案化的掩膜层为掩模蚀刻所述叠层结构，形成如图3所示的各个分立的叠层结构。

请继续参考图3和图4，本实施例在形成由浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构之后，继续对浮栅202、ONO层203和控制栅204进行无氧退火处理。

本实施例中，所述无氧退火处理可以采用氨气（NH₃）、氮气或者惰性气体作为保护气体。这些气体的成分中不含氧原子，能够为退火工艺提供一种无氧条件，防止在退火过程中，浮栅202和控制栅204的边缘被氧化，从而防止浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构出现微笑效应。本实施例具体的，采用氨气作为保护气体，氨气能够对浮栅202的侧面和ONO层203的侧面，以及控制栅204的侧面和顶面进行氮化作用，即：使浮栅202、ONO层203和控制栅204中暴露出的表面进行化学反应作用，并在浮栅202和控制栅204暴露的表面形成氮和硅的共价键。

本实施例中，保护气体的流量范围可以为5slm～20slm，从而保证在整个退火过程中半导体衬底200处理较为理想的气氛条件下。需要特别说明的是，所述氮化作用并不会使得ONO层203的性质发生变化，并且氨气仅会对所述叠层结构所暴露的表面进行氮化作用，而且不会影响ONO层203与浮栅202和控制栅204层之间的接触界面性质。

本实施例中，所述无氧退火处理的温度范围为850℃～1150℃。由于采用的是无氧退火工艺，因此，在退火过程中，所述退火温度可以设置较高而不必担心相应的结构被氧化，具体的，所述退火处理温度可以高达900℃，950℃，1000℃或者1050℃。提高退火处理温度同时可以缩短退火处理时间，从而节省整个工艺时间。

本实施例中，所述无氧退火处理的时间范围为5s～120s。如果退火时间太短，则不能达到相应的修复作用，所述叠层结构的表面仍然具有损伤，影响后续工艺，如果退火处理时间太长，则浪费能源，增加工艺成本。

在上述退火工艺条件下，浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构表面（包括浮栅202的侧面、ONO层203的侧面，以及控制栅204的侧面和顶面）在它们的形成过程中受到的损伤能够被较好地得到修复，并且整个退火过程中，浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构不会被氧化，从而保证后续形成的闪存单元性能得到提高。

请参考图5，在浮栅202、ONO层203和控制栅204的侧面以及控制栅204的顶面形成保护层205。

本实施例中，保护层205的材料可以为氮化硅。由于上述步骤中，采用氨气作为保护气体进行退火处理，在进行退火的同时，对浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构表面进行了氮化作用，因此，氮化硅材料能够更加容易且更加均匀地形成在所述叠层结构表面。

本实施例中，采用低压气相沉积法形成所述保护层205。低压气相沉积法在沉积过程中的气体压强较小，保护层205能够均匀沉积形成在所述叠层结构的各个面上，并且不会消耗叠层结构中的硅源，低气压的气相反应形成的保护层205结构更致密，保护作用更强。

本实施例中，所述低压化学气相沉积法采用的反应气体包括二氯硅烷(SiH₂Cl₂)和氨气。其中，二氯硅烷和氨气的流量比例范围为1:3～1:20，从而保证低压化学气相沉积的产物为氮化硅，并且保证沉积速率。

本实施例中，所述低压化学气相沉积法的反应温度范围为500℃～800℃，一方面保证相应的反应能够正常进行，另一方面，防止温度过高，反应气体与其它结构发生作用。在沉积过程中，本实施例同时控制反应腔室内的压强范围为50mTorr～500mTorr。控制压强同样可以达到控制沉积速率（反应速率）的作用。

通过上述工艺条件的设置，本实施例最终将保护层205的厚度范围控制在从而一方面对浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构进行良好的包覆保护作用，另一方面，又不至于影响闪存单元的整体结构，不影响后续其它结构的形成。

