CN1299337C - 用于非易失性存储器的氧－氮－氧介电层制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种制造半导体器件的方法，该方法包括：设置一多晶硅层，利用导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以在此多晶硅层上形成一第一氧化层，并利用由导电浆料中氮自由基活化反应性自由基以在上述的第一氧化层上形成一氮化层，再由导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以在上述的氮化层上形成一第二氧化层。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造半导体器件的方法，特别涉及一种利用导电浆料中自由基反应来制造用于非易失性存储器的氧-氮-氧(“ONO”)介电叠层的方法。
背景技术
存储器件通常包括形成于第一介电层上的第一栅极，而第一介电层是形成于一半导体衬底上。以闪存储器为例，第一栅极通常作为浮置栅极，且第一介电层通常作为沟道氧化层。闪存储器亦包括形成于浮置栅极上的控制栅极，及形成于浮置栅极与控制栅极间的第二介电层。上述第二介电层通常作为“层间”多晶硅介电层。电荷储存在闪存储器中的浮置栅极，且通常是由形成于浮置栅极底下的衬底中的沟道区构成。储存在浮置栅极中的电荷穿过第二介电层移动到控制栅极。因此，第二介电层作为闪存储器的特征及可靠的必要部份。氧-氮-氧(“ONO”)结构在第二介电层中则为普遍的结构。
通常是利用低压化学气相淀积法(LPCVD)形成氧-氮-氧(“ONO”)介电层。此方法具有若干的缺点，例如，通常需要在高温下以淀积介电薄膜。此传统高温方法常会形成不平坦的表面，对于内存器件的特性会有不利的影响，并因此造成生产率下降。此外，低压化学气相淀积法需要较长的处理时间，且不容易微调。
发明内容
因此，本发明的目的是设置一种制造半导体器件的方法，包括：设置一多晶硅层，利用导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以在此多晶硅层上形成一第一氧化层，并利用由导电浆料中氮自由基活化反应性自由基以于上述的第一氧化层上形成一氮化层，再由导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以于上述的氮化层上形成一第二氧化层。
本发明的另一目的是设置一种制造半导体器件的方法，包括：设置一晶片衬底，于此衬底上形成一绝缘层，再于此绝缘层上形成一多晶硅层，然后在氪气存在下，利用导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以于此多晶硅层上形成第一氧化层，再利用导电浆料中氮自由基活化反应性自由基以于此第一氧化层上形成一氮化层，及由导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以于氮化层上形成一第二氧化层。
本发明的其它目的及诸多优点将由参照附图对下列优选具体实施例的详细说明而被完全公开，其中，器件的不同部份并没有画出实际尺寸。某些尺度与其它部份相关的尺度比被放大，以更清楚的描述，以帮助本行业的技术人员了解本发明。同时，述的优选具体实施例不限定本发明的范围，凡其它未脱离本发明的精神的等效化变或修改，均应包含在下述的权利要求书所界定的发明范围内。
附图说明
图1是显示氧化层表面平坦度与加热温度与氧化速率的关系曲线图；
图2是显示氮化层表面平坦度与氮化层厚度与氮化时间的关系曲线图；
图3是显示氮气浓度与氮气穿透入硅晶片深度的关系曲线图；及
图4是显示根据本发明的方法制造的氧化层的漏电流与根据通常快速加热方法制造的氧化层的漏电流的比较关系曲线图。
具体实施方式
本发明设置一种改进层间多晶硅层的氧-氮-氧表面平坦度的方法。本发明首先设置晶片衬底，并于此衬底上形成一绝缘层。此绝缘层可为由任何常规方法所形成的氧化层。于此绝缘层上再形成一第一多晶硅层。在具体例中，第一多晶硅层可由任何常规的化学气相淀积法来形成。此第一多晶硅层最后成为浮置栅极。
于第一多晶硅层上形成由氧-氮-氧化合物所组成的层间多晶硅层。第一氧化层形成于第一多晶硅层上，且生长或淀积于第一多晶硅层上。在具体例中，此第一氧化层是在氧气环境下，利用改进的磁控式导电浆料源(modifiedmagnetron typed，MMT)，进行导电浆料中自由基反应来淀积形成。具体地说，在氪气环境下，此导电浆料中能增强自由基反应，是利用射频磁控(RFmagnetron)分离氧气反应物以活化反应性自由基。在另一具体例中，第一氧化层是在约小于400℃下淀积以形成厚度约10埃～50埃的氧化层。此氧化方法约需几分钟。
图1是显示氧化层表面平坦度与加热温度与具有不同结晶生长方向的氧化速率的关系曲线图。参见图1，氧化方法是在具有氧气的氪气环境下进行60秒，压力为95帕思卡(Pascal，Pa)，射频(RF)电功率强度为150瓦特。由图1中可明显看出，由本发明的方法在任一结晶生长方向皆可获得表面平坦的一致性。再者，对任一结晶生长方向来说，氧化速率几乎是完全一致。
相似的氧化速率中的其它例为：在压力0.9Pa下，结晶方向为“100”和“111”的氧化层的氧化速率分别为10.7和11.4毫微米/分钟(nm/min)。当压力增加到7Pa时，结晶方向为“100”和“111”的氧化速率分别为8.1和8.3毫微米/分钟。
继续进行本发明的方法，由氮化反应于第一氧化层上形成一氮化层。由导电浆料中自由基反应，此氮化层可在低温下利用磁控式导电浆料形成，其中，氮气被导入处理室内以诱导氮化反应发生。在具体例中，氮化反应在小于近400℃下进行以形成厚度约40埃～60埃的氮化层，且其厚度相对氮化时间的关系曲线如图2所示。在另一具体例中，氮化方法在与氧化方法相同的处理室中进行。
图2是显示氮化层表面平坦度与氮化层厚度与氮化时间在不同结晶生长方向下的关系曲线图。此氮化条件包括在室温，压力50Pa及射频强度为250瓦特下导入氮气。图2中可明显看出，由本发明的方法在任一结晶生长方向皆可获得表面平坦的一致性。
另外，视氮气浓度而定，氮化层可为氮化硅(Si3N4)或氮氧化硅(SiOxNy)。图3是显示在不同氮气含量中，氮气浓度与氮气穿透入硅晶片深度的关系曲线图，是由二次离子质谱仪(secondary ion mass，SIMS)测量。氮气浓度百分比的测量是根据下列公式：
氮气浓度百分比＝氮气密度(原子/立方厘米)/纯二氧化硅的密度，其中，纯二氧化硅的密度为2.3×1022原子/立方厘米。
继续进行本发明的方法，于氮化层上设置第二氧化层以形成氧-氮-氧层间多晶硅层。像第一氧化层一样，亦可由电浆自由基反应来形成第二氧化层，由使用改进的磁控式电浆作为反应源。在具体例中，第二氧化层的厚度约为40埃～60埃。在另一具体例中，在相同的腔体中进行第二氧化处理在与第一氧化处理及随后的氮化处理。
