专利名称：降低栅极堆栈层氧化侵蚀的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体存储器的制造方法，且特别是有关于一种降低栅极堆栈层氧化侵蚀的方法。
另外有一种非挥发性存储器称作闪存(flash memory)，其结构和EEPROM类似，但其存储胞抹除机构和EEPROM不尽相同，因此体积要比EEPROM小得多。同时其数据的抹除时间约为1或2秒，也比EPROM用紫外光照射的大约20分钟要快得多。由于价格因素，闪存大部分应用在较小型的电子产品如笔记本型计算机和个人数字助理等，同时也可用于例如计算机中的BIOS存储器以便数据可随时更新。
传统上具有堆栈结构的快闪存储胞具有双层或三层的多晶硅结构，通常第一层多晶硅层即做为浮置栅极(floating gate)，而第二层多晶硅层则做为控制栅极(control gate)，其即为字线，经由控制栅极的电压控制可对快闪存储胞进行数据的写入和删除的动作，至于三层多晶硅结构则多了一层选择性栅极(select gate)。
在制作快闪存储胞的过程中，一般先利用光刻、蚀刻技术将第一层多晶硅层定义成多条平行的线条，接着进行后续步骤并且制作第二层的控制栅极，再次利用光刻、蚀刻技术，将第二层多晶硅层定义成多条平行的线条，且垂直于第一层的线状多晶硅层，以作为字线的控制栅极。在形成控制栅极的过程中，两条控制栅极之间的第一层多晶硅层同样会被蚀刻去除直到暴露出最下层的基底，以形成浮置栅极。然而，在蚀刻第一层多晶硅层的过程中，由于各向异性蚀刻角度限制的关系，在两条控制栅极之间部分第一层多晶硅层会残留在绝缘层的侧壁上，导致残留的多晶硅连接两条相邻的字线，因而造成电性短路，使得字线无法正常操作，进而造成数据读取或写入错误。
传统上为了去除多晶硅残留，直接利用热氧化处理方式将多晶硅残留氧化成二氧化硅。然而，长时间的热氧化工艺虽然可以去除多晶硅残留，但是却会造成第一与第二多晶硅层边缘暴露部分受到氧化侵蚀，导致第一与第二多晶硅层之间的氧化硅-氮化硅-氧化硅(ONO)介电层的边缘部分厚度增加，使得控制栅极与浮置栅极之间的电容偶合系数(Coupling ratio)降低，影响浮置栅极捕获电子的能力，间接影响快闪存储胞的操作性能。
本发明提供一种栅极堆栈层氧化侵蚀的方法，适用于具有至少一层多晶硅层的栅极堆栈层。此方法包括进行一斜向离子注入步骤，在多晶硅层的侧壁表面中注入氮离子。接着进行一氧退火步骤，使多晶硅层的侧壁表面形成一氮氧化硅层。
本发明亦提供一种半导体存储胞的制造方法，包括在一半导体基底上依序形成一栅极氧化层、一第一多晶硅层与一氮化硅层，接着图案化氮化硅层、第一多晶硅层与栅极氧化层。然后在半导体基底上覆盖一绝缘层，再去除部分绝缘层，直到暴露出氮化硅层，之后去除氮化硅层。接着在第一多晶硅层及周缘的绝缘层上形成一第二多晶硅层。然后在半导体基底上依序形成一介电层、一第三多晶硅层与一导电层，接着图案化导电层、第三多晶硅层、介电层、第二多晶硅层与第一多晶硅层，以形成多条平行的栅极堆栈层。接着进行一斜向离子注入步骤，在栅极堆栈层的侧壁表面中注入氮离子。然后再进行一氧退火步骤，使栅极堆栈层的侧壁表面形成一氮氧化硅层。
本发明提供的降低栅极堆栈层氧化侵蚀的方法，不仅可以避免多晶硅层受到氧化侵蚀而造成介电层边缘部分厚度增加的问题，而且可以完全去除多晶硅残留，工艺稳定性高，且可节省热预算。
图中符号说明100半导体基底110绝缘结构112、112a 氧化层114、114a 多晶硅层116、116a 氮化层118HDP氧化层120HDP(高密度等离子体)氧化层122、122a 多晶硅层124、124a 介电层126、126a 多晶硅层128、128a 导电层130侧壁表面140多晶硅残留200斜向离子注入θ 离子注入倾斜角度
