DE112004000254T5

DE112004000254T5 - Verbessertes Funktionsverhalten in Flash-Speichereinrichtungen

Info

Publication number: DE112004000254T5
Application number: DE112004000254T
Authority: DE
Inventors: Yue-Song San Jose He; Sameer San Jose Haddad; Zhi-Gang San Jose Wang
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Infineon Technologies LLC
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2004-01-08
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: JP2007500457A; US6723638B1; JP4698598B2; GB2413437B; DE112004000254B4; CN1748298A; TWI342062B; KR20050094479A; GB0515641D0; KR101071387B1; CN100552896C; TW200427009A; WO2004073058A2; GB2413437A; WO2004073058A3

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, gekennzeichnet durch:
Bereitstellen eines Substrats (62);
Bereitstellen einer gestapelten Gatestruktur (72) auf dem Substrat (62); und
Bilden einer Oxidschicht (80) auf der gestapelten Gatestruktur (72) durch Ausheizen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Halbleiterbauelemente und betrifft insbesondere Flash-Speichereinrichtungen mit verbessertem Funktionsverhalten.

2. Hintergrund der Erfindung

Eine spezielle Art einer programmierbarer Speicherzelle wird für gewöhnlich als eine Flash-Speicherzelle bezeichnet. Eine derartige Flash-Speicherzelle umfasst ein Source und ein Drain, die in einem Siliziumsubstrat oder einer Wanne oder Potentialtopf, der in dem Siliziumsubstrat hergestellt ist, ausgebildet sind. Die Flash-Speicherzelle beinhaltet eine gestapelte Gatestruktur, die auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist. Das Gebiet des Siliziumsubstrats unterhalb der gestapelten Gatestruktur ist als das Kanalgebiet der Flash-Speicherzelle bekannt.

Die gestapelte Gatestruktur der Flash-Speicherzelle beinhaltet zwei Polysiliziumstrukturen, die durch Oxidschichten getrennt sind. Eine der Polysiliziumstrukturen fungiert als ein potentialfreies bzw. schwebendes Gate und die andere Polysiliziumstruktur fungiert als ein Steuergate für die Flash-Speicherzelle. Die Oxidschicht, die das schwebende Gate von dem Siliziumsubstrat trennt, wird üblicherweise als eine Tunneloxidschicht bezeichnet. Eine Speicherzelle dieser Art ist in dem US-Patent 4,698,787 mit dem Titel „Eintransistorelektrisch löschbare Speichereinrichtung und Verfahren" beschrieben und offenbart, Mukherjee et al., erteilt am 6. Oktober 1987.

Programmiervorgänge in der Flash-Speicherzelle beinhalten das Anlegen einer relativ großen Konstantspannung an das Drain der Flash-Speicherzelle, während eine noch größere Spannung an das Steuergate angelegt wird. Während eines derartigen Programmiervorganges wird das Source der Flashspeicherzelle auf Massepotential oder auf einer Spannung 0 im Vergleich zu den an das Steuergate und das Drain angelegte Spannungen gehalten. Die hohe Konstantspannung, die an das Steuergate angelegt wird, hebt das Spannungspotential des schwebenden Gates zu Beginn des Programmiervorgangs auf ein hohes Niveau. Ein derartiges hohes Spannungspotential an dem schwebenden Gate zieht die Elektronen an, die durch das Kanalgebiet fließen. Unter diesen Bedingungen bewegen sich Elektronen im Kanalgebiet, die eine ausreichend hohe kinetische Energie aufweisen, durch die Tunneloxidschicht in das schwebende Gate. Dieses Phänomen wird im Allgemeinen als Programmierung mit heißen Ladungsträgern oder Injektion heißer Ladungsträger bezeichnet. Ein erfolgreicher Programmierungsvorgang beinhaltet das Injizieren einer ausreichenden Anzahl an Elektronen in das schwebende Gate, um eine gewünschte Schwellwertspannung für die Flash-Speicherzelle zu erreichen. Die Schwellwertspannung ist die Spannung, die an das Steuergate der Flash-Speicherzelle angelegte werden muss, um eine Stromleitung durch das Kanalgebiet während des Lesevorgangs in der Flash-Speicherzelle hervorzurufen.