根据本发明的方法所形成的氧-氮-氧层间多晶硅层亦可改善漏电流的问题，参见图4。图4是显示根据本发明的方法制造的层间多晶硅介电层的漏电流与根据通常快速加热方法制造的层间多晶硅介电层的漏电流的比较关系曲线图。如图4中所示，第一曲线标示为“快速加热氧化方法的氧化层(RTOOxide)”代表由常规方法所制造的层间多晶硅层的漏电流值。第二曲线标示为“快速加热氧化方法的氧化层(RTO Oxide)+磁控式导电浆料中氮化方法(MMT Nitridation)”，代表由本发明的其中一种方法所制造的层间多晶硅层的漏电流值。第三曲线标示为“磁控式导电浆料中氧化方法及氮化方法(MMT Oxidation and Nitridation)”，代表由本发明的另一种方法所制造的层间多晶硅层的漏电流值。上述的曲线清楚的显示出由本发明的方法所制造的层间多晶硅层的改善程度，在某些情况下，与常规方法中阻止漏电流发生于层间多晶硅层相比，此改善程度为20％。另外，本发明的自由基反应方法在层的表面并不会引起导电浆料损害。
再者，如表一所示，本发明的方法是设置一层间多晶硅介电氧-氮-氧层，具有低金属污染的优点，其值约为108～1010原子/平方厘米。此金属污染(不包括铝)是由全反射X光萤光分析(Total-reflection X-ray Fluorescenceanalysis)来测量。铝金属的污染则由离子偶合导电浆料中(INDUCTIVECOUPLED PLASMA，ICP)来测量。
表一(×1010原子/平方厘米)
| 铝 | 铬 | 锰 | 铜 | 铁 | 镍 | 钛 | 锌 | |
| 改进式磁控式氮化 | 1.7 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.38 | 0.00 | 0.01 | 0.01 |
| 固定量下限(Fixedquantity lower limit) | - | 0.97 | 0.76 | 0.33 | 0.60 | 0.40 | 1.7 | 0.27 |
按通常制造流程，接着是设置第二多晶硅层于氧-氮-氧结构上。接着进行常规方法中其余的构图及蚀刻方法，最后，此第二多晶硅层变成闪存储器中的控制栅极，并制成一闪存储器。
Claims (19)
1.一种用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层的制造方法，包括下列步骤：
设置一多晶硅层；
利用导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以于该多晶硅层上形成第一氧化层；
利用导电浆料中氮自由基活化反应性自由基以于该第一氧化层上形成氮化层；及
由导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以于该氮化层上形成第二氧化层。
2.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，形成该第一氧化层的步骤包括使用氪气以增强该导电浆料中氧自由基反应。
3.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第一氧化层的形成温度小于400℃。
4.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第一氧化层的厚度为10埃～50埃。
5.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该氮化层的厚度为40埃～60埃。
6.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第一氧化层及该氮化层是在相同的处理室中形成。
7.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该氮化层是由氮化硅或氮氧化硅所组成。
8.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该氮化层的形成温度小于400℃。
9.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第二氧化层的厚度介于40埃～60埃。
10.如权利要求1所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第一氧化层、该氮化层及该第二氧化层是在相同的处理室中形成。
11.一种用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，包括下列步骤：
设置晶片衬底；
在该衬底上形成绝缘层；
在该绝缘层上形成第一多晶硅层；
在氪气存在下，利用导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以在该第一多晶硅层上形成第一氧化层，
利用导电浆料中氮自由基活化反应性自由基以在该第一氧化层上形成氮化层；及由导电浆料中氧自由基活化反应性自由基以在该氮化层上形成第二氧化层。
12.如权利要求11所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第一氧化层的形成温度小于400℃。
13.如权利要求11所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第一氧化层的厚度为10埃～50埃。
14.如权利要求11所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该氮化层的厚度为40埃～60埃。
15.如权利要求11所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第一氧化层及该氮化层是在相同的处理室中形成。
16.如权利要求11所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该氮化层是由氮化硅或氮氧化硅所组成。
17.如权利要求11所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该氮化层的形成温度小于400℃。
18.如权利要求11所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第二氧化层的厚度为40埃～60埃。
19.如权利要求11所述的用于非易失性存储器的氧-氮-氧介电层制造方法，其特征在于，该第一氧化层、该氮化层及该第二氧化层是在相同的处理室中形成。
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