含多层氧氮化物层的氧化物‑氮化物‑氧化物堆栈制造技术

本申请涉及含多层氧氮化物层的氧化物‑氮化物‑氧化物堆栈。本发明专利技术公开了一种含有多层电荷存储层的氧化物‑氮化物‑氧化物(ONO)堆栈的半导体器件及其形成方法。通常，该方法涉及：(i)形成ONO结构上的第一氧化物层；(ii)在第一氧化物层上形成含有氮化物的多层电荷存储层；以及(iii)在多层电荷存储层上形成ONO结构第二氧化物层。优选的是电荷存储层包含至少两个含有不同氧，氮，和/或硅化学组成比的硅氧氮化物层。更优选的是ONO结构是硅‑氧化物‑氮化物‑氧化物‑硅(SONOS)结构的一部分，且该半导体器件是SONOS存储晶体管。

With multilayer oxynitride layer oxide nitride oxide stack

The invention relates to a multilayer containing oxynitride layer oxide nitride oxide stack. The invention discloses a charge storage layer containing multilayer oxide nitride oxide (ONO) stack semiconductor device and its forming method. Usually, the method involves: (I) forming a first oxide layer in the ONO structure; (II) forming a multilayer charge storage layer containing nitride on the first oxide layer; and (III) ONO structure formed a second oxide layer in a multi-layer charge storage layer. Preferably, the charge storage layer contains at least two silicon oxynitride layers containing different oxygen, nitrogen, and / or silicon chemical compositions. More preferably, the ONO structure is silicon oxide nitride oxide silicon (SONOS) part of the structure, and the semiconductor device is SONOS memory transistor.

