專利名稱：具有高介電常數(shù)穿隧介電層只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種集成電路(Integrated circuit，IC)的結(jié)構(gòu)以及制造方法，且特別是有關(guān)于一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層(High-Ktunneling dielectric)的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢朝向縮小半導(dǎo)體元件尺寸的方向發(fā)展，此因?yàn)樵叽绲目s小是具有能夠增加半導(dǎo)體元件的集成度、增強(qiáng)集成電路的功能、降低其使用的成本、改善元件切換速度與降低元件消耗功率等優(yōu)點(diǎn)。而隨著半導(dǎo)體元件的尺寸縮小，為了保持柵極與信道之間的電容值，柵極與基底之間的介電層(氧化層)厚度亦必須隨的調(diào)整而變薄。
對于可寫入與抹除的只讀存儲(chǔ)器而言，穿隧氧化層的材質(zhì)通常是采用熱氧化法所形成的二氧化硅。承上所述，隨著只讀存儲(chǔ)元件的尺寸縮小，穿隧氧化層的厚度必須相對應(yīng)的變薄，然而，穿隧氧化層的厚度具有一個(gè)下限值，亦即是必須具有一定的厚度，當(dāng)此穿隧氧化層的厚度小于下限值的時(shí)候，將會(huì)引發(fā)諸多的問題。例如是在隨后進(jìn)行的熱工藝中，此過薄的穿隧氧化層將會(huì)無法防止氧或是摻質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入基底中或是陷入于穿隧氧化層中，進(jìn)而使得元件的啟始電壓改變，此外，當(dāng)此穿隧氧化層的厚度小于下限值時(shí)，由于此穿隧氧化層的保持(retention)特性較差，使得儲(chǔ)存于電荷陷入層(charge trapping layer)中的電子亦可能會(huì)經(jīng)由穿隧氧化層流至基底中，進(jìn)而造成儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的流失與產(chǎn)生漏電流。因此，由上述可知，只讀存儲(chǔ)器元件將會(huì)受限于穿隧氧化層(二氧化硅)的厚度最小值而無法再向下持續(xù)的縮小。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在提供一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法，能夠避免氧或是摻質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入基底或是陷入穿隧介電層中而造成啟始電壓改變。
本發(fā)明的另一目的在提供一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法，能夠避免儲(chǔ)存于電荷陷入層中的電子流入基底中而造成儲(chǔ)存數(shù)據(jù)流失或是漏電流。
本發(fā)明的再一目的在提供一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法，能夠避免穿隧介電層與基底或是電荷陷入層的交界面處產(chǎn)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生二氧化硅。
本發(fā)明的更一目的在提供一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法，其中此穿隧介電層具有較低的界面陷入密度(interfacial trap density)，而能夠避免氧、摻質(zhì)或是電子陷入在穿隧介電層與電荷陷入層或是基底的界面處，本發(fā)明的再另一目的在提供一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法，能夠適用于現(xiàn)行所使用的工藝。
本發(fā)明的更另一目的在提供一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法，能夠以較低的操作電壓以進(jìn)行元件的操作。
本發(fā)明的再更另一目的在提供一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與制造方法，能夠使只讀存儲(chǔ)器的元件具備進(jìn)一步再向下縮小的能力。
本發(fā)明提出一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，此方法是于基底上形成穿隧介電層，其中此穿隧介電層的材質(zhì)選自氮氧化鉿(HfOxNy)與氮氧化硅鉿(HfSiON)所組的族群其中之一，接著，于穿隧介電層上依序形成電荷陷入層與頂氧化層(top oxidelayer)。然后，定義頂氧化層、浮置柵極層與穿隧介電層以形成多個(gè)堆棧結(jié)構(gòu)，再于堆棧結(jié)構(gòu)之間的基底中形成摻雜區(qū)域，其后，于摻雜區(qū)域表面形成埋入式漏極氧化層，再于基底上形成圖案化導(dǎo)體層以作為只讀存儲(chǔ)器的字符線。
