專利名稱：非易失性存儲(chǔ)器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路和它們的制造方法。
VLSI非易失性存儲(chǔ)器和其它高壓集成電路通常應(yīng)用兩層多晶硅，兩層多晶硅之間有一種適當(dāng)?shù)慕^緣層以滿足在經(jīng)受高電場(chǎng)時(shí)僅有很低漏電流的要求，通常，多晶硅層是大約在620℃溫度下用LPCVD法沉積的，而絕緣層可以是在多晶硅1上的熱生長(zhǎng)的氧化物，或者它也可以是氧化物/氮化物/氧化物的復(fù)合薄膜層。
在許多種集成電路結(jié)構(gòu)中，特別是象EPROM和EEPROM這種非易失性存儲(chǔ)器中，多晶硅-多晶硅電容器中多晶硅和絕緣層交界面的平滑度是非常關(guān)鍵的，這是因?yàn)橥ǔ．?dāng)氧化物生長(zhǎng)在多晶硅上時(shí)，多晶硅和絕緣層之間的界面是非常粗糙的，正如所熟知的那樣，這些凹凸不平將導(dǎo)至電場(chǎng)強(qiáng)度增加，因此，為了防止擊穿，絕緣層的厚度必須制造得遠(yuǎn)大于界面是完全平滑時(shí)所需的厚度，現(xiàn)有技術(shù)的研究曾試圖介決這個(gè)問題，即提供一平滑的多晶硅一絕緣層界面，但尚未取得顯著的成功。據(jù)申請(qǐng)人所知的現(xiàn)有技術(shù)中最重要的參考文獻(xiàn)匯總?cè)缦乱怨﹨⒖?.L.Faraone，AnImprovedFabricationProcessforMulti-levelPolysilionStrceture.RCALaboratories(沒有指出日期-顯然這是在內(nèi)部流通而未曾出版的)。
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在IEEE會(huì)刊電子器件分冊(cè)(IEEETransactionsOnElectronDevice)上刊載的Faraone的一篇論文似乎是現(xiàn)有技術(shù)中最有用的論述，這篇論文包含有改善界面平滑度的重要建議，即下部的多晶硅層應(yīng)該是無(wú)定形層面不是多晶硅層，正如現(xiàn)有技術(shù)所熟知的那樣，那就是把沉積的溫度，(例如)從625℃降低到562℃，這樣的沉積層就不再是多晶硅而事實(shí)上是無(wú)定形的，這種無(wú)定形層和多晶體層相比表面要平滑得多，這是因?yàn)樵诙嗑Ч鑼又?，晶粒邊界和晶粒定向差別傾向于產(chǎn)生某些表面的粗糙度。
但是，本發(fā)明的非常關(guān)鍵的論述是在非晶形第一硅層被沉積以后，它不應(yīng)該氧化，而是應(yīng)該沉積一層絕緣層，而這一點(diǎn)是已發(fā)表的現(xiàn)有技術(shù)都沒有包括的。這樣做的理由是氧化過程使表面質(zhì)量降低，其理由不僅僅在熱的方面，氧化過程似乎包括氧沿著晶粒邊界擴(kuò)散的增加，而這晶粒邊界擴(kuò)散本身將產(chǎn)生粗糙度，因此，高質(zhì)量絕緣層的化學(xué)汽相沉積將在比低溫氧化步驟溫度稍低的溫度下進(jìn)行，但生成的界面平滑度得到極大的改善，因?yàn)檠跹刂Я＿吔鐐魉偷男?yīng)基本上被避免了。因此，本發(fā)明與任何現(xiàn)有技術(shù)方法相比能提供一種非常平滑的界面，并且，應(yīng)該指出的是在現(xiàn)有技術(shù)平滑界面的討論中沒有象本發(fā)明那樣提出完整的可制造的方法，現(xiàn)有技術(shù)工藝似乎需要非常精確的溫度控制來(lái)控制低溫氧化步驟中所用的溫度，這樣精確的控制降低了生產(chǎn)能力。因此，本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)的改善了生產(chǎn)能力。