In einem typischen Speicherarray, das eine große Anzahl an Zellen aufweist, kann eine Zelle programmiert werden, indem Programmierspannungen von ungefähr 9 bis 10 Volt an das Steuergate, ungefähr 5 Volt an das Drain und Masse an das Source angelegt werden. Diese Spannungen bewirken, dass heiße Elektronen von einem Drainverarmungsgebiet in das schwebende Gate injiziert werden. Nach Wegfall der Programmierspannungen sind die eingeführten Elektronen in dem schwebenden Gate gefangen und erzeugen darin eine negative Ladung, die den Schwellwert der Zelle auf einen Wert von über ungefähr 4 Volt anhebt. Eine Zelle kann gelesen werden, indem eine Spannung von ungefähr 5 Volt an das Steuergate, eine Spannung von ungefähr 1 Volt an die Bitleitung, mit der das Drain verbunden ist, und Massepotential an das Source angelegt wird und indem der Bitleitungsstrom erfasst wird. Wenn die Zelle programmiert ist und die Schwellwertspannung relativ hoch ist (5 Volt), ist der Bitleitungsstrom Null oder relativ klein. Wenn die Zelle nicht programmiert ist oder gelöscht ist, ist die Schwellwertspannung relativ gering (2 Volt), die Steuergatespannung fördert die Kanalbildung und der Bitleitungsstrom ist relativ hoch. Eine Zelle kann auf diverse Arten gelöscht werden. In einer Vorgehensweise wird eine Zelle gelöscht, indem eine relativ hohe Spannung, typischerweise 12 Volt, an das Source und Massepotential an das Steuergate angelegt werden und wobei das Drain schwebend bleibt. Dies verursacht, dass die Elektronen, die in das schwebende Gate während des Programmierens injiziert wurden, einem Fowler-Nordheim-Tunnelungsprozess von dem schwebenden Gate durch die dünne Tunneloxidschicht zu dem Source unterliegen. Das Anlegen einer negativen Spannung in der Größenordnung von –10 Volt an das Steuergate, das Anlegen von 5 Volt an das Source und das Schwebenlassen des Drains ermöglicht ebenso ein Löschen der Zelle. Ein weiteres Verfahren zum Löschen einer Zelle besteht darin, dass 5 Volt an den P-Potentialtopf und –10 Volt an das Steuergate angelegt werden, während Source- und Drain potentialfrei bleiben.

Die 1 und 2 zeigen die Herstellung einer typischen gestapelten Gatestruktur gemäß dem Stand der Technik. Wie darin gezeigt ist, wird die Siliziumdioxidschicht 10, die das Tunneloxid bildet, thermisch auf einem Siliziumsubstrat 12 aufgewachsen. Anschließend wird eine Polysiliziumschicht 14 auf der Oxidschicht 10 gebildet, eine dielektrische Schicht 16, beispielsweise eine ONO-Schicht, wird auf der Polysiliziumschicht 14 vorgesehen und eine weitere Polysiliziumschicht 18 wird auf der dielektrischen Schicht 16 vorgesehen. Eine Schicht aus Photolack wird auf der Polysiliziumschicht 18 hergestellt und strukturiert, wie in 1 gezeigt ist, wobei der Photolackschichtbereich 20 auf der Polysiliziumschicht 18 verbleibt. Anschließend wird ein Ätzschritt ausgeführt, wobei der Photolackschichtbereich 20 als eine Maske (2) dient, um durch die Polysiliziumschicht 18, die dielektrische Schicht 16, die Polysiliziumschicht 14 und die Oxidschicht 10 bis hinunter zum Substrat 12 zu ätzen, um damit den Gatestapel 22 zu bilden, der ein Tunneloxid 10a, ein aus Polysilizium gebildetes schwebendes Gate 14a, ein Dielektrikum 16a und eine Polysiliziumwortleitung 18a beinhaltet. Danach wird der Photolackschichtbereich 20 entfernt.

Bekanntermaßen kann der zur Herstellung des Gatestapels 22 eingesetzte Ätzschritt eine Aushöhlung des Siliziumsubstrats 12 benachbart zu dem Gateoxid 10a hervorrufen (siehe Pfeile A und B in 2), was in diesem Zustand zu einer ernstzunehmenden Beeinträchtigung der Löschintegrität und der Löschverteilung des Bauelements führen kann. Um dieses Problem zu reduzieren, wird typischerweise eine Schicht eines thermischen Vorimplantationsoxids 24 auf der Oberseite und den Seiten des Gatestapels 22 und auf freiliegenden Bereichen des Siliziumsubstrats 12 (3) beispielsweise mit einer Dicke von 100 Angstrom gewachsen, wodurch die Schäden in dem Substrat 12 wesentlich verringert oder ausgeheilt werden, wie zuvor beschrieben ist. Anschließend wird eine Ionenimplantation 26 durchgeführt (4), wobei der Gatestapel 22 und die Bereiche 24a, 24b der Oxidschicht 24 an den Seiten des Gatestapels 22 als eine Maske verwendet werden, um die Source- und Draingebiete 28, 30 dese Bauelements durch Implantation zu bilden.

