氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法

摘要

一种氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法。所述氧-氮-氧叠层结构制造方法包括：在衬底上形成第一氧化层；采用氨气和二氯硅烷在第一氧化层上形成第一氮化层，氨气和二氯硅烷的流量比为大于或等于5∶1，小于10∶1；对所述第一氮化层进行氧化处理，使第一氮化层部分氧化形成第一氮氧化层；在所述第一氮氧化层上形成第二氧化层；对所形成的叠层结构退火，退火的温度大于800℃，小于或等于1050℃，退火时间大于或等于60分钟。所述氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法提高了器件的可靠性。

权利要求

1.一种氧-氮-氧叠层结构制造方法，其特征在于，包括：在衬底上形成第一氧化层；

采用氨气和二氯硅烷在第一氧化层上形成第一氮化层，氨气和二氯硅烷的流量比为大于或等于5∶1，小于10∶1；

对所述第一氮化层进行氧化处理，使第一氮化层部分氧化形成第一氮氧化层；

在所述第一氮氧化层上形成第二氧化层；

对所形成的叠层结构退火，退火的温度大于800℃，小于或等于1050℃，退火时间大于或等于60分钟；

对所述第一氮化层进行氧化处理，使第一氮化层部分氧化形成第一氮氧化层，包括：对第一氮化层进行氧化，在所述第一氮化层表面形成氧化层，并使得第一氮化层部分氧化形成第一氮氧化层；

去除第一氮氧化层表面的氧化层。

2.如权利要求1所述的氧-氮-氧叠层结构制造方法，其特征在于，氨气和二氯硅烷的流量比为5∶1。

3.如权利要求2所述的氧-氮-氧叠层结构制造方法，其特征在于，形成第一氮化层的温度为650℃。

4.如权利要求1所述的氧-氮-氧叠层结构制造方法，其特征在于，退火的温度为

1050℃，退火的时间为60分钟。

5.如权利要求1所述的氧-氮-氧叠层结构制造方法，其特征在于，形成第一氧化层采用热氧化方法，温度为850℃。

6.如权利要求1所述的氧-氮-氧叠层结构制造方法，其特征在于，对所述第一氮化层进行氧化处理的温度为1050℃，时间为45分钟。

7.如权利要求1所述的氧-氮-氧叠层结构制造方法，其特征在于，形成第二氧化层采用热氧化方法，温度为780℃。

8.如权利要求1所述的氧-氮-氧叠层结构制造方法，其特征在于，第二氧化层的厚度为

9.一种包括权利要求1至8任一项所述的氧-氮-氧叠层结构的制造方法的栅极制造方法。

说明书

氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体制造领域，特别涉及氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法。

背景技术

[0002] 在半导体存储器的制造工艺中，其存储单元的栅极常采用含氧-氮-氧(ONO)层的结构。图1所示为现有的一种存储单元的结构示意图。参照图1所示，所述存储单元包括：衬底10；衬底10上的ONO层60；ONO层60上的控制栅71；ONO层60及控制栅71两侧的间隙壁81、82。其中，所述ONO层60为叠层结构，所述叠层结构中各层材料从下至上通常采用氧化硅、氮化硅、氧化硅。

[0003] 例如图1所示的存储单元，其ONO层的制造工艺通常如下：在衬底上首先形成氧化硅层；在所形成的氧化硅上形成氮化硅层；在所形成的氮化硅层上形成氧化硅层；依次蚀刻所形成的氧化硅、氮化硅及氧化硅形成ONO叠层结构。例如美国专利US6395654就公开了一种闪存器件中栅极的制造方法，其中也提供了制造ONO层的相关工艺方法。

[0004] 由于存储单元的栅极对半导体存储器的读写性能有着重要的影响，因而存储单元的栅极制造工艺，就成为了制造半导体存储器过程中需要密切关注的一段工艺。目前在可靠性测试中的数据保持力测试(Data Retention Test)中发现，半导体存储器的电荷损失情况较严重，有的半导体存储器的电荷损失程度可达到1.3V。另外，半导体存储器的阈值电压在数据保持力测试中还会发生漂移。此外，在周期耐久性测试(Endurance Cycling Test)还发现，擦除数据所需的电压也随着重复次数的增加而越来越高，最高可达到7.1V。

