專利名稱：去除多晶硅殘留的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體存儲器的制造方法，且特別是關(guān)于一種去除字線之間多晶硅(polysilicon)殘留的方法。
另外有一種非揮發(fā)性存儲器稱作閃存(flash memory)，其結(jié)構(gòu)和EEPROM類似，但其存儲胞抹除機構(gòu)和EEPROM不盡相同，因此體積要比EEPROM小得多。同時其數(shù)據(jù)的擦除時間約為1或2秒，也比EPROM用紫外光照射的大約20分鐘要快得多。由于價格因素，閃存大部分應(yīng)用在較小型的電子產(chǎn)品如筆記本型計算機和個人數(shù)字助理等，同時也可用于例如計算機中的BIOS存儲器以便數(shù)據(jù)可隨時更新。
傳統(tǒng)上具有堆棧結(jié)構(gòu)的快閃存儲胞具有雙層或三層的多晶硅結(jié)構(gòu)，通常第一層多晶硅層是做為浮置柵極(floating gate)，而第二層多晶硅層則做為控制柵極(control gate)，其即為字線，經(jīng)由控制柵極的電壓控制可對快閃存儲胞進行數(shù)據(jù)的寫入和刪除的動作，至于三層多晶硅結(jié)構(gòu)則多了一層選擇性柵極(select gate)。
在制作快閃存儲胞的過程中，一般先利用光刻、蝕刻技術(shù)將第一層多晶硅層定義成多條平行的線條，接著進行后續(xù)步驟并且制作第二層的控制柵極，利用光刻、蝕刻技術(shù)將第二層多晶硅層定義成多條平行的線條，且垂直于第一層的線狀多晶硅層，以作為字線的控制柵極。在形成控制柵極的過程中，兩條控制柵極之間的第一層多晶硅層同樣會被蝕刻去除直到暴露出最下層的基底，以形成浮置柵極。然而，在蝕刻第一層多晶硅層的過程中，由于各向異性蝕刻角度限制的關(guān)系，在兩條控制柵極之間部分第一層多晶硅層會殘留在絕緣層的側(cè)壁上，導(dǎo)致殘留的多晶硅連接兩條相鄰的字線，因而造成電性短路，使得字線無法正常操作，進而造成數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭脲e誤。
本發(fā)明提供一種去除多晶硅殘留的方法，適用于側(cè)壁上的多晶硅殘留，此方法至少包括下列步驟。進行一斜向離子注入步驟，在側(cè)壁上的多晶硅殘留中注入氮離子。接著進行一氮退火步驟，使多晶硅殘留完全轉(zhuǎn)化成氮化硅。
本發(fā)明提供一種去除字線間的多晶硅殘留的方法，適用于一半導(dǎo)體基底，在半導(dǎo)體基底上具有多條平行的字線，字線之間的側(cè)壁上形成有一多晶硅殘留，連接相鄰的位線，此方法至少包括下列步驟。進行一斜向離子注入步驟，在側(cè)壁上的多晶硅殘留中注入氮離子。接著進行一氮退火步驟，使多晶硅殘留完全轉(zhuǎn)化成氮化硅。
本發(fā)明亦提供一種半導(dǎo)體存儲胞的制造方法，此方法至少包括下列步驟。在一半導(dǎo)體基底上形成一柵極氧化層、一第一多晶硅層與一氮化硅層，接著圖案化氮化硅層、第一多晶硅層與柵極氧化層。然后在半導(dǎo)體基底上覆蓋一絕緣層，之后去除部分絕緣層，直到暴露出氮化硅層。接著去除氮化硅層，再于第一多晶硅層及周緣的絕緣層上形成一第二多晶硅層。然后在半導(dǎo)體基底上依序形成一介電層、一第三多晶硅層與一導(dǎo)電層，之后圖案化導(dǎo)電層、第三多晶硅層、介電層、第二多晶硅層與第一多晶硅層，以形成多條平行的字線，并且在字線間的絕緣層的側(cè)壁上形成一多晶硅殘留。接著進行一斜向離子注入步驟，在側(cè)壁上的多晶硅殘留中注入氮離子。然后進行一氮退火步驟，使多晶硅殘留完全轉(zhuǎn)化成氮化硅。
利用本發(fā)明的去除多晶硅殘留的方法，不僅可以有效地去除多晶硅殘留，而且利用斜向離子注入氮離子可避免傳統(tǒng)上氧化過度所造成的侵蝕，減少熱預(yù)算，并且可達到完全轉(zhuǎn)化成氮化硅的目的。
圖中符號說明100半導(dǎo)體基底110絕緣結(jié)構(gòu)112、112a 氧化層114、114a 多晶硅層116、116a 氮化層118高密度等離子(HDP)氧化層120 HDP氧化層122、122a 多晶硅層124、124a 介電層126、126a 多晶硅層128、128a 導(dǎo)電層202、204 圓圈302多晶硅殘留304氮化硅400氮離子注入WL1、WL2 字線C1、C2 通道區(qū)域 I-I剖面線