Typischerweise wird das Aufwachsen des Vorimplantationsoxids 24 über eine wesentliche Zeitdauer hinweg, beispielsweise 5 Minuten, bis zu einer Dicke von ungefähr 100 Angstrom ausgeführt. Das Aufwachsen des Oxids 24 entsprechend dieser Zeitdauer führt erkanntermaßen zu einer wesentlichen Beeinträchtigung der Ladungsträgerbeweglichkeit in dem Kanalgebiet des Bauelements. Dies führt zu einen deutlichen Kernverstärkungsabfall oder einem Stromtreiberabfall in dem Bauelement, was klarerweise eine negative Auswirkung auf das Bauteilleistungsverhalten ausübt. Ferner wurde erkannt, dass dieser längere Oxidationsschritt dazu führt, dass Oxidgebiete 32, 34 an den Seiten des schwebenden Gates 14a in der Nähe seiner Unterseite (an den Seiten des Gatestapels 22, siehe 3 und 4) aufgewachsen werden. Diese ungewünschten Oxidgebiete 32, 34, können merkliche Probleme für die Löschgeschwindigkeit des Bauelements verursachen.

Es wird daher eine Vorgehensweise benötigt, die diese Probleme beseitigt, in denen eine Vorimplantationsoxidschicht bereitgestellt wird, die Schäden in dem Substrat ausheilt, die durch den Gatestapelätzprozess hervorgerufen wurden, wobei die mit Wachsen der Oxidschicht über eine längere Zeitdauer hinweg verknüpften Probleme der zuvor genannten Art vermieden werden.

ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG

In dem vorliegenden Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements wird eine Gateoxidschicht auf einem Siliziumsubstrat vorgesehen. Eine erste Polysiliziumschicht wird auf der Gateoxidschicht vorgesehen, eine dielektrische Schicht wird auf der ersten Polysiliziumschicht gebildet und eine zweite Polysiliziumschicht auf der dielektrischen Schicht gebildet. Mit geeigneter Maskierung wird ein Ätzschritt ausgeführt, wobei durch die zweite Polysiliziumschicht, die dielektrische Schicht, die erste Polysiliziumschicht und die Gateoxidschicht geätzt werden, um Teile davon zu entfernen, um damit das Siliziumsubstrat freizulegen und eine gestapelte Gatestruktur auf dem Siliziumsubstrat zu schaffen. Es wird eine schnelle thermische Behandlung bzw. Ausheizung für eine kurze Zeitdauer ausgeführt, um eine dünne Oxidschicht auf der gestapelten Gatestruktur aufzuwachsen. Anschließend wird eine weitere Oxidschicht über der Oxidschicht, die durch die schnelle thermische Behandlung gebildet wurde, abgeschieden.