[0005] 以上可靠性测试结果都反映了现有的半导体存储器的可靠性还有待进一步提高。因此，需要进一步改进半导体存储器，特别是栅极的制造工艺。

发明内容

[0006] 本发明解决的是现有技术半导体存储器的可靠性有待提高的问题。

[0007] 为解决上述问题，本发明提供一种氧-氮-氧叠层结构制造方法，包括：

[0008] 在衬底上形成第一氧化层；

[0009] 采用氨气和二氯硅烷在第一氧化层上形成第一氮化层，氨气和二氯硅烷的流量比为大于或等于5∶1，小于10∶1；

[0010] 对所述第一氮化层进行氧化处理，使第一氮化层部分氧化形成第一氮氧化层；

[0011] 在所述第一氮氧化层上形成第二氧化层；

[0012] 对所形成的叠层结构退火，退火的温度大于800℃，小于或等于1050℃，退火时间大于或等于60分钟。

[0013] 相应地，本发明还提供一种栅极制造方法，包括在衬底上形成氧-氮-氧叠层结构，其包括：

[0014] 在衬底上形成第一氧化层；

[0015] 采用氨气和二氯硅烷在第一氧化层上形成第一氮化层，氨气和二氯硅烷的流量比为大于或等于5∶1，小于10∶1；

[0016] 对所述第一氮化层进行氧化处理，使第一氮化层部分氧化形成第一氮氧化层；

[0017] 在所述第一氮氧化层上形成第二氧化层；

[0018] 对所形成的叠层结构退火，退火的温度大于800℃，小于或等于1050℃，退火时间大于或等于60分钟。

[0019] 与现有技术相比，上述氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法具有以下优点：通过较高温度及较长时间的退火，增加了等效氧化物厚度，减少了电荷损失，并提高了阈值电压。

[0020] 通过采用限定流量比的氨气和二氯硅烷形成第一氮化层，使得后续形成的第一氮氧化层存储电荷的稳定性提高。

附图说明

[0021] 图1是现有的一种存储单元的结构示意图；

[0022] 图2是本发明氧-氮-氧叠层结构的制造方法的一种实施方式流程图；

[0023] 图3a至3f是本发明栅极制造过程的实例示意图；

[0024] 图4是现有半导体存储器和本发明实例制造的存储器阈值电压漂移比对图；

[0025] 图5是现有半导体存储器和本发明实例制造的存储器电荷损失比对图。

具体实施方式

[0026] 通过对现有氧-氮-氧叠层结构的制造工艺的研究发现，在形成氧-氮-氧叠层结构后的退火步骤中，若退火温度较低，退火时间较短，将使得所述叠层结构的厚度较薄，或者说等效氧化物厚度(EOT，Equivalent Oxide Thickness)较薄(此处等效氧化物厚度可用氧-氮-氧叠层结构的厚度表征)。而等效氧化物厚度较薄，将使得栅极漏电增加，从而导致电荷损失。

[0027] 另一方面，由于氧-氮-氧叠层结构中的氮化层/氮氧化层起着存储电荷的作用，其存储电荷的稳定性若较低，也将导致电荷损失。

[0028] 基于此，本发明氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法，通过提高等效氧化物厚度以及氮化层/氮氧化层存储电荷的稳定性来提高半导体存储器的可靠性。

[0029] 参照图2所示，根据本发明氧-氮-氧叠层结构制造方法的一种实施方式，其包括：

[0030] 步骤s1，在衬底上形成第一氧化层；

[0031] 步骤s2，采用氨气和二氯硅烷在第一氧化层上形成第一氮化层，氨气和二氯硅烷的流量比为大于或等于5∶1，小于10∶1；

[0032] 步骤s3，对所述第一氮化层进行氧化处理，使第一氮化层部分氧化形成第一氮氧化层；

[0033] 步骤s4，在所述第一氮氧化层上形成第二氧化层；

[0034] 步骤s5，对所形成的叠层结构退火，退火的温度大于800℃，小于或等于1050℃，退火时间大于或等于60分钟。

[0035] 以上实施方式中，在形成第一氮化层时限定氨气和二氯硅烷的流量比为大于5∶1，小于10∶1，应用该流量比制备获得的氮化层更致密，从而可以提高后续形成的第一氮氧化层存储电荷的稳定性。

[0036] 在形成叠层结构后的退火中采用较高温度以及较长的退火时间，可以使得氧-氮-氧叠层结构中的第二氧化层的厚度增加，从而氧-氮-氧叠层结构的厚度增加，则等效氧化物厚度也增加，减少了栅极漏电，从而减少电荷损失。

[0037] 此外，当退火温度大于800℃时，会使得功函数变化趋势改变，这一趋势改变会使得阈值电压升高，也能改善电荷损失的情况。

[0038] 相应地，根据本发明栅极制造方法的一种实施方式，其包括在衬底上形成氧-氮-氧叠层结构，所述氧-氮-氧叠层结构制造方法如上述氧-氮-氧叠层结构制造方法的实施方式所述。

[0039] 以下通过一个具体的栅极制造过程实例对上述氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法作进一步说明。

[0040] 结合图2和图3a所示，在衬底20上形成第一氧化层21。所述形成第一氧化层21的方法可以采用热氧化法。例如，将衬底20置于含氧氛围中并加热至850℃，使得衬底20表面的硅氧化形成厚度为 的氧化硅。此处形成氧化硅的加热温度及形成的厚度仅为举例，实际可根据具体的工艺需求确定相应值。