图1A-1G是绘示本发明的快闪存储胞在X方向的工艺剖面示意图。请参照图1A，首先提供一半导体基底100，例如是具有<100>晶格排列的P型硅基底。接着在基底100中制作隔离结构110，规划出每个存储胞的激活区(active region)，隔离结构110比如是以硅的局部氧化(LOCOS)形成的场氧化层，且较佳是浅沟槽隔离(STI)结构。
接着在基底100上依序形成栅极氧化层112、第一多晶硅层114以及氮化硅层116。栅极氧化层112可以利用热氧化技术形成，所形成的厚度约在30-150埃左右，第一多晶硅层114可以利用低压化学气相沉积(LPCVD)在600-650℃左右形成，所形成的厚度约在500-1500埃左右，并且多晶硅层114亦可以是掺杂(doped)多晶硅层，氮化硅层116亦可以利用化学气相沉积形成，所形成的厚度约在1100-2400埃左右。然后利用传统的光刻及蚀刻技术，定义出所需的图案，去除不需要的部分，图案化氮化硅层116、第一多晶硅层114与栅极氧化层112，以形成多条平行的第一线形堆栈层，如图中所示。
请参照图1B，接着在基底100上覆盖一层绝缘层118，比如氧化硅层。绝缘层118较佳是以高密度等离子体化学气相沉积法(HDP-CVD)所形成的氧化硅层，做垂直方向的沉积，以形成致密的绝缘层结构，所形成的绝缘层118厚度约为1.5-3.5千埃。接着请参照图1C，去除部分绝缘层118直到剩下所需的厚度而变成绝缘层120，绝缘层120的厚度约略大于第一多晶硅层114的厚度，大约为0.5-2千埃，其去除方法可以利用湿式浸渍蚀刻，以时间控制方式达到所需厚度，较佳是以反应离子蚀刻(RIE)来达成，并且暴露出氮化硅层116顶部边缘的顶角。
请参照图1D，然后去除氮化硅层116以及其上残留的绝缘层120，比如可以利用高选择性湿式蚀刻仅去除氮化硅层116，而不会破坏表面其它暴露的部分。请参照图1E，接着在第一多晶硅层114及周围的绝缘层120上形成第二多晶硅层122，第一多晶硅层114通过第二多晶硅层122延伸其面积，增加其对控制电极的电容偶合。第二多晶硅层122的形成比如是先在基底100上沉积一层多晶硅层，然后以光刻及蚀刻技术去除部分第二多晶硅层122以避免两条相邻的第一多晶硅层114电性连接。
请参照图1F，接着在基底100上依序形成一层介电层124、第三多晶硅层126以及导电层128。介电层124是浮置栅极与控制栅极之间的介电层，较佳是使用ONO复合层，其由氧化硅层、氮化硅层与氧化硅层堆栈而成，厚度约为50-250埃左右。然后比如再利用化学气相沉积法在介电层124上形成第三多晶硅层126，此外导电层128较佳是使用硅化钨(WSix)，其亦可利用化学气相沉积法形成。
请参照图1G，以传统的光刻及蚀刻技术，定义出所需的图案，形成多条平行的栅极堆栈层，作为控制栅极，即为字线，此第二线形堆栈层与先前具有第一多晶硅层114的第一线形堆栈层垂直，仅留下绝缘层120部分。其利记博彩app比如先在导电层128上形成一层光阻层(未显示)，接着以传统的光刻技术图案化光阻层，定义出所需的图案，然后以图案化的光阻层为掩膜，以各向异性(anisotropic)干蚀刻技术，例如反应离子蚀刻(RIE)，依序蚀刻底下暴露的导电层128、第三多晶硅层126、介电层124、第二多晶硅层122、第一多晶硅层114以与门极氧化层112，以达到图案化的目的，而形成导电层128a、第三多晶硅层126a、介电层124a、第二多晶硅层122a、第一多晶硅层114a与栅极氧化层112a，之后去除光阻层。第一多晶硅层114a受到此次光刻蚀刻仅剩在局部区块，以作为浮置栅极。