圖1A-1I是繪示本發(fā)明的快閃存儲胞的工藝剖面示意圖。請參照圖1A，首先提供一半導(dǎo)體基底100，例如是具有<100>晶格排列的P型硅基底。接著在基底100中制作隔離結(jié)構(gòu)110，規(guī)劃出每個存儲胞的激活區(qū)(active region)，隔離結(jié)構(gòu)110比如是以硅的局部氧化(LOCOS)形成的場氧化層，且較佳是淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)。
接著在基底100上依序形成柵極氧化層112、第一多晶硅層114以及氮化硅層116。柵極氧化層112可以利用熱氧化技術(shù)形成，所形成的厚度約在30-150埃左右，第一多晶硅層114可以利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)在600-650℃左右形成，所形成的厚度約在500-1500埃左右，并且多晶硅層114亦可以是摻雜(doped)多晶硅層，氮化硅層116亦可以利用化學(xué)氣相沉積形成，所形成的厚度約在1100-2400埃左右。然后利用傳統(tǒng)的光刻及蝕刻技術(shù)，定義出所需的圖案，去除不需要的部分，圖案化氮化硅層116、第一多晶硅層114與柵極氧化層112，以形成多條平行的第一線形堆棧層，如圖中所示。
請參照圖1B，接著在基底100上覆蓋一層絕緣層118，比如氧化硅層。絕緣層118較佳是以高密度等離子體化學(xué)氣相沉積法(HDP-CVD)所形成的氧化硅層，做垂直方向的沉積，以形成致密的絕緣層結(jié)構(gòu)，所形成的絕緣層118厚度約為1.5-3.5千埃。接著請參照圖1C，去除部分絕緣層118直到剩下所需的厚度而變成絕緣層120，絕緣層120的厚度略大于第一多晶硅層114的厚度，大約為0.5-2千埃，其去除方法可以利用濕式浸漬蝕刻，以時間控制方式達到所需厚度，較佳是以反應(yīng)離子蝕刻(RIE)來達成，并且暴露出氮化硅層116頂部邊緣的頂角。
請參照圖1D，然后去除氮化硅層116以及其上殘留的絕緣層120，比如可以利用高選擇性濕式蝕刻僅去除氮化硅層116，而不會破壞表面其它暴露的部分。請參照圖1E，接著在第一多晶硅層114及周圍的絕緣層120上形成第二多晶硅層122，第一多晶硅層114通過第二多晶硅層122延伸其面積，增加其對控制電極的電容偶合。第二多晶硅層122的形成比如是先在基底100上沉積一層多晶硅層，然后以光刻及蝕刻技術(shù)去除部分第二多晶硅層122以避免兩條相鄰的第一多晶硅層114電性連接。
請參照圖1F，接著在基底100上依序形成一層介電層124、第三多晶硅層126以及導(dǎo)電層128。介電層124是浮置柵極與控制柵極之間的介電層，較佳是使用氧化硅-氮化硅-氧化硅(ONO)復(fù)合層，其由氧化硅層、氮化硅層與氧化硅層堆棧而成，其厚度約為50-250埃左右。然后比如再利用化學(xué)氣相沉積法在介電層124上形成第三多晶硅層126，此外導(dǎo)電層128較佳是使用硅化鎢(WSix)，其亦可利用化學(xué)氣相沉積法形成。
請參照圖1G，以傳統(tǒng)的光刻及蝕刻技術(shù)，定義出所需的圖案，形成多條平行的第二線形堆棧層，作為控制柵極，即為字線，此第二線形堆棧層與先前具有第一多晶硅層114的第一線形堆棧層垂直，僅留下絕緣層120部分。其制作方法比如先在導(dǎo)電層128上形成一層光阻層(未顯示)，接著以傳統(tǒng)的光刻技術(shù)圖案化光阻層，定義出所需的圖案，然后以圖案化的光阻層為掩膜，以各向異性(anisotropic)干蝕刻技術(shù)，例如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)，依序蝕刻底下暴露的導(dǎo)電層128、第三多晶硅層126、介電層124、第二多晶硅層122、第一多晶硅層114以與門極氧化層112，以達到圖案化的目的，而形成導(dǎo)電層128a、第三多晶硅層126a、介電層124a、第二多晶硅層122a、第一多晶硅層114a與柵極氧化層112a，之后去除光阻層。第一多晶硅層114受到此次光刻蝕刻僅剩在局部區(qū)塊，以作為浮置柵極。
