TWI248639B - Method of manufacturing a semiconductor device - Google Patents

Description

1248639 坎、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種製造半導體裝置的方法，尤其是 種形成快閃記憶體單元的介電質薄膜。 【先前技術】 近來’隨著設計法則的縮短以及裝置尺寸大小的縮小， 已經很難控制場氧化物薄膜（F0X)的重疊，該場氧化2薄膜 對於浮動閘極間的間距以及快閃記憶體單元的耦合具有最 大的影響力。一般，快閃記憶體單元是用STI法來進行。在 做浮動閘極的絕緣時，取決於臨界尺寸（CD)變動，讓晶圓 均一性在使用光罩的定義圖案處理中很不容易達到。:此 有一問題是，裝置間的耦合比例不會均一。此外，如果 王式化或清除操作期間施加高偏壓電壓，則會因均一的 浮動閘極而發生具有缺陷的快閃記憶體裝置。 電場會集中在某一給定的區域上，因為浮動問極的表面 =度會增力”很難得到浮動閑極與控制極之間介電質 薄膜的有效厚度。此外，有 兒貝 問嘁疋，因為漏電流的增加 很難改善㈣記㈣單元的儲存特性。 【發明内容】 卞因二，發明是要在本質上排除掉-個或多個因才" 術i限制與缺點所引起的問題。 本發明的目的在於描 # Ιίΐ Ν η - -f 、 /、一種製造半導體裝置的方法： 使用N2〇氣來改善淬叙 上所π…人+ 的表面粗糙度，藉改善浮動e 上所形成义介電質薄 、特性來防止電場集中在閘極4 86511 1248639 上’減少介電質薄膜漏電流的產生，以及藉增加充電_ s 崩潰以及崩潰區來改善快閃記憶體單元的儲存特性。 本發明的其它優點、目的以及特點都將部分的在緊接著 的說明書中提出’並且該說明書中有一部分對於那些：: 視底下說明後而具有純熟技術的人士來說，或是從本發: 實際經驗中學習到的人士來說將會變得很明顯。可以藉尤 其是在所書窝之說明書中以及申請專利範圍中所指出二结 構，以及所附之圖示，來實現並達成本發明的目標以及： 它優點。 〃 為了達到绝些目的以及其它優點而且依據本發明的目的 ，如同在此所具體實現並廣泛加以說明的，依據本發明提 供-種製造半導體裝置的方法，其特徵是，該方法包括的 步驟有：提供已形成浮動閘極的半導體基板，在其結果上 形成介電質薄膜，以及形成材料薄膜給介電質薄膜上的控 制閘極用，其中在相同反應室内，於原處進行浮動閑極頂 部的氮：：驟以及形成介電質薄膜的步驟。 ，、 在：：實施例中，依據本發明製造半導體裝置的方法， 2 #心n將形成浮動閘極的半導體基板載人 應室内；改變沉積反廄舍沾、拉洛以〜 八 沉積溫度下對浮動門：度到弟一沉積溫度；在第- 應罜的溫度到第- 八又 後依序沉積出第溫度；在第二沉積溫度範圍的步驟 ,,虱化物薄膜、氮化物薄膜以及第二氧化 =基：形成介電質薄膜；以及從沉積反應室中取出該 86511 1248639 在本發明的另一特點中， 般說明以及底下的，： 了解的是，本發明前述的一 本發明進一步的解釋4 l、疋示範性，並且是要提供 7旳解釋，如同所主 【實施方式】 明的較佳實施例，其實例都在所 其中相類似的參考數號是用來標 現在將詳細的參考本發 伴隨的圖示中顯示出來， 示出相同或類似的部分。 