在形成字线的制作过程中，由于各向异性干蚀刻是以垂直方向进行蚀刻，对于在绝缘层120侧壁上的部分第一多晶硅层114无法达到完全去除的目的，造成多晶硅残留在绝缘层120的侧壁上。图2是绘示关于图1G的立体图。请参照图2，在形成第一线形堆栈层时，往往无法达到完全垂直蚀刻的效果，在堆栈层的边缘角度大约为85-88度左右，再加上形成第二堆栈层时，受到各向异性干蚀刻的蚀刻角度限制，导致部分多晶硅残留140存附于绝缘层120的侧壁上。这会造成两条相邻的字线之间形成短路，因而影响到存储器的操作。
请参照图3，其绘示关于图1G在Y方向的工艺剖面示意图。请对照图1G、图2与图3，在两条相邻字线栅极堆栈层之间有绝缘层120，而且多晶硅残留140附着于绝缘层120的侧壁上。为了完全去除多晶硅残留140，避免多晶硅残留140影响存储器的操作性能，传统上直接利用热氧化处理方式将多晶硅残留140完全氧化形成二氧化硅，此方法虽然可以有效地去除多晶硅残留140，但是长时间的热氧化处理导致字线栅极堆栈层中多晶硅层受到氧化侵蚀，尤其是在第二、第三多晶硅层122a与126a接近ONO介电层124a的侧壁部分，因为氧化侵蚀而有部分多晶硅层122a、126a形成二氧化硅，造成ONO介电层的边缘部分厚度增加，使得控制栅极与浮置栅极之间的电容偶合系数(Coupling ratio)降低，影响快闪存储胞的操作。
为了避免栅极堆栈层中的多晶硅层114a、122a、126a受到氧化侵蚀，本发明利用两阶段步骤去除多晶硅残留140，并且避免氧化侵蚀的问题发生。请参照图4A，首先进行斜向离子注入步骤200，利用斜向离子注入将氮离子注入栅极堆栈层的侧壁表面130中，即主要是将氮离子注入多晶硅层114a、122a与126a的侧壁表面中。在斜向离子注入工艺200中，所使用的倾斜角度θ(即注入方向与平面的夹角)约在20度至70度之间，且较佳是在50度至65度之间，角度的决定必须视相邻字线之间所存在开口的宽高比(aspect radio)决定，宽高比愈大则离子注入的倾斜角度θ愈大。
接着请参照图4B，然后进行氧退火(anneal)步骤，在退火装置中通入氧气，使氧气与多晶硅残留140反应，转化成氮氧化硅(SiON)。由于栅极堆栈层中的多晶硅层114a、122a与126a的侧壁表面130在斜向离子注入步骤200中已经先注入氮离子，因此多晶硅层114a、122a与126a的侧壁表面130很快就形成氮氧化硅(SiON)层300，并且阻止多晶硅层114a、122a与126a继续氧化，使多晶硅层114a、122a与126a能够受到保护，不会因为长时间的热氧化退火工艺而受到侵蚀，以此可以增加热氧化退火的工艺裕度(process window)，使得工艺稳定性更高。
另一方面，在斜向离子注入步骤中同样在多晶硅残留140注入氮离子，因此多晶硅残留140亦富含氮离子，因此多晶硅残留140亦很快地可以达到完全反应的阶段，使多晶硅残留140完全转化成氮氧化硅。由于氮氧化硅的电阻值远大于多晶硅，可作为绝缘材料，因此可以以此解决多晶硅残留造成电性连接的问题。而且，在氧退火步骤之前已经先在多晶硅残留140中注入氮离子，多晶硅残留140不需要太多的热能即可达到转化成绝缘层，可节省热预算。
综上所述，本发明提供的降低栅极堆栈层氧化侵蚀的方法，不仅可以避免多晶硅层受到氧化侵蚀而造成介电层边缘部分厚度增加的问题，而且可以完全去除多晶硅残留，工艺稳定性高，且可节省热预算。本发明再此仅以一较佳实施例说明去除降低栅极堆栈层氧化侵蚀的方法，然本发明亦可应用于其它的产品，例如掩膜式只读存储器(MaskROM)或是其它类似的产品。
