專利名稱：在快閃存儲器件中形成隧道絕緣層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般性涉及在快閃存儲器件中形成隧道絕緣層的方法，更具體 地涉及能夠改善漏電流和擊穿電壓特性的在快閃存儲器件中形成隧道絕 緣層的方法。
背景技術(shù)：
快閃存儲器件是在斷電情況下在存儲單元中保持所存儲數(shù)據(jù)的非易失 性存儲器件，并能夠在快閃存儲器件安裝于電路板的狀態(tài)下高速進(jìn)行電擦 除功能。由于有助于高度集成的結(jié)構(gòu)，快閃存儲器件已經(jīng)成為許多研究的 主題。通過在半導(dǎo)體襯底的有源區(qū)域上依次地層疊隧道氧化物層、浮置柵 極、介電層和控制柵極，形成快閃存儲器件的單位單元。與常規(guī)晶體管中 的柵極氧化物層不同，隨道氧化物層本身作為數(shù)據(jù)通過其傳輸?shù)耐ǖ溃灰?此需要隧道氧化物層具有極好的薄膜特性。
在NAND快閃存儲器中，由于以Fowler-Nordhdm (F-N)隧穿法實 施全部編程操作和擦除操作，所以如果編程操作和擦除操作重復(fù)多次，則 隨道氧化物層劣化，從而使得快閃存儲器件無法完全地實施其功能。因此， 隧道氧化物層盡可能地薄以提高編程速度，同時氮注入到薄層中以防止薄 膜特性劣化。通常，已經(jīng)利用了改善薄膜特性的方法。該方法包括實施 氧化過程以生長純氧化物層，隨后利用N20氣體或者NO氣體實施退火過 程，以在隨道氧化物層和半導(dǎo),底之間的界面上以2原子％至3原子％ 的濃度分布氮。
然而，通it^厚度剛已減小的隨道氧化物層上以2原子％至3原子％ 的濃度分布氮，難以令人滿意地確保擊穿電壓特性或漏電流特性。此外， 在PMOS晶體管中，柵極絕緣層的特性因硼的穿透而劣化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供在快閃存儲器件中形成隨道絕緣層的方法，包括實施氮 化處理以形成隧道絕緣層，和形成氮累積層。
根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的在快閃存儲器件中形成隨道絕緣層的方法 包括在半導(dǎo)體襯底上形成氧化物層，將氧化物層的表面形成為含氮層， 和在半導(dǎo)體襯底與氧化物層之間限定的界面上形成氮累積層。
優(yōu)選通過自由基氧化過程形成氧化物層。優(yōu)選在氧氣(02)、氫氣(HJ 和氬氣(Ar)的氣氛下和在80(TC 950。C的溫度下進(jìn)行自由基氧化過程。
含氮絕緣層優(yōu)選包括氧氮化硅(SiON)層。優(yōu)選通過等離子體氮化處 理過程形成含氮絕緣層。在形成氮累積層之后，含氮絕緣層優(yōu)選具有5原 子％至30原子％的氮濃度。
優(yōu)選在氫氣(H2)和氬氣(Ar)的氣氛下、在3Pa 10Pa的壓力下、 在150W 200W的功率下和在800。C 900。C的溫度下，實施等離子體氮 化處理過程。
優(yōu)選通過退火過程，更優(yōu)選利用一氧化二氮(N20)氣體，形成氮累 積層。優(yōu)選在預(yù)活化室(PAC )中，在常壓(即大氣壓)和卯0。C ~ 1100。C 的溫度下，實施該退火過程。在等離子體氮化處理過程之后，優(yōu)選以異位 方式實施退火過程。


通過參考以下詳述并結(jié)合附圖進(jìn)行考慮時，本發(fā)明的上t良其他特征 和優(yōu)點將容易地變得明顯，其中
圖1A至圖1C是說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的在快閃存儲器件中形 成隨道絕緣層的方法的截面圖；和
圖2是顯示氮濃度隨著本發(fā)明一個實施方案的隨道絕緣層的深度變化 而變化的SIMS (次級離子質(zhì)譜)圖。
具體實施例方式
參考附圖更詳細(xì)地說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
圖1A至圖1C是用于說明根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的在快閃存儲器件 中形成隧道絕緣層的方法的截面圖，圖2是顯示氮濃度隨著本發(fā)明一個實 施方案的隧道絕緣層的深度變化而變化的SIMS (次級離子質(zhì)譜)圖。