圖1A〜圖1G是解釋製造半 剖不圖，以及 導體裝置之方法的半導體裝置 ，閱圖P方止9曰才各缺陷或表面處理所需要且在離子佈 、、處里寺“乍緩衝層用的隔板氧化物薄膜(未顯示)是在半 導把基板10上形成。然後進行離子佈植處理以形成位阱。 在去除掉隔板氧化物薄膜後，依序沉積出穿隧氧化物薄膜 12、第-多晶料膜14與藝化物薄膜16。 、八把上，在隔板氧化物薄膜之前，會先使用(稀釋^^) 或boe(、、爰衝氧化物触刻劑）來進行預先處理的清洗處理，以 便W洗▲半導體基板10 ;在DHF中，^2〇與HF是用混合比例 50· lw合在一起且SC-1是用NH4〇H、H2〇2與H20做成；而 在BOE中’ NH4F與HF是以混合比例100 : 1〜3〇〇 : 1混合在一 起且SC_1是用NH4OH、H2〇4h2〇做成。在750〜800°C的溫 度範圍下進行乾氧化處理或濕氧化處理，以形成厚度 3〇〜120A的隔板氧化物薄膜。 在離子佈植處理後，隔板氧化物薄膜是使用DHF進行蝕刻 處理’其中DHF是將H2〇與HF用混合比例50 : 1混合在一起 86511 1248639 ，而SCM是用NH4OH、H2〇2與H2〇做成。在溫度750〜800°c 下’用濕氧化模式形成厚度85〜11() A的穿隧氧化物薄膜12 。在沉積出穿隧氧化物薄膜12後，使用N2在溫度9〇〇〜91〇艺 下進行20〜30分鐘的退火處理，讓穿隧氧化物薄膜12與半導 體基板10之間界面的缺陷密度極小化。 藉化學氣相沉積（CVD)法、低壓CVD(LP-CVD)法、電漿加 強CVD(PE-CVD)法或在溫度480〜550且壓力〇 ^3 〇化汀下 的大氣CVD(AP-CVD)法，使用siH4或Si2H6以及PH3氣體， 在穿隨氧化物薄膜12上沉積出厚度3〇〇〜5〇() a的第一多晶碎 薄膜14 ’該第一多晶矽薄膜14是非晶質的矽薄膜，有 1·〇Ε20〜5.0E20原子/cc的？（磷）濃度被摻雜到裡面。因為第 一多晶矽薄膜14的晶體顆粒尺寸被極小化，所以可以避免 電場集中。然後在第一多晶矽薄膜14上，藉Lp_cvD法形成 具有約900〜2000 A相當大厚度的墊氮化物薄膜16。 一參閱圖1B，依序經由][s〇（絕緣）光罩圖案處理對墊氮化物薄 膜16、第一多晶矽薄膜14、穿隧氧化物薄膜12與半導體基板 10進行蝕刻處理，以形成STI(淺溝槽絕緣）結構的溝槽18，因 而疋義出王動區與場區。進行用以補償STI溝槽18側壁上之蝕 划知壞的乾氧化處理，讓溝槽丨8的角邊圓角化。在整個結構 上沉積出很薄的高溫氧化物（HT〇），然後經歷高溫的密=化 處理，形成内襯氧化物薄膜(未顯示)。此時，為了簡化處理 可以省略掉沉積出内襯氧化物薄膜的處理。 砰細的來說，在光阻薄膜覆蓋到整個結構上後，以該光 薄膜當作光罩來進行微影㈣處理，形成光阻薄膜圖案 86511 1248639 (未顯示)。然後進行以光阻薄膜圖 處理，對塾氮化物薄膜16、第一多晶”膜；：罩= 物:_半導體基板1。伽刻，形成™構的溝：： p = 槽時，對該半導體基板進行㈣處理，讓該半 導遍具有65〜85。的特定傾斜角。為了補償因触刻處理 所引起的溝槽18側壁之損壞，並讓溝槽的頂部角邊圓角化 在750〜900 C的溫度下進行乾氧化處理，以形成厚度 5〇〜150A的氧化物薄膜2〇。