在形成字線的制作過程中，由于各向異性干蝕刻是以垂直方向進行蝕刻，對于在絕緣層120側(cè)壁上的部分第一多晶硅層114無法達到完全去除的目的，造成多晶硅殘留在絕緣層120的側(cè)壁上。圖2為圖1G中，圓圈202的局部放大圖。請參照圖2，在形成第一線形堆棧層時，往往無法達到完全垂直蝕刻的效果，在堆棧層的邊緣角度大約為85-88度左右，再加上形成第二堆棧層時，受到各向異性干蝕刻的蝕刻角度限制，導(dǎo)致部分多晶硅殘留302存附于絕緣層120的側(cè)壁上。這會造成兩條相鄰的字線之間形成短路，因而影響到存儲器的操作。
如圖3所示，其繪示關(guān)于圖1G的俯視圖，圖1G即對應(yīng)于圖中I-I剖面線。兩條相鄰的字線WL1、WL2在上述步驟中形成，并且與通道區(qū)域C1、C2相交于浮置柵極區(qū)塊，即圖1G中的第一多晶硅層114a。多晶硅殘留302即附著于兩條字線WL1與WL2之間的絕緣層120的側(cè)壁上，如圖4所示，更清楚指出多晶硅殘留302的位置，多晶硅殘留302電性連接于兩條相連的字線WL1、WL2，這使得字線在操作時容易發(fā)生電壓穩(wěn)定不足的問題，甚至無法進行數(shù)據(jù)的存取。為了解決此問題，傳統(tǒng)上是直接以熱氧化方式將此多晶硅殘留302轉(zhuǎn)化成二氧化硅，作為絕緣層以解決電性連結(jié)的問題，但是直接熱氧化會使得第一、第二與第三多晶硅層114a、122a與126a內(nèi)部受到氧的侵蝕，因而增加其電阻值，使得存儲胞的操作更行困難，且不穩(wěn)定。
本發(fā)明是利用兩階段步驟進行去除多晶硅殘留302。請參照圖1H，首先進行斜向離子注入步驟400，利用斜向離子注入將氮離子注入位在側(cè)壁上的多晶硅殘留302中，使多晶硅殘留302富含氮離子。在斜向離子注入的工藝中，所使用的傾斜角度θ(即注入方向與平面的夾角)約在20度至70度之間，且較佳是在50度至65度之間，角度的決定必須視開口130的寬高比(aspect radio)決定，寬高比愈大則離子注入的傾斜角度θ愈大。
接著請參照圖1I，然后進行氮退火(anneal)步驟，在退火裝置中通入氮氣，使氮氣與多晶硅殘留302反應(yīng)，由于多晶硅殘留302中已經(jīng)富含氮離子，因此多晶硅殘留302很快地就可以達到完全反應(yīng)的階段，如圖5所示，使得多晶硅殘留302完全轉(zhuǎn)化成具有理想化學(xué)當(dāng)量(flnestoichiometry)的氮化硅(Si3N4)304。由于氮化硅304的電阻值遠大于多晶硅，可作為絕緣材料，因此可以以此解決多晶硅殘留造成電性連接的問題。而且，由于氮退火步驟之前已經(jīng)先在多晶硅殘留302中注入氮離子，因此多晶硅殘留302不需要太多的熱能即可達到轉(zhuǎn)化成氮化硅的目的，可節(jié)省熱預(yù)算(Thermal budget)，而且不會因為熱氧化時間過常造成氧侵蝕的問題發(fā)生，這使得工藝穩(wěn)定性更高。
綜上所述，本發(fā)明提供的去除多晶硅殘留的方法，不僅可以將多晶硅殘留完全地轉(zhuǎn)化成氮化硅，不會造成氧侵蝕的問題，而且工藝穩(wěn)定性高，可節(jié)省熱預(yù)算。本發(fā)明僅以較佳實施例說明去除在側(cè)壁上的多晶硅殘留的方法，然本發(fā)明的方法亦可應(yīng)用于其它位置，將位在側(cè)壁上的多晶硅轉(zhuǎn)化成氮化硅，或是應(yīng)用于其它的產(chǎn)品，例如掩膜式只讀存儲器(Mask ROM)或是其它類似的產(chǎn)品。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所了解的，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用以限定本發(fā)明的申請專利范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在本專利的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種去除多晶硅殘留的方法，適用于側(cè)壁上的多晶硅殘留，該方法至少包括下列步驟進行一斜向離子注入步驟，在側(cè)壁上的該多晶硅殘留中注入氮離子；以及進行一氮退火步驟，使該多晶硅殘留完全轉(zhuǎn)化成氮化硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于該多晶硅殘留的位置包括兩條字線之間的側(cè)壁上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于該斜向離子注入步驟的傾斜角度在20度至70度之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于在該氮退火步驟中通入氮氣。