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请号为200910134374.1，申请日为2009年4月10日，专利技术名称为“含多层氧氮化物层的氧化物-氮化物-氧化物堆栈”的申请的分案申请。
本专利技术涉及半导体制造工艺，尤其涉及含有改良的氮化氧化物或氧氮化物层的氧化物-氮化物-氧化物堆栈及其形成方法。
技术介绍
非易失性半导体存储器例如分裂栅闪存存储器，通常使用堆栈浮栅型场效应晶体管。在这种晶体管中，通过对控制栅施加偏压，使存储单元形成在其上的衬底的体区接地，电子被注入到要被编程的存储单元的浮栅中。一个氧化物-氮化物-氧化物(ONO)堆栈被用作在硅-氧化物-氮化物-氧化物-硅(SONOS)晶体管的电荷存储层，或被用作在分裂栅闪存存储器的浮栅和控制栅之间的隔离层。图1是半导体器件100的中间结构截面图。半导体器件100包括一个包含按传统方法在硅衬底108表面106上形成的传统ONO堆栈104的SONOS栅堆栈或结构102。此外，通常半导体器件100还包含一个或多个扩散区域110，如源漏区域，对准栅堆栈且被沟道区域112隔离。简单地说，SONOS栅堆栈102包括一个形成在ONO堆栈104上并与之相连的多晶硅栅层114。ONO堆栈104将多晶硅栅层114与硅衬底108分离或电子隔离。ONO堆栈104通常包括一个低氧化层116，和作为器件100电荷存储层的氮化物或氧氮化物层118，以及覆盖在氮化物或氧氮化物层上的顶端高温氧化物(HTO)层120。传统SONOS结构102及其形成方法存在的一个问题是氮化物或氧氮化物层118的数据保持性差，这限制了半导体器件100的生命周期，并且氮化物或氧氮化物层的漏电流限制了它在几个方面的应用。传统SONOS结构102及其形成方法存在的另一个问题是氧氮化物层118的化学剂量比既不均匀也不最优化厚度。尤其是氧氮化物层118通常形成或沉积在使用单一工艺混合气体和固定工艺条件的单一步骤，为了提供一个均匀层，其具有高氮、高氧含量的相关层的厚度。然而，由于顶部和底部的作用影响氮、氧和硅含量结果，其能改变整个常规氧氮化物层118。顶部效应引起是由于沉积后关闭工艺气体。特别是，含工艺气体的硅，如硅烷，典型的关闭首先导致含有高氧和/或氮和低硅的氧氮化物层118的顶部。同样的，底部效应引起是由于初步沉积时引进工艺气体。特别是，氧氮化物层118的沉积通常发生在一个退火步骤之后，导致了氨(NH3)浓度在沉积工艺开始阶段较高甚至达到高峰以及产生低氧低硅高氮的氧氮化物层底部。底部效应也是由于表面成核现象，初始工艺混合气体中的硅和氧与衬底表面的硅优先反应，初始工艺混合气体中的硅和氧并没有对氧氮化物层的形成有任何贡献。因此，含有ONO堆栈104的存储器100的电荷存储的特征曲线，尤其是编程和擦除速度和数据保持性，有逆反效应。因而产生了对具有氧氮化物层作为存储层的ONO堆栈的半导体器件的需求，该半导体器件能提高编程和擦除速度和数据保持性。也产生了对含氧氮化物层的ONO结构堆栈形成工艺或方法的进一步需求，该工艺或方法能提高氧氮化物化学计量比。
技术实现思路
本专利技术要提供了解决这些或其他的技术问题的方法在于提供一种含多层氧氮化物层的氧化物-氮化物-氧化物堆栈的半导体器件，其能提高编程和擦除速度和数据保持性。为此，本专利技术还提供上述半导体器件的形成方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种半导体器件中电荷存储层的形成方法，该方法包括如下步骤：在衬底上沉积一个富硅氮化物；以及氧化富硅氮化物形成富硅少氧第一氧氮化物层。该方法进一步包括步骤：在第一氧氮化物层表面上形成至少一层附加层以形成一个多层电荷存储层。所述形成至少一层附加层的步骤包括形成第二氧氮化物层的步骤。所述第一氧氮化物层和第二氧氮化物层中氧，氮和/或硅有不同化学组成比率。所述形成第二氧氮化物层的步骤包括形成富硅少氧氧氮化物层条件下形成第二氧氮化物层的步骤。所述第一氧氮化物层通过化学气相沉积工艺形成，其采用的工艺气体包含SiH2Cl2/NH3混合物和N2O/NH3混合物，两者比率为8:1，所述第二氧氮化物层通过化学气相沉积工艺形成，其工艺气体包含N2O/NH3混合物和SiH2C2/NH3混合物，其混合比率为5∶1。所述形成第一氧氮化物层和第二氧氮化物层的步骤通过改变N2O/NH3和SiH2Cl2/NH3的混合比相继在同一CVD工具中操作。所述第一氧氮化物层和第二氧氮化物层中的至少一层形成的温度至少为780℃。本专利技术还提供一种包括一个氧化物-氮化物-氧化物结构的半导体器件的形成方法，该方法包括如下步骤:形成ONO结构的第一氧化物层；在第一氧化物层上形成含有氮化物的多层电荷存储层；以及在多层电荷存储层表面上形成ONO结构的第二氧化物层。所述多层电荷存储层包含至少两个硅氧氮化物层。所述至少两个氧氮化物层中氧，氮和/或硅有不同化学组成比率。所述至少两个氧氮化物层包括一个顶端氧氮化物层和一个底端氧氮化物层，其中顶端氧氮化物层形成为富硅，少氧氧氮化物层，底端氧氮化物层形成为富硅富氧氧氮化物层。所述顶端氧氮化物层是富氮氧氮化物层。所述形成第一氧化物层的步骤包含通过蒸气退火形成第一氧化物层的步骤，其中选择合适的顶端氧氮化物层和底端氧氮化物层的厚度比，为在使用蒸气退火形成遂穿氧化层之后多层存储层的形成提供便利。所述形成顶端氧氮化物层使用的工艺气体组成包含SiH2Cl2/NH3混合气体和N2O/NH3混合气体，其混合比例约5:1，形成顶端氧氮化物层使用的工艺气体组成包含N2O/NH3混合气体和SiH2Cl2/NH3混合气体，其混合比例为8:1。所述至少两个氧氮化物层形成的温度至少为780℃。此外，本专利技术还提供一种含氧化物-氮化物-氧化物结构的半导体器件，所述氧化物-氮化物-氧化物结构包含第一氧化层和第二氧化层之间的多层存储层，其中多层存储层包含至少两个硅氧氮化物层。所述至少两个氧氮化物层中氧，氮和/或硅有不同化学组成比率。所述氧、氮和硅形成至少两个氧氮化物层，使其在操作温度至少125℃下达到预先设定的数据保持性。所述至少两个氧氮化物层包括一个顶端氧氮化物层和一个底端氧氮化物层，其中顶端氧氮化物层和底端氧氮化物层的厚度比为1-5。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(i)能够提高将氧氮化物层分为多层并调整每层氧，氮，和硅的存储器件的数据保持性；(ii)能够不以牺牲数据保持性为前提提高存储器件的速度；(iii)根据本专利技术实施例使用ONO结构的存储器件在温度至少为约125℃时，能够达到或超过数据保持性和速度；以及(iv)提供大任务编程擦除周期为100,000次或更多。附图说明本专利技术将会通过下面的详细描述，结合附图和实施例来论述本专利技术的这些或一些其他的特点或优势。其中：图1(现有技术)为根据传统方法形成的含有氧化物-氮化物-氧化物(ONO)堆栈的存储器件的中间结构的剖面结构图。图2为本专利技术实施例中一个包含多层电荷存储层的ONO结构的半导体器件的一部分的剖面结构图。图3为本专利技术实施例中包含多层电荷存储层的ONO结构的形成方法的流程图。图4为采用根据本专利技术实施例形成的存储层的存储器件与使用传统存储层的存储器件相比的数据保持性提高的曲线图。具体实施方式本专利技术主要论述包含多层电荷存储层的氧化物-氮化物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件的形成方法，包括：形成多层电荷存储层，包括在衬底上沉积富氧的第一氧氮化物层，并且在所述第一氧氮化物层上直接沉积少氧并且富硅的第二氧氮化物层，其中所述第一氧氮化物层的化学组成比率包含选定的高浓度的氧，所述选定的高浓度的氧通过充当被俘获在所述第二氧氮化物层中的电荷和所述衬底之间的屏障来增加所述多层电荷存储层的保持性能；蒸气退火所述第二氧氮化物层以减少形成于其顶层附近的陷阱的数量；以及直接在所述第二氧氮化物层上形成阻挡氧化层，其中形成所述阻挡氧化层包括蒸气退火所述阻挡氧化层以减少通过所述阻挡氧化层的电荷载流子的回流。