進行低乾氧化處理，以極小化被 佈植<離子的擴散，來控制位阱或臨界電壓（vt)，使得正常 的接面與位阱能夠保持住。 為了改善後續處理中氧化物薄膜與溝槽18之間的黏接特 性並避免產生壕溝’所以*DCS(二氯碎甲燒；SiH2C][^氣 體所形成的HTO會被沉積到厚度5〇〜15〇 A。然後使用^在 1〇〇〇〜1100°C的溫度下，進行2〇〜3〇分鐘的高溫密緻化處理 形成内襯氧化物薄膜（未顯示）。因為内襯氧化物薄膜的組 織是用高溫密緻化處理做成緻密狀，所以對增加蝕刻阻力 會有幫助，防止在進行STI時形成壕溝，並避免漏電流。 參閱圖1C，沉積出高密度電漿（HDP)氧化物薄膜22，將溝 槽1 8埋植起來。然後進行以塾氮化物薄膜1 6當作’阻止層用 的平坦化處理，去除掉HDP氧化物薄膜20以及墊氮化物薄膜 16上的内襯氧化物薄膜。因而形成給絕緣單元用的絕緣薄 膜0 具體的來說，形成厚度4000〜10000 A的HDP氧化物薄膜22 讓溝槽1 8降低。此時，形成Hdp氧化物薄膜22，使得溝槽 86511 -10- 1248639 1 8内不會形成空的空間。 在使用CMP進行平坦化處理後，會進行咖或册的後清 洗處理，以去除掉殘留在墊氮化物薄膜16上的氧化物薄膜 此寺品要L可旎的防止因為過度I虫刻而降低的HDP氧化 物薄膜22鬲度。HDP氧化物薄膜22將溝槽埋植起來，且HDp 氧化物薄膜22的頂部會突出來。因此，HDP氧化物薄膜22 是當作絕緣薄膜，用以絕緣開在後續處理中所形成的浮動 閘極。 參閱圖1D與圖1E，進行使用磷酸（H3p〇4)的氮化物薄膜剝 除處理，以便蝕刻掉墊氮化物薄膜16。然後進行使用dhf 的預先處理之清洗處理，去除掉在第一多晶矽薄膜14上的 原始氧化物薄膜以及殘留物。在整個結構上沉積出第二多 w碎薄膜2 6。接著進行圖案處理，形成浮動閘極3 〇。 詳細的來說，進行該剝除處理，以曝露出第一多晶矽薄 膜14。然後進行濕清洗處理，以極小化第一多晶矽薄膜^ 4 與第二多晶矽薄膜26之間的界面效應。 藉CVD法、LP_CVD法、PE-CVD法或在480〜550°C溫度且 壓力〇·1〜3.0 torr下的AP-CVD法，使用SiH4或Si2H6以及PH3 氣體’在整個結構上沉積出厚度1000〜3〇〇〇A的第二多晶矽 薄膜2 6 ’該第二多晶矽薄膜2 6是非晶質的碎薄膜，有 1·〇Ε20〜5.0E20原子/cc的p(磷）濃度被摻雜到裡面。然而，本 發明並不受限於此。而是，第二多晶矽薄膜26可以形成到 厚度足以極大化該快閃記憶體裝置的耦合比例。 在第二多晶矽薄膜26上覆蓋光阻薄膜。然後進行使用光 86511 -11 - 1248639 罩的微影触職王里’形成光阻圖案（未顯示），該光罩是給浮 動閘極用。接著以光阻圖案當作蝕刻光罩，進行蝕刻處理 乂形成浮動問極3 G °此時，藉過度鞋刻去除掉―部分曝露 的HDP氧化物薄膜22，形成會變成凹陷狀的請氧化物薄膜 22頂部，使得浮動閘極3〇會明確的被絕緣開且HDp氧化物薄 膜22的損壞會被極小化。 圖2是解釋表面處理以及沉積出介電質薄膜之處理的示 意圖。 參閱圖1 F與圖2，進行清洗處j里，以纟除掉在整個結構表 面上所形成的原始氧化物薄膜，該結構包括浮動閘極3〇。 然後進行表面處理，對整個表面進行氮化處理。