TWI254383B - Method to produce a field-effect-transistor with a floating gate - Google Patents

Description

1254383 五、發明説明（1) 本發明涉及一種如申請專利範圍第1項前言所述之 具有浮動閘極之場效電晶體之製造方法。此種電晶體 在半導體基板表面上在一種由源極至汲極延伸之區域 所定義之幾何形狀中包含一種位於隔離層上方之控制 閘極。此浮動閘極在控制閘極下方之部份區域中延伸 且周圍都是隔離的。在此種場效電晶體中，電荷可長久 地儲存很多年；其較佳之應用領域是可程式化之半導體 唯讀記憶體。 在具有浮動閘極之場效電晶體之傳統製法中，首先在 基板表面之一部份上形成第一層序列，其最下層是浮動 閘極用之薄介電質層以作爲隧道介電質（較佳是一種氧 化物層作爲所謂”隧道氧化物”），其上是一種由浮動閛 極之材料所構成之層，最上方是一種具有良好介電質特 性之層，以便在控制閘極和浮動聞極之閘形成所謂耦合 電容用之介電質。最後之此種層（其下稱爲”耦合介電 質”）較佳是在二個薄氧化物層之間含有一種氮化物 層。此種組合式之氧化物-氮化物-氧化物-層（通常稱爲 ΟΝΟ層）特別薄，以便獲得一種高的耦合電容。整個第 一層結構藉由微影術蝕刻技術而被結構化，因此形成一 些側面，其定義了此浮動閘極之最後之輪廓之一部份。 然後使基板表面之至少其餘之這些部份（控制閘極應經 由這些部份而延伸）以及第一層結構之上述之側面被氧 化，以便在基板表面之上述部份上產生該控制閘極-隔 離層（高壓-閘極氧化物）且在上述之側面上形成此浮動 1254383 五、發明説明（2 ) 聞極之邊緣隔離區，其上施加此控制聞極之材料，且在 此控制閘極所期望之輪廓上使這樣所形成之整個層結 構被結構化之後對各表面（包括此種層結構之側面）進 行一種後（P 0 s t )氧化作用。對此基板進行選擇性之摻雜 以形成源極區及汲極區時有一部份是在後氧化作用之 前進行，有一部份是在後氧化作用之後進行。 須注意：在本方法之過程中，浮動閘極之材料在耦合 介電質之邊緣區域下方氧化成一種形式，其是一種鳥嘴 之形式。此種由所形成之氧化物所構成之鳥嘴使浮動 閘極之殘留之材料和控制閘極之間之距離變大且另外 使耦合介電質之邊緣向上彎曲，這以特別大之程度在此 處（即，浮動閘極之側面在施加該控制閘極-材料之前被 氧化之處）形成。在此種位置上此耦合介電質會變厚， 因爲隨後所施加之控制閘極-材料之下側和浮動閘極之 材料之間之距離會因此而變大。但類似之鳥嘴亦會在 稍後之後（P 〇 s t )氧化作用中形成，且在此處（即，在整個層 結構被結構化之後該鍋合介電質及浮動閘極到達該外 側面之處）形成。由於後氧化作用所形成之較小之厚度 則在該處所形成之鳥嘴當然較不明顯。 藉由上述之鳥嘴效應，則控制閘極及浮動閘極之間& 耦合電容會以不期望之方式減少。爲了補償此種缺點， 則目前是使浮動閘極和其下方之耦!合介電質之水平尺 寸擴大，因此，”晶胞面積”會測定成較原來所期望者還大。 本發明之目的是使場效電晶體中該控制閘極及浮動 -4- 1254383 五、發明説明（3 ) 閘極之間之耦合電容增大，而不會使形成此電容所用之 結構之面積增大。本發明中此目的是由申請專利範圍 第1項之製造方法來達成。本發明中有利之其它形式 描述在申請專利範圍各附屬項中。 本發明之原理是：在此種層結構（其含有浮動閘極之 材料）之側面第一次氧化之前使氮植入此種材料中。藉 由植入之氮來防止此種會使電容變小之鳥嘴之形成，因 爲氮可用作浮動閘極之材料中之氧化防止劑。 此種機構（其在傳統方法中造成鳥嘴之形式）之細節 及本發明之方法之細節（其防止此種機構）以下將依據 圖式來說明： 第1至5圖傳統方法中依序產生之各結構之切面 圖。 