參考圖1A， ll供其上形成有阱區(qū)域(未顯示)的半導(dǎo)M底10。阱 區(qū)域優(yōu)選形成為三重結(jié)構(gòu)。為了形成具有三重結(jié)構(gòu)的阱區(qū)域，在半導(dǎo)體襯 底10上形成遮蔽氧化物層(未顯示)，然后實施阱離子注入過程和閾值電 壓離子注入過程。
移除遮蔽氧化物層之后，優(yōu)選在半導(dǎo)體襯底IO (其上形成有阱區(qū)域) 上形成氧化物層以形成隨道絕緣層之前，還實施清潔過程。優(yōu)選通過使用 HF溶液和標(biāo)準(zhǔn)清潔-1 (standard cleaning-l) ( SC-1)溶液實施清潔過程， 以移除固有的氧化物層和雜質(zhì)。
隨后，在移除遮蔽氧化物層之后，在其上形成有阱區(qū)域的半導(dǎo)體 襯底 10上形成氧化物層12。優(yōu)選通過自由基氧化過程形成氧化物層。在這種情 況下，高度優(yōu)選在02氣體、H2氣體和氬氣(Ar)的氣氛下和在800'C ~ 950。C的溫度下實施自由基氧化過程。結(jié)果，形成純二氧化硅(Si02)層作 為氧化物層12。氧化物層12優(yōu)選具有60A至80A的厚度。
在所述的通過自由基氧化過程形成氧化物層12的情況下，能夠獲得更 緊密的層，以防止隧道絕緣層的品質(zhì)在后續(xù)的在高溫下實施的過程中劣 化。
參考圖1B，使氧化物層12的表面氮化。實施氮化處理過程，例如說 明性的等離子體氮化處理。在這種情況下，與常規(guī)氮化處理過斜目比，為 了更有效地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，優(yōu)選在800。C 卯0。C的高溫下實施等離子體氮 化處理過程。此外，優(yōu)選在氬氣(Ar)和氮氣(N2)的氣體氣氛中、在3Pa 至10Pa的壓力下和在150W至200W的功率下，實施等離子體氮化處理 過程。
通過如上所述的等離子體氮化處理過程，氧化物層12表面上的硅-氧 (Si-O)組合中的氧被氮取代，所以在氧化物層12的表面上形成含氮絕緣 層12a。結(jié)果，在氧化物層12的表面上形成一個氮峰。優(yōu)選形成氮化物層作為上述含氮絕緣層12a,所述氮化物層優(yōu)選為氮 化硅(Si3N4)層和氧氮化硅(SiON)層中的至少一種。在本發(fā)明的一個 優(yōu)選實施方案中，主要通過等離子體氮化處理過程形成高氮含量的氧氮化 硅(SiON)層。結(jié)果，氧氮化硅(SiON)層可防止硼穿透l之后形成 的隨道絕緣層，以改善隨道絕緣層的擊穿電壓特性或者漏電流特征。
與在500'C或更低的低溫下實施的常規(guī)等離子體氮化處理過程相比， 在800。C或更高的高溫下實施的等離子體氮化處理過程中更容易發(fā)生化學(xué) 反應(yīng)。因此，與在低溫下實施的等離子體氮化處理過程相比，在高溫下實 施的等離子體氮化處理過程可顯著地減少俘獲位點(trap site)。結(jié)果，能 夠顯著改4^后形成的暖道絕緣層的擊穿電壓特性或者漏電流特征。
同時，由于氧化物層12的表面在氮化處理過程期間發(fā)生反應(yīng)以形成含 氮絕緣層12a,所以與之前階段中形成的氧化物層的厚度相比，氧化物層 12的厚度減小。
參考圖1C，實施用于在半導(dǎo)體村底10與氧化物層12之間限定的界面 上累積氮的過程。優(yōu)選此時實施退火過程，更優(yōu)選利用一氧化二氮(1\20)， 作為用于累積氮的過程，并且用于累積氮的過程優(yōu)選在形成含氮絕緣層 12a之后以異位方式實施。在這種情況下，優(yōu)選在一氧化二氮氣體的氣氛 下、在常壓(即大氣壓)下和在900。C 1100。C的溫度下，實施NzO退火 過程。而且，優(yōu)選在預(yù)活化室(PAC)中實施N20退火過程，以促進(jìn)一氧 化二氮(N20)氣體的分解。
結(jié)果，在半導(dǎo)體村底10和氧化物層12之間的界面上形成注入氮的氮 累積層12b。借助于氮累積層，在半導(dǎo)M底10和氧化物層12之間的界 面上形成另一個氮單峰。由于上述氮累積層12b，可減小在半導(dǎo)體襯底10 和氧化物層12之間的界面上不可M地產(chǎn)生的界面俘獲電荷的密度，因此 可改善應(yīng)力誘導(dǎo)的漏電流(SILC )和電流-電壓(C-V)特性，以提高以后 形成的隨道絕緣層的循環(huán)特性和保留特性。
特別地，在本發(fā)明的一個實施方案中，在N20退火過程之后，包含于 含氮絕緣層12a中的氮的濃度調(diào)節(jié)為5原子％至30原子％，使得以后形成 的隨道絕緣層的擊穿電壓特性得以改善、和使得隨道絕緣層中的漏電流減 小以改善漏電流特性。