接著在該 步驟中，於整個結構上形成介電質薄膜4〇。此時，所有的 處理都是在原處進行，使得處理簡化且讓成本價格降低。 具體的來說，對浮動閘極30進行表面處理，形成氮化層 32。然後形成〇N〇（第一氧化物薄膜34_氮化物薄膜36_第二 氧化物薄膜38，· SWrShNrSKD2)結構的介電質薄膜4〇。接 著，將已形成浮動閘極30的半導體基板1〇載入到沉積反應 A内，其中 >儿和反應室的溫度在N2氣中保持40Q〜7〇〇°c (圖2 的A區域）。在一段給定的時間内，反應室的溫度會快速上 升到超過800°C (圖2内的B區域）。然後進行5〜6〇分鐘的退火 處理，在溫度850〜950°C且壓力10〜760 ton*下以1〇〇〜10000 seem的流率注入N2〇氣體（圖2的C區域）。因而在整個結構上 形成薄的氮化層32。 在使用N2〇氣體進行退火處理之後，反應室的溫度下降到 86511 -12 - 1248639 750 C (圖2的D區域）。當作沉積氣體用的dcs(二氯矽甲燒：

SiH2CL2)氣體，在壓力〇 1〜3 torr且溫度79〇〜83〇艺下也會被 注入到反應室内。控制這二種氣體，使得DCS與N2〇的比例 保持在1 · 5〜1 : 1 〇，而在該步騾中於整個表面上形成第一 氧化薄膜34(圖2的E區域）。上述中，使用高溫氧化物形成厚 度35〜100 A的第一氧化薄膜34。 藉阻止NW氣體注入到反應室内並讓nh3氣體注入到反應 立内’使用DCS與NH3氣體的當作來源氣體，而在第一氧化 薄膜34上形成氮化物薄膜36(圖2的F區域）。上述中，藉化學 氣相沉積法，在壓力0.1〜3 ton*且壓力650°C〜800°C下沉積出 厚度50〜100 A的氮化物薄膜36。 停止將NH3氣體注入到反應室内，且持續的將N2〇氣體與 DCS氣體注入到反應室内，因而在氮化物薄膜36上形成第二 氧化物薄膜3 8(圖2的G區域）。第二氧化物薄膜3 8的沉積條件 是與第一氧化薄膜3 4的沉積條件相同，除了不進行退火處 理以外。形成厚度35〜150 A的第二氧化物薄膜38。在一段 給定的時間内，反應室溫度下降到4〇〇〜70(rc (圖2的^[區域） ，並且取出半導體基板（圖2的區域G。此時要注意的是，第 一氧化物薄膜、氮化物薄膜與第二氧化物薄膜可以在相同 溫度下沉積出來。 在形成ΟΝΟ結構的介電質薄膜4〇後，為了改善〇N〇的品 質以及加強相對應薄層之間的界面，可以進行平流退火處 理，使得介電質薄膜40在溫度約750〜800°C下，以濕氧化模 式被氧化到厚度約150〜300 A。此外，當進行Ονο處理以及 86511 -13 - 1248639 平流退火處理時，在相對廐旁？田、 杜和対應處理 < 間的數個時間延遲内， 都疋以沒有時間延遲的方式；佳彡- ,, 逑0万式進仃，避免原始氧化物薄膜或 雜質的污染。 參閱圖1G，依序沉積出第二容曰 币一夕日日潯Μ 4 2以及石夕化鶴 (WSlx)薄膜44，該第三多晶薄膜ο Β ，寻腰42疋形成控制閘極用的材 料薄膜。 詳細的說，最好是使用非晶質矽薄膜，藉cvd、pE_cvD 、lp-cvd或ap-CVD法，在溫度51〇〜55『c且i 〇〜3加下， 沉積出具有摻雜薄膜肖未摻Φ薄膜之雙結構的第三多晶石夕 薄膜42，使得在沉積出石夕化鶴薄膜44時，第三多晶碎薄膜 42在本質上會結合到介電質薄膜4〇内，以防止氫氟酸的擴 散，該氫氟酸的擴散會增加氧化物薄膜的厚度，並避免產 生經由結合鎢（W)與磷（P)所形成的WPx層。