本發(fā)明提出一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)至少包括基底、穿隧介電層、電荷陷入層、頂氧化層、導(dǎo)體層與埋入式漏極。其中穿隧介電層，設(shè)置于基底上，且此穿隧介電層的材質(zhì)選自氮氧化硅鉿與氮氧化鉿所組的族群其中之一。電荷陷入層設(shè)置于穿隧介電層上，頂氧化層設(shè)置于電荷陷入層上，其中穿隧介電層、電荷陷入層與頂氧化層系形成堆棧結(jié)構(gòu)。導(dǎo)體層至少設(shè)置于頂氧化層上，以及埋入式漏極設(shè)置于堆棧結(jié)構(gòu)兩側(cè)的基底中。
由上述可知，本發(fā)明的特征在于使用氮氧化鉿或是氮氧化硅鉿取代常用的二氧化硅以作為只讀存儲(chǔ)器的穿隧介電層，由于上述的穿隧介電層能夠具有較常用的二氧化硅更厚的膜厚，因此能夠具有足夠的膜厚以阻擋氧、摻質(zhì)或是電子穿過穿隧介電層而進(jìn)入基底。
而且，由于上述的穿隧介電層的材質(zhì)中具有氮，因此所形成的穿隧介電層的結(jié)構(gòu)較為致密，除了同樣有助于阻擋氧、摻質(zhì)或是電子穿過穿隧介電層而進(jìn)入基底之外，亦能夠防止上述的氧、摻質(zhì)或是電子陷入于穿隧介電層中。
尚且，本發(fā)明的以氮氧化鉿或是氮氧化硅鉿作為穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器除了能夠解決上述的公知問題之外，更具有下述的優(yōu)點(diǎn)由于上述的穿隧介電層中具有氮，因此能夠避免穿隧介電層與基底或是電荷陷入層的交界面處產(chǎn)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生二氧化硅。
而且，由于上述的穿隧介電層的材質(zhì)具有較低的界面陷入密度(interfacial trap density)，因此氧、摻質(zhì)或是電子并不會(huì)陷入在穿隧介電層與電荷陷入層或是基底的界面處，因而能夠提高元件啟始電壓的穩(wěn)定性。
此外，由于上述的穿隧介電層在高溫時(shí)能夠與多晶硅材質(zhì)保持良好的接觸，因此，即使在經(jīng)由后續(xù)的源極/漏極等的高溫?zé)峄鼗鸸に?，亦能夠保持穿隧介電層與基底以及電荷陷入層接面的完整，因而相當(dāng)適用于現(xiàn)行所使用的工藝。
另外，由于上述穿隧介電層的材質(zhì)能夠提供較高的電流，因此只讀存儲(chǔ)器能夠以較低的操作電壓進(jìn)行寫入或抹除的操作。
再者，由于具有本發(fā)明的穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器能夠克服上述的課題，因此相當(dāng)適用于元件的進(jìn)一步縮小化，而提升元件的集成度。


圖1A至圖1E為本發(fā)明較佳實(shí)施例的一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造流程示意圖。
100基底102、102a穿隧介電層104、104a電荷陷入層106、106a頂部氧化層108堆棧結(jié)構(gòu)110罩幕層112離子植入工藝114摻雜區(qū)域116埋入式漏極氧化層118導(dǎo)體層具體實(shí)施方式
圖1A至圖1E為本發(fā)明較佳實(shí)施例的一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造流程示意圖。
首先，請參照圖1A，提供一個(gè)基底100，接著，在基底100上形成一層高介電常數(shù)的穿隧介電層102。其中此穿隧介電層102的材質(zhì)例如是氮氧化鉿(HfOxNy)或是氮氧化硅鉿(HfSiON)，并且此些材質(zhì)的介電常數(shù)大于二氧化硅的介電常數(shù)。
而且，當(dāng)此穿隧介電層102的材質(zhì)為氮氧化鉿時(shí)，形成此穿隧介電層102的方法例如是使用濺鍍法(sputtering)，且此濺鍍法例如是使用氮化鉿(HfN)所形成的靶材(target)，再以鈍氣例如是氬氣或是氮?dú)庾矒舭胁?，以于基?00上形成固態(tài)的氮化鉿薄膜。接著，對形成有氮化鉿薄膜的基底100進(jìn)行一再氧化(reoxidation)工藝以使氮化鉿薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榈趸x薄膜(穿隧介電層102)。其中進(jìn)行此再氧化工藝的方法例如是通入氮?dú)馀c氧氣作為環(huán)境氣體，并以攝氏400度至攝氏650度左右的溫度進(jìn)行回火以形成此氮氧化鉿材質(zhì)的穿隧介電層102。
尚且，當(dāng)此穿隧介電層102的材質(zhì)為氮氧化硅鉿時(shí)，形成此穿隧介電層102的方法例如是能夠使用化學(xué)氣相沉積法(Chemical VaporDeposition，CVD)，且此化學(xué)氣相沉積法例如是以十六烷鉿酸(C16H36HfO4)作為前趨氣體(precursor gas)，并以氧氣、氮?dú)馀c硅烷為反應(yīng)氣體源，于攝氏500度至700度左右的操作溫度下進(jìn)行沉積，以在基底100上形成氮氧化硅鉿材質(zhì)的穿隧介電層102。