第6至1 2圖依據這些已形成之結構之切面圖來說 明本發明之方法之實施形式。 第1 3至1 6圖依據這些已形成之結構之切面圖來 說明第6至I2圖中之方法之其它形式。 這些圖中所示之結構是以近似之比例來顯示。所有 圖式都有相同之比例且顯示相同之垂直切面圖中之一 些部份，這些部份由所形成之場效電晶體之源極區至汲 極區。 在傳統之方法中，依據第1圖在基板1 0 (其例如由P -ί爹雑之單晶矽所構成）上藉由基板表面之氧化作用而產 生很薄之第一氧化物層20 (在本例子中是Si 02)。此種 1254383 五、發明説明（4) 層2 0稍後形成此浮動閘極之隧道介電質（氧化物）且厚 度是8至1 0 nm。在氧化物層2 0上沈積此浮動閘極用 之材料之厚很多之層3 0。此處所示之例子中此層3 0 是多晶矽層，其以同次（in situ)方式以η-雜質（例如，砷 或磷）來摻雜。然後在多晶矽層3 0之表面上形成一種 薄的所謂ΟΝΟ層，即，組合而成之氧化物-氮化物氧化 物-層，其由：下方之氧化物層40(SiO2,5nm厚），其上之 氮化物層50 (氮化矽，Si 3 N4,5 nm厚）以及最上方之氧化 物層6 0 ( S i Ο 2，5 n m層）所構成。此種Ο Ν Ο層4 0 - 6 0形成 一種突出之介電質以用於此種場效電晶體之控制閘極 和浮動閘極之間之耦合電容中。 然後依據第2圖對此種由層2 0- 6 0所構成之構造進 行第一次結構化，使其水平範圍限制於一直線上，此直 線描述此浮動閘極之稍後由控制閘極所形成之拱形之 輪廓。此時較佳是使用一般之微影術，以便選擇性地對 基板（但至少除了隧道氧化物層之平面以外）來對此種 層結構之待去除之區域進行蝕刻而將之去除。這通常 是使用一種由光漆所製成之遮罩層來進行，其可針對此 蝕刻劑來對此層結構2 0 - 6 0之可保留之區域進行屏蔽 且在蝕刻過程之後又去除。 然後使此種依據第2圖之已結構化之結構承受一種 氧化用之大氣，使已蝕刻之區域塗佈一層氧化物層7 0。 須控制此種氧化過程，使氧化物層7 0在其區域7 0 a中 生長於基板1 〇之區域上，其厚度等於”高壓-閘極氧化 1254383 五、發明説明（5) 物”之所期望之厚度（例如，30nm)，即，等於場效電晶體之 控制閘極和基板之間之隔離層之厚度。氮化物層5 0上 之已存在之氧化物層6 0當然生長得較少，這是因爲氮 化物不易被氧化。另一方面，區域7 0 b中之氧化物生長 層在層結構20-60之側面上特別厚，特別是浮動閘極之 該處裸露之材料3 0由摻雜之多晶矽所構成時。 側面上及相鄰之邊緣上之材料3 0因此被氧化得很深， 就像與原來之外形（c 0 111 0 u r)相比較時所顯不的一樣，其 由第3圖中之虛線3 1所示。此種氧化作用特別是在材 料3 0之上邊緣上形成所謂鳥嘴（由氧化物構成），其以楔 形方式在氮化物層5 0下方之區域中延伸且使此層5 0 及上方之氧化物層6 0向上彎曲。 然後由第3圖所示之構造形成第4圖所示之構造，此 時首先沈積此控制閘極用之材料80(例如，多晶矽），其 以同次（in situ)方式以η-雜質來摻雜。材料80之外形 (其使浮動閘極之側面形成拱形）限制成控制閘極所期 望之輪廓（即，除了右側邊緣以外，其上稍後將形成汲 極）。這亦藉由微影術之蝕刻技術來進行，其中所施加 之光阻遮罩覆蓋所有之區域（除了待蝕刻之區域以外） 且在蝕刻之後又去除。在基板〗0之已蝕刻而裸露之位 置上藉由η-雜質（例如，砷或磷）之植入而形成源極S，其 係使用一種新的光阻遮罩來達成，此種遮罩覆蓋所有區 域（除了植入位置之外）且隨後又被去除。 