藉此，有可能 防止後續矽化鎢薄膜44會被損壞掉的現象。摻雜薄膜與未 摻雜薄膜的比例設定成丨：2〜6:卜且形成厚度約500〜1500 A的非晶質矽薄膜，使得第二多晶矽薄膜26之間的間隙被 无分的埋植起來。因此，當沉積出後續的矽化鎢薄膜料時 ’不會形成間隙，而且可以降低字線電阻（Rs)。在形成雙 結構的第三多晶矽薄膜42時，最好是使用SlHytSi2H6以及 PH3氣體形成摻雜薄膜，且停止pH3氣體並接著形成未摻雜 薄膜。 石夕化鎢薄膜44最好是以2·〇〜2.8的化學計量成長出來，其 中進行充分的步階覆蓋，以及在溫度300〜5〇(rc下使用 MS(S!H4)或DCS(SiH2CL2)與WF6的反應，讓字線電阻（Rs)極 86511 -14 - 1248639 小化’該WF6包含有低量的氟且具有低的後退火應力以及炎 好的黏接力。 在石夕化鎢薄膜44上，使用Sl〇xNy或叫队沉積出ARC層（未 顯示）。進行閘極光罩與蝕刻處理以及自我對齊光罩與蝕刻 處理，以形成快閃記憶體單元。 如上所述，依據本發明在浮動閘極形成後，進行氮化處 理而在該浮動閘極上形成氮化層。因此，本發明具有一些 新效應，能改善介電質薄膜的特性、漏電流的特性、崩潰 電場與充電-至-崩潰以及浮動閘極的表面粗糙度。 而且，本發明具有一種新效應能簡化處理，因為氮化處 理與介電質薄膜形成處理都是在原處進行。 此外，在不用複雜的處理或設備下，使用現有的設備與 處理。因λ，本發明具有一種新效應’能製造出高可靠度 且低成本的裝置。 上述實施例只是示範性的，並不是要用來限制本發明。 所教導的都能隨時應用到其它型式的裝置上。本發明的說 明是解釋性的，而不是要用來限制所主張的範圍。畔多立 :方式、修改以及變動對於熟知該技術領域的人士來說都 疋很明顯的。 【圖式簡單說明】 從以上本發明較佳實施例的詳 - μ ^ i 硯明中，結合伴隨的圖 不，將讓本發明的上述目的以及其 都變得更為明顯，其中·· …的、特點以及優點 圖1Α〜圖1G是解釋製造半導體樂 牛等"氱置《方法的半導體裝置 86511 -15- 1248639 剖示圖，以及 圖2是解釋表面處理以及沉積出介電質薄膜之處理的示 意圖。 【圖式代表符號說明】 10 半導體基板 12 穿隧氧化物薄膜 14, 26, 42 多晶矽薄膜 16 塾氮化物薄膜 18 溝槽 2〇, 22, 34, 38 氧化物薄膜 30 浮動閘極 32 氮化物層 36 氮化物薄膜 40 介電質薄膜 44 矽化鎢薄膜 86511 -16 -

Claims (1)

1248姑§2119149號專财請案 中文申請專利範圍替換本(94年8月） 拾、申請專利範圍： 1. 一種製造半導體裝置之方法，其包括的步驟有： (a) k供一半導體基板，其中形成一浮動閘極； (b) 對該浮動閘極頂部進行氮化處理； ⑷在其結果的步驟中依序形成一第一氧化物薄膜、 一氮化物薄膜及一第二氧化物薄膜，藉此形成-具ΟΝΟ 結構之介電質薄膜；以及 ⑷形成-材料層給在該介電質薄膜上之控制閘極用， 其中該對該浮動閘極頂部進行氮化處理的步驟以及 形成介電質薄膜的步驟，都是在相同反應室内的原處進 行。 