并且，本發(fā)明還進(jìn)一步提出硅層不應(yīng)采用擴(kuò)散摻雜(例如，應(yīng)用POCl3)，而應(yīng)該采用注入摻雜，注入摻雜方法使沉積的硅層進(jìn)一步無(wú)定形化，因此，在較高溫度絕緣層沉積步驟以后，還能有助于使這一層保持較小的晶粒尺寸。
應(yīng)該指出，無(wú)論應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)的氧化工藝或者本發(fā)明的沉積絕緣層的方法，在高溫階段期間總會(huì)出現(xiàn)一些晶粒生長(zhǎng)，本發(fā)明的令人驚奇的結(jié)果是沉積的絕緣層卻保持一種非常平滑的界面，甚至當(dāng)生長(zhǎng)這種晶粒將這種無(wú)定形沉積層轉(zhuǎn)換成多晶層時(shí)也是如此。
在本發(fā)明的一類實(shí)施例中，沉積絕緣層是由氧化物/氮化物組成，并進(jìn)一步熱氧化形成一種氧化物/氮化物/氧化物結(jié)構(gòu)，這種絕緣層對(duì)在熱循環(huán)周期中保持多晶硅1的表面在適當(dāng)?shù)奈恢蒙鲜翘貏e有用的。
也應(yīng)指出，唯一已知對(duì)擴(kuò)散摻雜和離子注入的相關(guān)性的討論出現(xiàn)在Fanaone通信中，后者在Faraone文章中作為參考主獻(xiàn)21被援引，申請(qǐng)人得到了副本，現(xiàn)作為附件供審查官參考。但應(yīng)指出，這篇文章可能尚未發(fā)表，所以，至少在幾個(gè)本專利申請(qǐng)希望取得專利權(quán)的國(guó)家中，按專利法不能作為恰當(dāng)?shù)膮⒖挤秶?br> 因此，本發(fā)明在界面質(zhì)量方面提供了一個(gè)超過現(xiàn)有技術(shù)方法和結(jié)構(gòu)的戲劇性的改進(jìn)結(jié)果，這導(dǎo)致一種電容器(其中下層極板是多晶體，主要是硅)，該電容器在給定的絕緣層厚度下，擊穿電壓改善了(采用大家所接受的質(zhì)量因素來(lái)說)，電容器單位面積的電荷存貯量顯著增加了。
特別是本發(fā)明對(duì)EPROM元件有特殊的優(yōu)點(diǎn)，在浮置柵和控制極之間耦合總是希望盡可能緊密，但是兩層多晶硅之間的絕緣層在所使用的電壓下必須不被擊穿，并且這絕緣層的漏電流必須極低以保持一個(gè)好的存貯壽命。由于本發(fā)明減低了多晶硅和絕緣層之間界面的粗糙度，不僅有利地改善了擊穿電壓，而且也降低了在低于擊穿電壓時(shí)的漏電流。
因此，按本發(fā)明制成的EPROM或者EEPROM單元在控制極和浮置柵的耦合和漏電流方面與現(xiàn)有技術(shù)任何產(chǎn)品相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。
因此，除了在本申請(qǐng)?zhí)岬降钠渌鼛c(diǎn)以外，本發(fā)明至少提供了下列優(yōu)點(diǎn)1.重復(fù)性更好的制造方法。
2.降低了通過層間電容器的漏電流。
3.提高了層間電容器的擊穿電壓。
4.在給定的擊穿電壓下，層間電容器可以具有較高的比電容。
5.可以制造一定密度的浮置柵存儲(chǔ)器晶體管從而使編程較快。
本發(fā)明提供了一種集成電路電容器，它包括含有50%～100%硅原子的第一多晶體導(dǎo)電層、在該導(dǎo)電層上的復(fù)合絕緣層、在絕緣層上的第二導(dǎo)電層和將電壓施加到所說的電容器上的裝置，假如所說的絕緣層是一種具有所說絕緣層的厚度的理想絕緣層，該電壓至少是擊穿所說的絕緣層所需電壓的四分之一。
本發(fā)明還提供了非易失性存儲(chǔ)器單元，它包括一晶體管溝道區(qū)、一位于上面的浮置柵，該浮置柵容性耦合到所說的晶體管溝道區(qū)、一容性耦合到所說浮置柵的控制極，所說的控制極是通過絕緣層容性耦合到所說的浮置柵，該絕緣層垂直于所說界面的最大局部偏差為80
。
本發(fā)明還提供一種非易失性存儲(chǔ)器單元，它包括一晶體管溝道區(qū)、一位于上面的浮置柵，該浮置柵容性耦合到所說的晶體管溝道區(qū)、一容性耦合到所說浮置柵的控制極、所說的控制極通過絕緣層容性耦合到所說的浮置柵。該絕緣層垂直于界面的最大局部厚度偏差為10%。