请参考图6，在形成保护层205之后，本实施例方法还可以包括：在保护层205表面形成氧化层206。

本实施例中，氧化层206的材料可以为氧化硅，氧化层206的厚度范围可以为并且可以采用热氧化法形成氧化层206。由于已经形成有保护层205，因此，在形成氧化层206的过程中，由浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构基本不受相应氧化工艺的影响。

本实施例中，热氧化法采用的反应气体包括氧气、一氧化二氮和氮气的至少其中两种，或者包括氧气和一氧化二氮的至少其中一种。所述反应气体的总流量范围为5slm～20slm，热氧化法的温度范围为700℃～1150℃。

本实施例形成氧化层206可以使浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构表面更加平整，并且进一步对浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构进行保护，从而有利于后续结构的形成。需要说明的是，在本发明的其它实施例中，在形成保护层205之后，也可以直接进行后继工艺，而不必形成氧化层206。

图中虽然没有显示，但是，在形成的氧化层206后，本实施例后续可以继续进行以下工艺步骤：以浮栅202、ONO层203和控制栅204组成的叠层结构为掩膜，向所述叠层结构两侧的半导体衬底200进行轻掺杂离子注入，形成浅掺杂源极和浅掺杂漏极；对半导体衬底200进行退火处理，以激活所掺入的离子；在所述叠层结构两侧形成侧墙，并以所述栅极结构和侧墙为掩膜对半导体衬底200进行重掺杂，形成源极和漏极；进行退火处理以激活所掺入的离子；最终形成完整的闪存单元。

本实施例所提供的闪存单元形成方法中，在形成浮栅202、ONO层203和控制栅204的叠层结构之后，进行无氧退火处理，所述无氧退火处理一方面修复所述叠层结构形成过程中，相应的刻蚀工艺对所述叠层结构表面造成的损伤，另一方面防止退火过程中氧气氧化浮栅202和控制栅204的边缘，即防止ONO层203与浮栅202和控制栅204之间形成微笑效应，如图6中的结构Ⅳ所示（此时图6中的结构Ⅳ不存在如图2中结构Ⅱ所示的微笑效应），此后形成保护层205保护所述叠层结构，使所述叠层结构在后续工艺过程中都不被氧化，从而提高最终形成的闪存单元的性能。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种闪存单元形成方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成隧穿氧化层；

在所述隧穿氧化层上形成浮栅；

在所述浮栅上形成ONO层；

在所述ONO层上形成控制栅；

对所述浮栅、ONO层和控制栅进行无氧退火处理；

在所述浮栅、ONO层和控制栅的侧面以及所述控制栅的顶面形成保护层。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述无氧退火处理采用氨气、氮气或者惰性气体作为保护气体。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述无氧退火处理的温度范围为850℃～1150℃，所述无氧退火处理的时间范围为5s～120s，所述保护气体的流量范围为5slm～20slm。

4.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述保护层的材料为氮化硅，所述保护层的厚度范围为

5.如权利要求4所述的形成方法，其特征在于，采用低压化学气相沉积法形成所述保护层。

6.如权利要求5所述的形成方法，其特征在于，所述低压化学气相沉积法采用的反应气体包括二氯硅烷和氨气。

7.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述低压化学气相沉积法的反应温度范围为500℃～800℃，所述低压化学气相沉积法中反应腔室内的压强范围为50mTorr～500mTorr，所述二氯硅烷和氨气的流量比例范围为1:3～1:20。

8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在形成所述保护层之后，所述形成方法还包括，在所述保护层表面形成氧化层。

9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述氧化层的材料为氧化硅，所述氧化层的厚度范围为

10.如权利要求9所述的形成方法，其特征在于，采用热氧化法形成所述氧化层，所述热氧化法采用的反应气体包括氧气、一氧化二氮和氮气的至少其中两种，或者包括氧气和一氧化二氮的其中一种，所述反应气体的总流量范围为5slm～20slm，所述热氧化法的温度范围为700℃～1150℃。