2·如申請專利範圍第丨項之方法，其中該在相同反應室内 的原處進行之步騾（b)與步驟（c)包括的步驟有： 在溫度800〜950 °C下以1〇0〜10000 sccm的流率注入 N2〇，對該浮動閘極頂部進行氮化處理； 在壓力0.1〜3 torr且溫度790〜830°c下，注入N20氣體 與DCS(SiH2CL2)氣體，以便在該步驟中形成一第一氧化 物薄膜； 在壓力0.1〜3 torr且溫度650〜800。(：下，注入DCS氣體 與NH3氣體，以便在該第一氧化物薄膜上形成氮化物薄 膜；以及 在壓力0·1〜3 torr且溫度790〜830°C下，注入N2〇氣體 與DCS(SiH^CL2)氣體，以便在該氮化物薄膜上形成第二 氧化物薄膜。 86511-940803.doc 1248639 其中該DCS(SiH2CL2)氣 10 〇 其中該形成浮動閘極是 3·如申請專利範圍第1項之方法 體與Ν2〇氣體的比例是1 ·· 5〜] 4·如申請專利範圍第1項之方法 藉以下步驟來完成·· 在該半導體基板上，依序形成穿随氧化物薄膜、一第 一多晶矽薄膜以及一墊氮化物薄膜； 經由圖案處理，蚀刻掉一部分的整氮化物薄膜、第- 多晶矽薄膜、穿隨氧化物薄膜與半導體基板，而在該半 導體基板内形成溝槽； 在包括溝槽的整個結構上沉積出一氧化物薄膜，然後 讓孩氧化物薄膜變成平滑，使得該#氮化物薄膜曝露出 來； 蚀刻掉該墊氮化物薄膜，然後在整個結構上沉積出定 義二多晶矽薄膜；以及 定義出該第二多晶矽薄膜的圖案，以形成浮動閘極。 5.如申請專利範圍第1項之方法，在步驟（〇)與（d)之間進一 步包括在溫度750〜800°C下的濕氧化模式之平流退火處 理，使得該介電質薄膜的厚度變成150〜300A。 6· —種製造半導體裝置之方法，其包括的步騾有： (a) 將一半導體基板載入到一沉積反應室内，其中浮 動閘極在半導體基板内形成； (b) 將該沉積反應室内的溫度改變成第一沉積溫度； (c) 在該第一沉積溫度下，對該浮動閘極頂部進行氮 化處理； 86511-940803.doc -2- 1248639 (d) 將該沉積反應室内的溫度改變成第二沉積溫度範 圍； (e) 在遠苐一儿積溫度範圍内’於所形成起伏外形上 依序形成一第一氧化物薄膜、一氮化物薄膜及一第二氧 化物薄膜，藉以形成一具一 ΟΝΟ結構之介電質薄膜；以 及 (f) 從該沉積反應室中取出該半導體基板。 7 ·如申請專利範圍第6項之方法，其中該第一沉積溫度是 800〜950°C，而且該第二沉積溫度範圍是650〜830°C。 8 ·如申請專利範圍第6項之方法，其中該步驟（c)包括注入 NzO氣體到沉積反應室内，以便對該浮動閘極的頂部進 行氮化處理。 9·如申請專利範圍第6項之方法，其中該步驟（e)包括的步 驟有： 注入N2〇氣體與DCS(SiH2CL2)氣體到該沉積反應室内 ，以形成第一氧化物薄膜； 注入NH3氣體與DCS(SiH2CL2)氣體到該沉積反應室内 ’以便在該第一氧化物薄膜上形成氮化物薄膜；以及 注入NW氣體與DCS(SiH2CL2)氣體到該沉積反應室内 ’以形成第二氧化物薄膜。 10·如申請專利範圍第9項之方法，其中該DCS(SiH2CL2)氣 體與N2〇氣體的比例是1 : 5〜1 : 10。 86511-940803.doc