[0041] 结合图2和图3b所示，在第一氧化层21上形成第一氮化层22。所述形成第一氮化层22采用化学气相沉积的方法，采用氨气和二氯硅烷作为制备气体，氨气和二氯硅烷的流量比为大于或等于5∶1，小于10∶1。例如，采用氨气和二氯硅烷的流量比为5∶1，在温度为650℃的条件下，在所形成的氧化硅上形成厚度为 的氮化硅。此处形成氮化硅的温度及形成的厚度仅为举例，实际可根据具体的工艺需求确定相应值。

[0042] 结合图2和图3c所示，将已形成有第一氧化层21和第一氮化层22的衬底20，再次置于含氧氛围中氧化，使第一氮化层22部分氧化形成第一氮氧化层23。例如，将所述衬底20置于含氧氛围中，并加热至1050℃，进行高温氧化，在第一氮化层22表面形成例如厚度为 或 的氧化层。高温氧化的时间可以为45分钟。在高温氧化的过程中，氮化硅表面部分氧化形成氮氧化硅。此处形成氮化硅的温度仅为举例，实际可根据具体的工艺需求确定相应值。在形成氮氧化硅后，将氮氧化硅表面的氧化层去除。

[0043] 结合图2和图3d所示，在所述第一氮氧化层23上形成第二氧化层24。所述形成第一氧化层21的方法可以采用热氧化法。例如，将已形成有第一氧化层21、第一氮化层22、第一氮氧化层23的衬底20置于含氧氛围中并加热至780℃，在第一氮氧化层23上形成厚度为 的氧化硅。此处形成氧化硅的加热温度及形成的厚度仅为举例，实际可根据具体的工艺需求确定相应值。

[0044] 接下来，对所形成的叠层结构退火，退火的温度大于800℃，小于或等于1050℃，退火时间大于或等于60分钟。例如，退火温度可以为1050℃，退火时间为60分钟。

[0045] 参照图3e所示，依次蚀刻第二氧化层24、第一氮氧化层23、第一氮化层22及第一氧化层21，形成ONO叠层结构。

[0046] 参照图3f所示，在所述ONO叠层结构上形成控制栅25。所述控制栅25的材料可以为多晶硅，可以采用化学气相沉积的方法形成。

[0047] 至此，本例栅极制造完成，其包括衬底20上的ONO叠层结构及所述ONO叠层结构上的控制栅25，其中，所述ONO叠层结构从下至上依次包括第一氧化层21、第一氮化层22、第一氮氧化层23及第二氧化层24。

[0048] 图4为将包含上述本发明实施例方法制造的栅极的半导体存储器与现有半导体存储器共同进行数据保持力测试后的结果比对图。参照图4所示，该比对图以电压漂移(drift)值为横坐标，累积百分数(cumulative percentage)为左纵坐标，四分位数(quartile)为右纵坐标，分别获得两条阈值电压漂移曲线，曲线100代表现有半导体存储器在数据保持力测试后的阈值电压漂移结果，曲线200代表包含上述实施例方法制造的栅极的半导体存储器在数据保持力测试后的阈值电压漂移结果。可以看到，现有半导体存储器的阈值电压漂移的均值为0.45V，而包含上述本发明实施例方法制造的栅极的半导体存储器的阈值电压漂移的均值为0.35V。因此，本发明栅极制造方法使得半导体存储器的阈值电压漂移减小。

[0049] 图5为将包含上述本发明实施例方法制造的栅极的半导体存储器与现有半导体存储器共同进行数据保持力测试后的结果比对图。参照图5所示，该比对图以电荷损失(charge loss)值为横坐标，累积百分数为左纵坐标，四分位数为右纵坐标，分别获得两条电荷损失曲线，曲线101代表现有半导体存储器在数据保持力测试后的电荷损失结果，曲线201代表包含上述实施例方法制造的栅极的半导体存储器在数据保持力测试后的电荷损失结果。可以看到，现有半导体存储器的电荷损失的均值为1.3V，而包含上述本发明实施例方法制造的栅极的半导体存储器的阈值电压漂移的均值为0.85V。因此，本发明栅极制造方法使得半导体存储器的电荷损失减小。

[0050] 此外，将上述两种半导体存储器共同进行周期耐久性测试后发现，现有半导体存储器经多次擦除、写之后，其擦除所需的电压最高达到了7.1V，而包含上述本发明实施例方法制造的栅极的半导体存储器，其经过相同次数的擦除、写之后，其擦除所需的电压最高达到5.1V。因此，本发明栅极制造方法使得半导体存储器在经多次擦除、写之后，所需的擦除电压也减小。

[0051] 综上所述，本发明氧-氮-氧叠层结构及栅极制造方法，通过较高温度及较长时间的退火，增加了等效氧化物厚度，减少了电荷损失，并提高了阈值电压。通过采用限定流量比的氨气和二氯硅烷形成第一氮化层，使得后续形成的第一氮氧化层存储电荷的稳定性提高。从而，提高了器件的可靠性。

[0052] 虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。