如本领域技术人员所了解的，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本专利的保护范围内。
权利要求
1.一种降低栅极堆栈层氧化侵蚀的方法，适用于一栅极堆栈层，该栅极堆栈层中至少包括一多晶硅层，该方法至少包括下列步骤进行一斜向离子注入步骤，在该多晶硅层的侧壁表面中注入氮离子；以及进行一氧退火步骤，使该多晶硅层的侧壁表面形成一氮氧化硅层。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于该斜向离子注入步骤的倾斜角度在20度至70度之间。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于在该氧退火步骤中通入氧气。
4.一种半导体存储胞的制造方法，该方法至少包括下列步骤在一半导体基底上形成一栅极氧化层、一第一多晶硅层与一氮化硅层；图案化该氮化硅层、该第一多晶硅层与该栅极氧化层；在该半导体基底上覆盖一绝缘层；去除部分该绝缘层，直到暴露出该氮化硅层；去除该氮化硅层；在该第一多晶硅层及周缘的该绝缘层上形成一第二多晶硅层；在该半导体基底上形成一介电层、一第三多晶硅层与一导电层；图案化该导电层、该第三多晶硅层、该介电层、该第二多晶硅层与该第一多晶硅层，以形成多条平行的栅极堆栈层；进行一斜向离子注入步骤，在该栅极堆栈层的侧壁表面中注入氮离子；以及进行一氧退火步骤，使该栅极堆栈层的侧壁表面形成一氮氧化硅层。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于该绝缘层包括HDP氧化硅层。
6.根据权利要求4的方法，其特征在于该介电层包括ONO层。
7.根据权利要求4的方法，其特征在于该导电层包括硅化钨层。
8.根据权利要求4的方法，其特征在于形成该栅极堆栈层的方法包括各向异性干蚀刻。
9.根据权利要求4的方法，其特征在于该斜向离子注入步骤的倾斜角度在20-70度之间。
10.根据权利要求4的方法，其特征在于在该氧退火步骤中通入氧气。
11.一种降低氧化侵蚀的方法，至少包括下列步骤进行一斜向离子注入步骤，在一栅极堆栈层的一侧壁中注入氮离子；以及进行一退火步骤，使该栅极堆栈层的侧壁表面形成一绝缘层。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于该斜向离子注入步骤的倾斜角度在20度至70度之间。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于在该退火步骤中包括通入氧气。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于该绝缘层包括氮氧化硅层。
全文摘要
一种降低栅极堆栈层氧化侵蚀的方法，利用斜向离子注入法在栅极堆栈层的侧壁表面中注入氮离子，使侧壁表面中富含氮离子，接着进行氧退火步骤，使栅极堆栈层的侧壁表面形成氮氧化硅层，可通过氮氧化硅层阻止栅极堆栈层中的多晶硅层继续氧化而受到侵蚀。本发明提供的降低栅极堆栈层氧化侵蚀的方法，不仅可以避免多晶硅层受到氧化侵蚀而造成介电层边缘部分厚度增加的问题，而且可以完全去除多晶硅残留，工艺稳定性高，且可节省热预算。
文档编号H01L21/324GK1434486SQ0210270
公开日2003年8月6日 申请日期2002年1月23日 优先权日2002年1月23日
发明者苏俊联, 王俊淇, 陈铭祥 申请人:旺宏电子股份有限公司