第4圖之結構又進一步處理，使成爲第5圖之結構5 1254383 五、發明説明（6) 此時使用一種光阻遮罩，其覆蓋所有區域（除了汲極區 以外），使此區域（圖式之右方）中之層結構2 0- 8 0被蝕刻 而去除直至基板1 〇爲止。在光阻去除之後，所產生之 拓樸形狀之表面被氧化，使所有表面都以氧化物層90 塗佈。藉由所謂後（P 〇 s t)氧化作用，則浮動閘極之側面 氧化成特別厚，使該處在區域9 0 a中形成一種氧化物構 成之”鳥嘴”，其使氮化物層5 0向上彎。當然此種位置 上之鳥嘴造形大部份較內部控制閘極-側面上之氧化區 7 0b中者還不明顯，這是因爲此種後氧化物層（例如，在 控制閘極80上之20nm厚之Si02)大部份較該高壓-閘 極氧化物7〇a之厚度（例如，30nm厚之Si02)薄很多。 在後氧化作用之後重新形成一種光阻遮罩，其屏蔽所有 之區域（除了汲極區以外）。使用此種遮罩來植入η-雜 質以形成汲極D。 如上所述，一種以上述方式所形成之場效電晶體之氧 化區70b及9 0a上之”鳥嘴”使控制閘極80及浮動閘極 3 0之間之耦合電容以不期望之方式變小。爲了防止 (或至少減輕）此種問題，則在本製程之適當階段中須在 浮動閘極之材料中植入氮。以下描述二種不同之方式 使氮適當地植入。 在弟一貫施形式中，依據第6圖在基板1 0上形成與 第1圖相同之層結構，不同之處只有：首先。不須使氮化 物層5 0氧化（其會形成該〇 Ν Ο層之上部氧化物6 0)。 然後依據第7圖垂直地由上方在浮動閘極之材料之層 1254383 五、發明説明（7) 3〇中植入氮（N)，此種植入會穿過薄的氮化物層50及其 下方之薄的氧化物層4 0。 然後使氮化物層5 0之表面氧化以形成上部氧化物 6 〇且因此而製成此種〇 Ν Ο層4 0 - 6 0。這樣所得到之層 結構顯示在第8圖中且對應於第1圖。 然後進行如第2至5圖所示之相同之步驟：進行第一 次微影術結構化以形成第9圖之結構，其是依據第2圖 之方式來進行。然後依據第3圖所示之相同步驟進行 一種氧化作用以形成高壓-閘極氧化物7 〇 ,其中此氧化 區70b形成在浮動閘極之材料30之側面上，如第1〇圖 所不。與第3圖比較時顯示：由於材料3 0中所植入之 氮有防止氧化之作用，則區域7 0 b中之氧化作用會很困 難。特別是在材料3 0之上部邊緣之附近中（該處此種 由上方所植入之氮之濃度最大）所受到之氧化作用較第 3圖之情況小很多。因此不會形成（或只有很輕微之）鳥 嘴，氮化物層5 0因此不會（或只會很少）向上彎。氮化物 層5 0本身由於該處已植入之氮而已不會再被氧化，使 此層6 0變厚時不會造成氮化物層5 0之負擔。 然後沈積此閘極氧化物用之層80,使此層80結構化 而裸露出源極所在之基板區且依據第1 0圖植入此源極 S，其中使用這些與第4圖相同之步驟。然後重新進行結 構化使汲極所在之區域敞開（open)，形成該後（post)氧 化物層9 0且依據第1 1圖植入該汲極，其中使用這些與 第5圖相同之步驟。第1 1圖與第5圖比較後顯示：第 1254383 五、發明説明（8 ) 1 1圖中在浮動閘極3 0之汲極側面上之區域90a中在 該後氧化物9 0中之鳥嘴造形由於氮植入作用而較第5 圖中者輕微很多。 在第二實施形式中，依據第13圖而在基板10上形成 一種與第1圖相同之層結構，因此包含所設置之ΟΝ Ο 層之上部氧化物6 0。然後以這些層2 0 - 6 0所構成之結 構之結構化開始進行，其係使用以遮罩Μ來進行之微影 術蝕刻方法，如第2圖所示。依據第1 4圖（其中亦顯示 光阻遮罩1 4 )，此種蝕刻是在到達最後之蝕刻深度之前 中斷，較佳是在到達一半深度時中斷。此時氮傾斜地由 上方植入此浮動閘極之材料3 0之部份裸露之側面中， 其中此種層結構之由飩刻所去除之區域之上側是由光 阻遮罩Μ所屏蔽。 然後繼續蝕刻直至最後之深度爲止。