Die vorliegende Erfindung lässt sich bei Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstehen. Wie der Fachmann leicht aus der folgenden Beschreibung erkennt, ist darin eine Ausführungsform dieser Erfindung einfach durch die Darstellung der besten Art und Weise zum Ausführen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben. Mann erkennt, dass die Erfindung in anderen Ausführungsformen praktiziert werden kann, dass diverse Details Modifizierungen unterliegen können und es diverse offensichtliche Aspekte in der Erfindung gibt, ohne dabei von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Daher sind die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung als lediglich anschaulicher Natur und nicht als einschränkend zu erachten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die neuen Merkmale, die als für die Erfindung charakterisierend betrachtet werden, sind in den angefügten Patentansprüchen dargelegt. Die Erfindung selbst sowie die bevorzugte Anwendungsart und weitere Aufgaben und Vorteile davon können am besten durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung einer anschaulichen Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gewürdigt werden, worin:
1–4 Schritte in einem typischen konventionellen Prozess zeigen; und
5–9 Schritte gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
BESTE ART BZW. ARTEN ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Es wird nunmehr auf eine spezielle Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail verwiesen, die die Art zur Praktizierung der Erfindung zeigt, die gegenwärtig von den Erfindern als die beste Art erachtet wird.
5 und 6 zeigen Schritte in dem vorliegenden Prozess, die identisch zu jenen sind, die in den zuvor beschriebenen 1 und 2 gezeigt sind. D. h., bei der Herstellung einer gestapelten Gatestruktur wird die Siliziumdioxidschicht 16, die das Tunneloxid bildet, thermisch auf einem Siliziumsubstrat 62 gewachsen. Anschließend wird eine Polysiliziumschicht 64 auf der Oxidschicht 60 gebildet, eine dielektrische Schicht 66, beispielsweise eine ONO-Schicht, auf der Polysiliziumschicht 64 gebildet und eine weitere Polysiliziumschicht 68 wird auf der dielektrischen Schicht 66 gebildet. Eine Schicht aus Photolack wird auf der Polysiliziumschicht 18 vorgesehen und wird strukturiert wie dies in 1 gezeigt ist, wobei ein Photolackbereich 70 auf der Polysiliziumschicht 68 verbleibt. Dann wird ähnlich zu der obigen Beschreibung ein Ätzschritt ausgeführt, wobei der Photolackschichtbereich 70 als eine Maske (5) dient, um durch die Polysiliziumschicht 68, die dielektrische Schicht 66, die Polysiliziumschicht 64 und die Oxidschicht 60 bis zu dem Substrat 62 zu ätzen, um damit den Gatestapel 72 zu bilden, der ein Tunneloxid 60a auf dem Substrat 62, ein schwebendes Polysiliziumgate 64a auf dem Tunneloxid 60a, ein Dielektrikum 66a auf dem schwebenden Polysiliziumgate 64a und eine Polysiliziumwortleitung 68a auf dem Dielektrikum 66a aufweist.
Wie zuvor beschrieben ist, kann dieser Ätzschritt zur Bildung des Gatestapels 72 eine Aushöhlung des Siliziumsubstrats 62 benachbart zu den Gatestapel 72 hervorrufen (siehe Pfeile A und B, 6), die ohne Reparatur eine deutliche Beeinträchtigung des Bauteilverhaltens hervorrufen kann.
Jedoch wird nach dem Entfernen des Photolackschichtbereichs 70 anstelle des thermischen Aufwachsens einer Vorimplantationsoxidschicht zur Bewältigung des oben beschriebenen Problems eine schnelle thermische Behandlung für eine kurze Zeitdauer, beispielsweise für ungefähr 10 bis 20 Sekunden bei 900–1000°C ausgeführt, um eine dünne Oxidschicht 80 von weniger als 20 Angstrom beispielsweise mit einer Dicke von 10 Angstrom auf der Oberseite und den Seiten des Gatestapels 72 und auf den freigelegten Bereichen des Siliziumsubstrats 62 zu bilden (7). Anschließend wird ein Oxidabscheideschritt ausgeführt (8), wobei eine Oxidschicht 82 auf der Oxidschicht 80 mit ausreichender Dicke abgeschieden wird, um die Gesamtdicke der Oxidschicht 80, die durch die schnelle thermische Behandlung gebildet wurde, und der abgeschiedenen Oxidschicht 82 auf ungefähr 100 Angstrom zu vergrößern. Danach wird eine Ionenimplantation 84 ausgeführt (9), wobei der Gatestapel und das Oxid 86, 88 an den Seiten des Gatestapels 72 als eine Maske verwendet wird, um die Source- und Draingebiete 90, 92 des Bauelements zu implantieren.