5.一種去除字線間的多晶硅殘留的方法，適用于一半導(dǎo)體基底，該半導(dǎo)體基底上具有多條平行的字線，該些字線之間的一絕緣層的側(cè)壁上形成有一多晶硅殘留，連接相鄰的位線，該方法至少包括下列步驟進行一斜向離子注入步驟，在側(cè)壁上的該多晶硅殘留中注入氮離子；以及進行一氮退火步驟，使該多晶硅殘留完全轉(zhuǎn)化成氮化硅。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于每一條字線中具有至少一層多晶硅層，且該多晶硅層與該多晶硅殘留相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于該斜向離子注入步驟的傾斜角度在20度至70度之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于在該氮退火步驟中通入氮氣。
9.一種半導(dǎo)體存儲胞的制造方法，該方法至少包括下列步驟在一半導(dǎo)體基底上形成一柵極氧化層、一第一多晶硅層與一氮化硅層；圖案化該氮化硅層、該第一多晶硅層與該柵極氧化層；在該半導(dǎo)體基底上覆蓋一絕緣層；去除部分該絕緣層，直到暴露出該氮化硅層；去除該氮化硅層；在該第一多晶硅層及周緣的該絕緣層上形成一第二多晶硅層；在該半導(dǎo)體基底上依序形成一介電層、一第三多晶硅層與一導(dǎo)電層；圖案化該導(dǎo)電層、該第三多晶硅層、該介電層、該第二多晶硅層與該第一多晶硅層，以形成多條平行的字線，并且在該些字線間的該絕緣層的側(cè)壁上形成一多晶硅殘留；進行一斜向離子注入步驟，在側(cè)壁上的該多晶硅殘留中注入氮離子；以及進行一氮退火步驟，使該多晶硅殘留完全轉(zhuǎn)化成氮化硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于圖案化該氮化硅層、該第一多晶硅層與該柵極氧化層包括形成多條平行的線狀堆棧層。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于該絕緣層包括HDP氧化硅層。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于該介電層包括ONO層。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于該導(dǎo)電層包括硅化鎢層。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于形成該些字線的方法包括各向異性干蝕刻。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于該斜向離子注入步驟的傾斜角度在20度至70度之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于在該氮退火步驟中通入氮氣。
全文摘要
一種去除多晶硅殘留的方法，利用兩階段步驟達到將多晶硅轉(zhuǎn)化成氮化硅的目的。首先以斜向離子注入法在多晶硅殘留中注入氮離子，使多晶硅殘留中富含氮離子，接著進行氮退火使富含氮離子的多晶硅殘留完全轉(zhuǎn)化成氮化硅，以降低多晶硅的導(dǎo)電性，而且不會有傳統(tǒng)上氧侵蝕的問題發(fā)生。
文檔編號H01L21/324GK1434485SQ02102709
公開日2003年8月6日 申請日期2002年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月23日
發(fā)明者蘇俊聯(lián), 王俊淇, 陳銘祥 申請人:旺宏電子股份有限公司