通常，當(dāng)在等離子體氮化處理過程之后實施N20退火過程時，在氧化物層12的表面上形成的含氮絕緣層12a中包含的氮的濃度減小了 40% ~ 50%。因此，為了在N20退火過程之后，獲得具有期望濃度的包含于含氮 絕緣層12a中的氮，應(yīng)該調(diào)整N20退火過程的條件，同時應(yīng)該調(diào)節(jié)等離子 體氮化處理過程中使用的氮的濃度。
同時，與形成含氮絕緣層12a之后的氧化物層相比，氧化物層12的厚 度優(yōu)選因N20退火過程而增加了約IOA至20A。然而，優(yōu)選應(yīng)該適當(dāng)?shù)乜?制N20退火過程的工藝務(wù)降，以將N20退火過程之后氧化物層12的厚度 增量限制為lA或更小。此外，含氮絕緣層12b的厚度可因N20退火過程 而部分增加。
通常，由于氧化物層12的表面損傷和所結(jié)合氮的不穩(wěn)定性，難以利用 氮峰的優(yōu)點，所以在氮化處理過程之后實施后續(xù)的氧(02)退火過程。然 而，在本發(fā)明的說明性實施方案中，由于在氮化處理過程之后實施&0退 火過程，所以在氮化處理之后省略氧(02)退火過程，以減少過程數(shù)目和 氮的損失，并促進(jìn)含氮絕緣層12a的密實化，從而防止以后形成的I^il絕 緣層的閾值電壓偏移特性和變量特性劣化。
最后，通過在形成氧化物層12之后依次實施的等離子體氮化處理過程 (在高溫下實施的)和N20退火過程，形成了暖道絕緣層14,隧道絕緣 層14是由氮累積層12b、氧化物層12和含氮絕緣層12a組成的堆疊層。
根據(jù)本發(fā)明上述實施方案，通過在800'C或更高的高溫下實施的等離 子體氮化處理過程，俘獲位點顯著減少，并形成暖道絕緣層14，隨道絕緣 層14包括說明性地包括高氮含量的氧氮化硅(SiON)層、或者由高氮含 量的氧氮化硅(SiON)層組成的含氮絕緣層12a，因此能夠抑制硼穿透進(jìn) 入隨道絕緣層14,以改善隧道絕緣層的漏電流特性和擊穿電壓特性。
通常，氮化物層例如氮化硅(Si3N4)層和氧氮化硅(SiON)層的介電 率為約7，而二氧化硅(Si02)層的介電率為約3.9。因此，在隧道絕緣層 14包括含氮絕緣層12a并且含氮絕緣層12a包括氧氮化硅(SiON)層或 者由氧氮化硅(SiON)層組成的情況下，通過減小隨道絕緣層14的等效 氧化物厚度(EOT)， 1^ii絕緣層14的物理厚度可增加，以改善循環(huán)和保 留特性。
參考圖2，在實施N20退火過程之前，根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的如 圖1A、 1B和1C所示的隨道絕緣層14具有因在等離子體氮化處理過程期間獲得的含氮絕緣層12a而在其表面上形成的一個氮峰(圖2中以"A"表 示)。在N20退火過程完成后，隨道絕緣層14具有兩個氮峰，所述兩個氮 峰由因含氮絕緣層12a而在隧道絕緣層14的表面上形成的氮濃度小于氮峰 "A，，的一個氮峰(圖2中以"B"表示)，和因N20退火過程期間得到的氮累 積層12b而在半導(dǎo)體襯底10和隧道絕緣層14之間的界面上形成的另一個 氮峰(圖2中以"C"表示)組成。此時，可證實最終的隨道絕緣層14表面 上的氮峰B的氮濃度維持為7原子％或更高。
因此，盡管根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案的隧道絕緣層14具有兩個氮 峰，隧道絕緣層14表面的氮濃度說明性地維持為5原子％或更高，但是隧 道絕緣層包括由具有高氮含量的氧氮化硅(SiON)層形成的含氮絕緣層 12a并通過上述含氮絕緣層而密實化。因此，本發(fā)明可改善擊穿電壓特性、 漏電流特性、循環(huán)特性、保留特性、閾值電壓偏移特性、和變量特性，以 改善器件可靠性。
雖然附圖中未顯示，但是在形成隨道絕緣層14之后，優(yōu)選形成多晶硅 層用于形成浮置*&極，然后實施后續(xù)過程以完成制造半導(dǎo)體器件的過程。
本發(fā)明具有以下效果。
第一，通過氮化處理過程，優(yōu)選通過等離子體氮化處理過程，更優(yōu)選 在800"或更高的高溫下實施來形成隧道絕緣層，可顯著地減少俘獲位點， 并且通過形成氧氮化硅(SiON)層抑制了硼的穿透，因此改善了擊穿電壓 特性和漏電流特性。
第二，通過應(yīng)用等離子體氮化處理過程，隨道絕緣層的等效氧化物厚 度(EOT)減小，并且由于EOT減小，暖道絕緣層的物理厚度可增加。 因此，可改善循環(huán)和保留特性。