這樣所獲得之 結構顯示在第1 5圖中且與第9圖相對應。由此開始進 行一種氧化作用以便在區域7 〇 a中形成简壓-聞極氧化 物且在區域70b中形成側面-氧化物。因此形成第1 6 圖中所示之結構，其與第10圖相同，在氧化物層70之 區域7 Ob中有較小之鳥嘴造形。當然第1 6圖中此氮化 物層5 0只在區域5 0a中在其邊緣之附近中保留在其原 來厚度上之側面上，這是因爲只有該處此種由傾斜方向 所植入之氮才會進入氮化物層5 0中而施展其氧化防止 之作用。在氮化物層5 0之其餘區域中由於有屏蔽用之 遮罩Μ(第14圖）而幾乎不會有氮被植入，使該處之氮化 -10- 1254383 五、發明説明（9 ) 物之氧化作用極微且此區中之氮化物層5 0變成較薄， 如第1 6圖所示。 然後進行此種與第4，5圖相同之處理。因此依序形 成一些與第1 1，1 2圖相同之結構。在後氧化物9 0 (第 12圖）之區域90a中此種鳥嘴造形當然減少得較少，這 是因爲浮動閘極之材料3 0在位置上由於屏蔽用之遮罩 Μ (第1 4圖）而接收較少之植入之氮。 前述之實施例只作爲範例用。本發明不限於上述各 種步驟所形成之順序。在具有浮動閘極之場效電晶體 用之每一任意之製法中此種氮植入可成功地用作額外 之步驟，此時須對此浮動閘極之側面進行一種氧化作 用。條件只是：氮-植入在此種氧化之前之任意時間以 一種數量來進行，此種數量可明顯地使相關之側面之氧 化作用減小。 符號說明 10.. .半導體基板 20.. .隧道氧化物層 3 0...浮動閘極之層 3 1 ...側面-外形線 40···.ΟΝ〇之下部氧化物層 50.. .ΟΝΟ之氮化物層 60…ΟΝΟ之上部氧化物層 7 0…閘極氧化物及側面氧化物用之層 7 0a...閘極氧化物 -11- 1254383 五、發明説明（ 7 Ob ...側面 8 0 .··控制p 90...後-氧 90a…浮動 D…汲極 M...遮罩 S…源極 1〇 ) 氧化物 ^極之層 化層 閘極之側面上之後氧化物 -12-

Claims (1)

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法」專利案 （9 1年9月修正） 六申請專利範圍 1· 一種具有浮動閘極之場效電晶體之製造方法，其特 徵爲以下各步驟： (A)在半導體基板（10)之表面之一部份上形成第一層 結構（ 20 - 60 )，其包含：最下層，其是浮動閘極用之 隧道介電質（20);此層（20)上方之層（30)，由浮動 a 委 閘極之材料所構成；最上層，其是具有氮化物層 示 本 數 修 ^ 與第一層結構之各側面被塗佈一種氧化物層（70 ) 後 ¥ ，其中至氧化用之大氣發生作用之前之某一時點 一 ％ ，將氮以一種數量植入該浮動閘極之材料（30)中 Η ，此種氮可明顯地使各側面上之氧化作用減弱， (:¾ r4 且在塗佈該氮化物層（5 0 )之後，此氮經由此層 霉. (50)而植入於該浮動閘極之材料（30)中，以及； (C)然後塗佈此控制閘極之材料（80 )，且在這樣所形 成之整個層結構（20 - 80 )之幾何形狀被結構化成 所期望之輪廓之後對這些表面（包括此種層結構 之各側面）進行一種後氧化（90 )。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中爲了在此種由 (50)之耦合介電質（ 40 - 60 )，然後進行結構化以形 成各側面，其定義此浮動閘極之輪廓之一些部份； (B )藉由氧化用之大氣之作用使基板表面之其餘部份 1254383 六、申請專利範圍 浮動閘極之材料（30 )所構成之層之上側上製成該 耦合介電質（ 40 - 60 ),首先須形成一種下部氧化物 層（40.)