本發(fā)明還提供了一種非易失性存儲(chǔ)器單元的制造方法，該方法的步驟包括提供半導(dǎo)體襯底、在非易失性存貯器晶體管的預(yù)定位置的上面形成門絕緣體、沉積第一導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層在非易失性存儲(chǔ)器晶體管預(yù)定區(qū)域的上面含有50%～100%的非晶硅(原子)(不是多晶體)、在第一層上沉積絕緣層、在絕緣層上沉積第二導(dǎo)電層和對(duì)所說的第一和第二導(dǎo)電層制作圖形，以便在所說的非易失性存儲(chǔ)器晶體管預(yù)定區(qū)域中，所說的第一導(dǎo)電層形成浮置柵所說的第二導(dǎo)電層形成控制柵。
本發(fā)明還提供一種在集成電路制造中兩個(gè)導(dǎo)電層之間制造電容器的方法，該方法包括沉積含有50%～100%非晶硅(不是多晶體)(原子)的步驟、在所說的第一層上沉積絕緣層和在所說的絕緣層上沉積一種第二導(dǎo)電層。
下面將結(jié)合最佳實(shí)施例的附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的敘述

圖1～3是顯微照片，圖3是按本發(fā)明方法制造的樣品結(jié)構(gòu)的顯微照片，圖1和2是按其它工藝制造的樣品結(jié)構(gòu)顯微照片。
圖4A～4C是按本發(fā)明方法制作樣品的連續(xù)剖面圖。
下面將詳細(xì)討論制造和使用最佳實(shí)施例，應(yīng)該予以理解的是，本發(fā)明提供了可以廣泛應(yīng)用的發(fā)明概念。這些概念可以用于許多場(chǎng)合。這里所述的最佳實(shí)施例僅僅是作為例子說明制造和使用本發(fā)明的方法，本發(fā)明的范圍絕不受這些最佳實(shí)施例的限制。
圖1是批量＃2600/＃3片的剖面明視場(chǎng)透射電子顯微鏡的顯微照片。多晶硅1是在620℃溫度下沉積，用POCl3摻雜(1000℃，8分鐘)和用10%HF去除光滑層(Deglazed)30分鐘，接著是層間絕緣層沉積330
氧化物(底部)+85
氮化物(頂部)，該氮化物在1000℃、水蒸汽和60分鐘條件下部份氧化，再沉積多晶硅2層。
圖2是批量＃2600/＃7片的剖面明視場(chǎng)透射電子顯微鏡的顯微照片。多晶硅1是在620℃溫度下沉積和注入摻雜(P31，50Kev，1.0E16/cm2劑量)，接著是沉積層間絕緣層330
氧化物(底部)+85
氮化物(頂部)，該氮化物在1000℃、水蒸氣和60分鐘條件下部份氧化，然后沉積多晶硅2層。
圖3是批量＃2600/＃19片的剖面明視場(chǎng)透射電子顯微鏡的顯微照片。多晶硅1是在560℃溫度下沉積和注入摻雜的(P31，50Kev，1.0E16/cm2劑量)，接著是沉積層間絕緣層330
氧化物(底部)+85
氮化物(頂部)，該氮化物在1000℃、蒸汽和60分鐘的條件下部份氧化，然后，沉積多晶硅2。
本發(fā)明敘述了一種可以得到非常平滑的多晶硅2/層間絕緣層/多晶硅1的界面，供需要非常薄的絕緣層的VLSI之用。多晶硅1層是在560℃下的無(wú)定形相的沉積，在50-Kev條件下下用P31按大約1.0E16cm-2的劑量注入摻雜，接著用LPCVD沉積(800℃條件下)層間絕緣層330 SiO2(底部)/85
Si3N4(頂部)，下一部是氧化過程(1000℃，蒸氣，60分鐘)，將部份氮化物層轉(zhuǎn)化成一種氧氮化合物以提供由三層組成的絕緣層，在這個(gè)氧化步驟中，打底的多晶硅1層被退火，以使沉積的無(wú)定形相重結(jié)晶，與此同時(shí)仍保持平滑的多晶硅1/沉積氧化物界面，部份氮化物層的熱氧化也能采用較短的時(shí)間(大約30分鐘)，條件是水蒸汽中和1000℃，或者采用高壓氧化(例如，850℃、10大氣壓的水蒸汽，大約27分鐘)，以減小摻雜劑物種在下層硅單晶中過度的橫向移動(dòng)(如來(lái)自掩藏?cái)U(kuò)散的砷)。