第三,在等離子體氮化處理過程之后，實施用于形成隨道絕緣層的N20 退火過程，而不是實施在應(yīng)用常規(guī)等離子體氮化處理過程時進(jìn)行的后續(xù) 02退火過程。因此，過程數(shù)目減小，促進(jìn)了氧化物層表面上的含氮絕緣層 的密實化和氮損失，以防止閾值電壓偏移特性和變量特性劣化。
雖然已經(jīng)參考大量說明性實施方案描述了一些實施方案，但是應(yīng)理解 本領(lǐng)域技術(shù)人員可設(shè)計4艮多的其它改變和實施方案，這些也將落入4^&開 的原理的精神和范圍內(nèi)。更具體地，在公開、附圖和所附權(quán)利要求的范圍
內(nèi)，在本發(fā)明主J^a合布置的構(gòu)件和/或布置中能夠具有變化和改變。除構(gòu)件和/或布置的變化和改變之外，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可替代的用途也 是明顯的。
權(quán)利要求
1.一種在快閃存儲器件中形成隧道絕緣層的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成氧化物層；將所述氧化物層的表面形成為含氮層；和在所述半導(dǎo)體襯底與所述氧化物層之間限定的界面上形成氮累積層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括通過自由基氧化過程形成所述氧化物層。
3. 才艮據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括在800°C ~ 950'C的溫度下進(jìn)行所述自由基氧化過程。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括在氧氣(02)、氫氣(H2)和氬氣(Ar)的氣氛下實施所述自由基氧化過程。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括通過等離子體氮化處理過程形成所述含氮絕緣層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，包括在氫氣(H2)和氬氣(Ar)的氣氛下實施所述等離子體氮化處理過程。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，包括在800'C 卯0。C的溫度下實施所述等離子體氮化處理過程。
8. 才艮據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，包括在3Pa至10Pa的壓力下和在150W至200W的功率下實施所述等離子體氮化處理過程。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含氮絕緣層包括氧氮化硅(SiON)層。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括通過利用一氧化二氮(N20)氣體的退火過程形成所述氮累積層。
11. 棉*據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括在大氣壓力下和在卯0。C 1100。C的溫度下實施所述退火過程。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括在預(yù)活化室(PAC )中實施所述退火過程。
13. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，包括在形成所述含氮絕緣層之后，以異位方式實施所述退火過程。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在形成所述氮累積層之后，所述含氮絕緣層的氮濃度為5原子％至30原子％。
全文摘要
在快閃存儲器件中形成隧道絕緣層的方法，包括在半導(dǎo)體襯底上形成氧化物層，將氧化物層的表面形成為含氮層，和在半導(dǎo)體襯底與氧化物層之間限定的界面上形成氮累積層。
文檔編號H01L21/31GK101640176SQ200910140308
公開日2010年2月3日 申請日期2009年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者丁祐日, 李尚洙, 申承祐, 金在文 申請人:海力士半導(dǎo)體有限公司