【技术特征摘要】
1.一种半导体器件的形成方法，包括：形成多层电荷存储层，包括在衬底上沉积富氧的第一氧氮化物层，并且在所述第一氧氮化物层上直接沉积少氧并且富硅的第二氧氮化物层，其中所述第一氧氮化物层的化学组成比率包含选定的高浓度的氧，所述选定的高浓度的氧通过充当被俘获在所述第二氧氮化物层中的电荷和所述衬底之间的屏障来增加所述多层电荷存储层的保持性能；蒸气退火所述第二氧氮化物层以减少形成于其顶层附近的陷阱的数量；以及直接在所述第二氧氮化物层上形成阻挡氧化层，其中形成所述阻挡氧化层包括蒸气退火所述阻挡氧化层以减少通过所述阻挡氧化层的电荷载流子的回流。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多层电荷存储层的所增加的保持性能将在编程电压和擦除电压之间的特定差下的所述半导体器件的寿命终止(EOL)增加到至少约20年。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一氧氮化物层通过化学气相沉积(CVD)工艺形成，其采用的工艺气体包含二氯甲硅烷(SiH2Cl2)/氨(NH3)混合物和一氧化二氮(N2O)/NH3混合物，两者比例为约8∶1，并且其中所述第二氧氮化物层通过CVD工艺形成，其采用的工艺气体包含N2O/NH3混合物和SiH2Cl2/NH3混合物，其混合比例为约5∶1。4.根据权利要求3所述的方法，其中形成所述第一氧氮化物层和所述第二氧氮化物层通过改变N2O/NH3和SiH2Cl2/NH3混合物的混合比例相继在同一CVD工具中操作。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一氧氮化物层通过化学气相沉积(CVD)工艺形成，其采用的工艺气体包含二氯甲硅烷(SiH2Cl2)/氘代氨(ND3)混合物和一氧化二氮(N2O)/ND3混合物，两者比例为约8∶1，并且其中所述第二氧氮化物层通过CVD工艺形成，其采用的工艺气体包含N2O/ND3混合物和SiH2Cl2/ND3混合物，其混合比例为约5∶1。6.根据权利要求5所述的方法，其中形成所述第一氧氮化物层和所述第二氧氮化物层通过改变N2O/ND3和SiH2Cl2/ND3混合物的混合比例相继在同一CVD工具中操作。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二氧氮化物层的厚度比所述第一氧氮化物层的厚度大1至5倍。8.一种方法，包括：使...

【专利技术属性】
技术研发人员：赛格·利维，克里希纳斯瓦米·库马尔，弗雷德里克·詹纳，
申请(专利权)人：赛普拉斯半导体公司，
类型：发明
国别省市：美国;US