緊接在層間絕緣層制造之后的是在620℃下沉積第二多晶硅層，并在950℃下?lián)饺隤OCl3-雜質(zhì)約20分鐘，用10%HF去除光滑層(30秒)，然后，其余的器件制作過程按常規(guī)方法完成。
茲將用本發(fā)明作實(shí)施例樣品的方法與RCA的Faraone等人的方法比較如下方法步驟本發(fā)明(TI)方法RCA方法多晶硅1的沉積 560℃，3000 560℃，7500 多晶硅2的摻雜P31離子注入P31離子注入(50Kev，(120Kev，1E13cm) 1E16cm-2)熱氧化 - 850℃，水蒸汽，750 LPCVD氧化物沉積 800℃，330 (變化) -LPCVD氮化物沉積 800℃，85 (變化) -退火1000℃，水蒸汽-(30-60分鐘)(或者高壓蒸汽氧化，850℃10大氣壓)多晶硅2沉積620℃，4500A560℃？多晶硅2摻雜 POC1，950℃20分鐘 POCl3，950℃？上面兩種方法的一個(gè)關(guān)鍵性的差別是本發(fā)明采用LPCVD方法將層間絕緣層沉積到無(wú)定形的n-多晶硅1的頂部，和然后在1000℃溫度下將它退火，以使它重結(jié)晶，而RCA是在無(wú)定形的n-多晶硅1上生長(zhǎng)一種熱氧化絕緣層。本發(fā)明的層間絕緣層的沉積提供了一種比Faraone文章提出的方法更易于制造和重復(fù)的方法，因?yàn)闊嵫趸L(zhǎng)薄的氧化物很難控制。
本發(fā)明公開的方法不僅能用于EPROM和EEPROM，也能用于其它很多高壓集成電路，包括控制器、模擬部份等。
按本發(fā)明方法生產(chǎn)的多晶硅2/層間絕緣層/多晶硅2界面能夠在高分辨力橫截面透射電子顯微鏡(TEM)中看到，結(jié)果見圖3。作為比較，圖1和圖2示出了其它方法的結(jié)果，從這些圖可以清楚地看出，按本發(fā)明提供的多晶硅2/層間絕緣層/多晶硅1界面是非常平滑，遠(yuǎn)比現(xiàn)有技術(shù)方法提供的平滑。如這些顯微照片所示，F(xiàn)araone的IEEE Electron Dev，文章的論述(圖9、10)中似乎對(duì)620℃的多晶硅有300～500A的界面粗糙度(在多晶硅1/絕緣層界面上)，而應(yīng)用560℃無(wú)定形硅的情況中，界面粗糙度為120-220
，相比之下圖3的顯微照片表明，應(yīng)用本發(fā)明的界面粗糙度是非常小的一偏差肯定小于55
，更象是10
。
圖4A～4C示出了按本發(fā)明制造EPROM單元樣品的步驟?；?0(最好是一種P在P上的外延結(jié)構(gòu))具n-位線(bitline)擴(kuò)散12，后者被自對(duì)準(zhǔn)的厚的氧化物(SATO)區(qū)14所復(fù)蓋，一薄的氧化物16在常規(guī)(bitline)氧化物14之間的空間中生長(zhǎng)以提供FAMOS晶體管的門氧化物，接著沉積形成多晶硅1層18的硅，但這層不是(在這時(shí)候)多晶體，而是無(wú)定形的。對(duì)這層摻入雜質(zhì)以達(dá)到希望的導(dǎo)電率，然后用常規(guī)技術(shù)制作圖形和蝕刻，以得到圖4所示的結(jié)構(gòu)。
接著，如圖4B所示沉積一層多層結(jié)構(gòu)的絕緣層20，這絕緣層20最好是一種多層結(jié)構(gòu)，它的頂層最好用短時(shí)間的高溫氧化步驟方法轉(zhuǎn)換成復(fù)合絕緣層，這就將得到一種上面提到過的氧化物/氮化物/氧化物的三明治結(jié)構(gòu)。但是，也能應(yīng)用很多其它的絕緣層結(jié)構(gòu)(單層或多層，復(fù)合料或比較簡(jiǎn)單的組分)，只要非晶形硅層18沒有完全氧化就行。對(duì)一種先進(jìn)的EPROM單元來(lái)說，擴(kuò)散區(qū)12之間的間距約為1微米，所用的絕緣層厚度最好是(如上面所述)約400