Die Herstellung der Oxidschicht 80 durch schnelles thermisches Ausheizen repariert und verringert Aushöhlungsschäden des Substrats 62 benachbart zu dem Gateoxid 64a, wie dies beabsichtigt ist. Des weiteren wird die sehr schnelle thermische Behandlung für eine kurze Zeitdauer, beispielsweise 10 bis 20 Sekunden im Vergleich zu 5 Minuten für das Wachstum der 100 Angstrom dicken thermisch gewachsenen Oxidschicht 24 im Stand der Technik ausgeführt. Dies vermeidet das Problem einer reduzierten Ladungsträgerbeweglichkeit in dem Kanalgebiet des Bauelements, wie dies zuvor in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben ist, wobei dieses Problem sich aus der Zeitdauer ergab, die für das Wachsen der Oxidschicht 24 erforderlich war. Des weiteren sind bei einer derartigen kurzen schnellen thermischen Ausheizzeit das Wachstum von Oxidgebieten (etwa 32, 34 wie dies zuvor beschrieben ist) in den Körper des schwebenden Gates 64a an den Seiten des Gatestapels 72 sowie die damit verknüpften Probleme, wie sie zuvor beschrieben sind, vermeidbar.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zwecke der Darstellung und der Beschreibung angegeben. Sie ist nicht als vollständig zu betrachten und soll die Erfindung nicht auf die genaue offenbarte Form einschränken. Andere Modifizierungen und- Variationen sind im Lichte der obigen Lehre möglich. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die beste Darstellung der Prinzipien der Erfindung und deren praktische Anwendung anzugeben, um damit den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in diversen Ausführungsformen und mit diversen Modifizierungen, wie sie für die spezielle Anwendung betrachtet werden, einzusetzen. Alle derartigen Modifizierungen und Variationen liegen im Schutzbereich der Erfindung, wie sie durch die angefügten Patentansprüche definiert ist, wenn diese entsprechend der Breite interpretiert werden, zu der sie in vernünftiger, juristischer und äquivalenter Weise berechtigt sind.
Zusammenfassung
In einem Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements wird eine Gateoxidschicht (60) auf einem Siliziumsubstrat (62) bereitgestellt. Eine erste Polysiliziumschicht (64) wird auf der Gateoxidschicht (60) vorgesehen, eine dielektrische Schicht (66) wird auf der ersten Polysiliziumschicht (64) vorgesehen, und eine zweite Polysiliziumschicht (68) wird auf der dielektrischen Schicht (66) vorgesehen. Mittels geeigneter Maskierung wird ein Ätzschritt ausgeführt, der durch die zweite Polysiliziumschicht (68), die dielektrische Schicht (66), die erste Polysiliziumschicht (64) und die Gateoxidschicht (60) ätzt, um Teile davon zu entfernen, um damit das Siliziumsubstrat (62) freizulegen und eine gestapelte Gatestruktur (72) auf dem Siliziumsubstrat (62) zu bilden. Es wird eine schnelle thermische Behandlung für eine kurze Zeitdauer, d. h. für beispielsweise 10 bis 20 Sekunden, ausgeführt, um eine dünne Oxidschicht (80) auf der gestapelten Gatestruktur (72) aufzuwachsen. Danach wird eine weitere Oxidschicht (82) über der Oxidschicht (80) abgeschieden, die durch eine schnelle thermische Behandlung gebildet wurde.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, gekennzeichnet durch: Bereitstellen eines Substrats (62); Bereitstellen einer gestapelten Gatestruktur (72) auf dem Substrat (62); und Bilden einer Oxidschicht (80) auf der gestapelten Gatestruktur (72) durch Ausheizen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Ausheizen gebildete Oxidschicht (80) zumindest an den Seiten der gestapelten Gatestruktur (72) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Ausheizen gebildete Oxidschicht (80) durch ein schnelles thermisches Ausheizen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (62) ein Siliziumsubstrat (62) ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dass ferner gekennzeichnet ist durch den Schritt: Abscheiden einer Oxidschicht (82) über der durch Ausheizen gebildeten Oxidschicht (80).
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements, gekennzeichnet durch: Bereitstellen eines Siliziumsubstrats (62); Bereitstellen einer Gateoxidschicht (60) auf dem Siliziumsubstrat (62); Bereitstellen einer ersten Polysiliziumschicht (64) auf der Gateoxidschicht (60); Bereitstellen einer dielektrischen Schicht (66) auf der ersten Polysiliziumschicht (64); Bereitstellen einer zweiten Polysiliziumschicht (68) auf der dielektrischen Schicht (66); Ätzen der zweiten Polysiliziumschicht (68), der dielektrischen Schicht (66), der ersten Polysiliziumschicht (64) und der Gateoxidschicht (60), um Teile davon zu entfernen, um damit das Siliziumsubstrat (62) freizulegen und um eine gestapelte Gatestruktur (72) auf dem Siliziumsubstrat (62) zu bilden; und Durchführen einer schnellen thermischen Behandlung, um eine Oxidschicht (80) auf der gestapelten Gatestruktur (72) aufzuwachsen.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch den Schritt des Ausführens einer schnellen thermischen Behandlung zum Aufwachsen einer Oxidschicht (80) zumindest an Seiten der gestapelten Gatestruktur (72).
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch den Schritt des schnellen thermischen Behandelns, der für eine Zeitdauer von 10 bis 20 Sekunden ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht (80) durch die schnelle thermische Behandlung mit einer Dicke von weniger als 20 Angstrom aufgewachsen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner den Schritt des Abscheidens einer Oxidschicht (82) über der Oxidschicht (80), die durch die eine schnelle thermische Behandlung aufgewachsen ist, umfasst.