，然後形成氮化物層（50 )，之後形成上部氧 化物層（60)。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中氮之植入是在 上部氧化物層（60 )施加之前進行。 4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中 氮之植入是在第一層結構（20 - 60 )之各側面被結構 化之前進行。 5. —種具有浮動閘極之場效電晶體之製造方法，其 特徵爲實施以下步驟： (A) 在半導體基板（10)之表面之一部份上形成第一層 結構（20-60)，其包含：最下層，其是浮動閘極用之 隧道介電質（20);此層（20)上方之層（30)，由浮動 閘極之材料所構成；最上層，其是具有氮化物層 (50 )之耦合介電質（40 - 60 )，然後進行結構化以形 成各側面，其定義此浮動閘極之輪廓之一些部份； (B) 藉由氧化用之大氣之作用使基板表面之其餘部份 與第一層結構之各側面被塗佈一種氧化物層（70 ) ，其中至氧化用之大氣發生作用之前之某一時點 ，將此氮以一種數量植入該浮動閘極之材料（30) \ 中，此種氮可明顯地使各側面上之氧化作用減弱 ，其中第一層結構（20 - 60 )之各側面之結構化是 1254383 六、申請專利範圍 藉 由 選 擇性飩刻而進行至一種最後之深度 ，此種 深 度 至 少到達此浮動閘極之材料（30 )之下 端，其 中 氮 植 入此浮動閘極之材料（30 )之由於此種蝕刻 過 程 所 裸露之各側面中； (C)费 後 :施 丨加此控制閘極之材料（80 )，且在這樣 所形 成 之 整 個層結構（20 - 80 )之幾何形狀被結構 化成 所 期 望 之輪廓之後對這些表面（包括此種層 結構 之各 側 面）進行一種後氧化（90)。 6. 如 串 三主 m 專 利範圍第5項之方法，其中在鈾刻過 程之 第 一 階 段 之後進行氮之植入，較佳是在到達最 後之 蝕 刻 深 度 之一半時進行。 7. 如 甲 三主 m 專 利範圍第5或6項之方法，其中在氮 植入 期 間 第 一 層結構（20 - 60 )之由選擇性鈾刻所去 除之 域 是 由 遮罩（Μ )所屏蔽。 8. 如 串 3主 m 專 利範圍第5或6項之方法，其中氮之 植入 是 傾 斜 於 各層之平面及第一層結構（20-60)之 各側 面 而 進 行 〇 9. 如 串 三主 專 利範圍第1，2，3，5或6項之方法，其 中在 施 加 該 浮 動閘極之材料（30)之前藉由基板表 面之 氧 化而形成此浮動閘極用之隧道介電質（20)。 10. 如 串 Ξ主 m 專 利範圍第1，2，3，5或6項之方法，其 中步 驟 C 含有 以下之子（part)步驟： (C1 ) 藉 由選擇性蝕刻使整個層結構（20 - 80 )之源 -3- 1254383 六、申請專利範圍 極側之末端被結構化； (C2)植入該源極-摻雜區； (C3)藉由選擇性蝕刻使整個層結構（20 - 80 )之汲 極側之末端被結構化； (C4)使基板（1〇)之由於步驟C1和C3所裸露之 表面被後（post)氧化（90)，且使所有表面（包括已 結構化之整個層結構（20 - 80 )之各側面）亦後氧化 (90); (C5 )在待形成之汲極（D )之區域中使基板表面上 之後（post )氧化物（90)被去除且在該區域中植入 該汲極-摻雜區。 1L如申請專利範圍第1，2，3，5或6項之方法，其中使 用單晶矽於基板（1 〇 )中。 12·如申請專利範圍第1，2，3，5或6項之方法，其中使 用已摻雜之多晶矽於浮動閘極（30 )及控制閘極（80 ) 中。 13·如申請專利範圍第1，2,3，5或6項之方法，其中由 氮化矽形成氮化物層（5 0 )。 -4 -