等價(jià)氧化物厚度，當(dāng)然也能應(yīng)用其它厚度(最好是較小)。
在絕緣層20就位以后，對(duì)該結(jié)構(gòu)最好進(jìn)行一次高溫退火以允許硅層18重結(jié)晶和降低它的電阻率。這一步驟以后，層18將是多晶體(雖然它最初是無(wú)定形的)，絕緣層20現(xiàn)在最好從周邊上剝落并生長(zhǎng)用于周邊器件的門氧化物。接著進(jìn)行多晶硅2層22的沉積多晶硅2層最好用擴(kuò)散法摻雜，然后制作圖形和蝕刻[應(yīng)用分層蝕刻，它將連續(xù)地蝕刻多晶硅2、絕緣層20、多晶硅1層18(這是EPROM制造技術(shù)中熟知的)]，然后，用常規(guī)的工藝步驟進(jìn)行沉積層間絕緣層、接觸蝕刻、金屬蝕刻、保護(hù)外層沉積等。
當(dāng)然，多晶硅2層不一定是硅，它可以是一種金屬或一種多層結(jié)構(gòu)。硅化物和多晶硅/硅化物三明治結(jié)構(gòu)也是可以用的。本發(fā)明還包括在目前的工藝步驟中用多晶硅的位置，采用具有類似沉積和電氣特性的將來(lái)的三明治結(jié)構(gòu)。此外，多晶硅1層也可以包括某些其它物質(zhì)的混合物，只要該層在沉積時(shí)是無(wú)定形的并含有一個(gè)大的硅百分率。
因此，本發(fā)明提供了非常關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)，即層18和20，層20和22之間的界面非常干滑，比現(xiàn)有技術(shù)中的界面平滑得多，同時(shí)沒有增加工藝的復(fù)雜性。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，本發(fā)明可以在寬的范圍改進(jìn)和變化，除以下權(quán)利要求書規(guī)定外，它的范圍不被限制。
權(quán)利要求
1.一種非易失性存儲(chǔ)器單元，包括a，一晶體管溝道區(qū)；b，一疊加在所述晶體管溝道區(qū)上并與該晶體管溝道區(qū)容性耦合的浮置柵；c，一容性耦合到所說浮置柵的控制極，所說的控制極通過一絕緣層容性耦合到所說的浮置柵，該絕緣層的垂直于所說界面的最大局部偏差是所說的絕緣層厚度的10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述的存儲(chǔ)器單元，其特征在于所說的絕緣層的垂直于所說界面的最大局部偏差是80
。
3.一種制造非易失性存儲(chǔ)器單元的方法，包括下列各步(a)提供一種半導(dǎo)體襯底;(b)在非易失性存儲(chǔ)器晶體管預(yù)定的位置上，形成門絕緣體;(c)沉積第一絕緣層，該絕緣層包括在所說的非易失性存儲(chǔ)器晶體管的預(yù)定位置上的50%～100%的非晶硅原子(不是多晶體);(d)在所說的第一層上沉積一層絕緣層;(e)在所說的絕緣層上沉積第二導(dǎo)電層;(f)在所說的非易失性存儲(chǔ)器晶體管的預(yù)定位置上，對(duì)所說的第一和第二導(dǎo)電層制作圖形，使所說的第一導(dǎo)電層形成一種浮置柵，所說的第二導(dǎo)電層形成一種控制極。
全文摘要
一種得到非常平滑的多晶硅1層/層間絕緣層/多晶硅2層的界面，本質(zhì)上，多晶硅1層18是無(wú)定形相的LPCVD的沉積層和用注入摻雜的，這以后沉積一種適當(dāng)?shù)慕^緣層20，接著多晶硅1層18在約1000℃溫度下重結(jié)晶，然后，用LPCVD沉積多晶硅2層和在950℃溫度下?lián)饺隤OCl
文檔編號(hào)H01L29/788GK1043408SQ89108268
公開日1990年6月27日 申請(qǐng)日期1989年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1986年4月1日
發(fā)明者凱利帕特納姆·維維克·羅, 吉姆斯·L·佩塔森 申請(qǐng)人:得克薩斯儀器公司