接著，請參照圖1B，于穿隧介電層102上依序形成一層電荷陷入層104與一層頂氧化層106。其中電荷陷入層104的材質(zhì)例如是氮化硅，其形成的方法例如是化學(xué)氣相沉積法，而頂氧化層106的材質(zhì)例如是氧化硅，其形成的方法例如是通過使用濕氫/氧氣(H2/O2gas)氧化部分的電荷陷入層(氮化硅層)104以形成。
接著，請參照圖1C，定義頂氧化層106、電荷陷入層104與穿隧介電層102以形成由條狀的頂氧化層106a、條狀的電荷陷入層104a與條狀的穿隧介電層102a所堆棧形成的堆棧結(jié)構(gòu)108。其中形成此堆棧結(jié)構(gòu)108的方法例如是在頂氧化層106上形成圖案化的罩幕層110，并以罩幕層110為罩幕，以非等向性蝕刻法移除部分的頂氧化層106、電荷陷入層104與穿隧介電層102以形成。
接著，請參照圖1D，于堆棧結(jié)構(gòu)108之間的基底100中形成摻雜區(qū)域114以作為埋入式漏極(buried drain)。其中形成摻雜區(qū)域114的方法例如是以罩幕層110為罩幕，進(jìn)行一離子植入步驟112以于基底100中形成摻雜區(qū)域114，之后再將堆棧結(jié)構(gòu)110上的罩幕層110移除。
接著，請參照圖1E，于摻雜區(qū)域114表面形成埋入式漏極氧化層116，其中形成此埋入式漏極氧化層116的方法例如是使用濕式氧化法以于摻雜區(qū)域114表面形成氧化絕緣層。隨后，于基底100上形成例如是多晶硅的導(dǎo)體層118并加以定義以作為只讀存儲(chǔ)器的字符線。并且，由于后續(xù)形成只讀存儲(chǔ)器元件的工藝為熟悉此技藝者所周知，因此在此不再贅述。
接著說明本發(fā)明較佳實(shí)施例的具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。請繼續(xù)參照圖1E，本發(fā)明的具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器至少包括基底100、穿隧介電層102a、電荷陷入層104a、頂氧化層106a、導(dǎo)體層118與摻雜區(qū)域(埋入式漏極)114。
其中穿隧介電層102a設(shè)置于基底100上，其材質(zhì)例如是氮氧化鉿或是氮氧化硅鉿，并且此些材質(zhì)的介電常數(shù)大于二氧化硅的介電常數(shù)。
電荷陷入層104a設(shè)置于穿隧介電層102a上，且電荷陷入層104a的材質(zhì)例如是氮化硅。
頂氧化層106a設(shè)置于電荷陷入層104a上，且頂氧化層106a的材質(zhì)例如是氧化硅。其中頂氧化層106a、電荷陷入層104a、穿隧介電層102a形成一堆棧結(jié)構(gòu)108。
摻雜區(qū)域114設(shè)置于堆棧結(jié)構(gòu)108兩側(cè)的基底100中，而導(dǎo)體層118至少設(shè)置于堆棧結(jié)構(gòu)108上，其中導(dǎo)體層108的材質(zhì)包括多晶硅。
此外，更可以將一埋入式漏極氧化層116設(shè)置于摻雜區(qū)域114之上，以將導(dǎo)體層118與摻雜區(qū)域114隔離。
在上述圖1A至圖1E的具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法與結(jié)構(gòu)中，以制造氮化硅只讀存儲(chǔ)器(nitride read onlymemory，NROM)的工藝與結(jié)構(gòu)以作說明，然而本發(fā)明并不限定于此，本發(fā)明的穿隧介電層亦能夠適用于具有浮置柵極層(摻雜多晶硅)的只讀存儲(chǔ)器。
而且，本發(fā)明的穿隧介電層除了使用氮氧化鉿或是氮氧化硅鉿之外，亦可以使用其它的高介電常數(shù)材質(zhì)例如是二氧化鋯(ZrO2)、二氧化鉿(HfO2)、氮氧化鋯(ZrOxNy)以取代。
綜上所述，本發(fā)明的具有高介電常數(shù)穿隧介電層至少具有下列優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明所形成的氮氧化鉿或是氮氧化硅鉿材質(zhì)的穿隧介電層具有高達(dá)12～14左右的介電常數(shù)，因此所形成的穿隧介電層將能夠具有較厚的等效氧化物膜厚(Equivalent Oxide Thickness，EOT)，亦即是在相同的電容值下，本發(fā)明的穿隧介電層系具有較常用的二氧化硅更厚的膜厚，因此能夠避免氧、摻質(zhì)的擴(kuò)散或是避免電子的流失進(jìn)入基底中。
2.由于本發(fā)明較佳實(shí)施例所形成的穿隧介電層中具有氮，因此所形成的穿隧介電層結(jié)構(gòu)較為致密，同樣有助于避免氧、摻質(zhì)的擴(kuò)散或是避免電子的流失進(jìn)入基底中，亦能夠防止氧、摻質(zhì)或是電子陷入于穿隧介電層中。
3.由于本發(fā)明所使用的穿隧介電層的材質(zhì)中具有氮，因此能夠避免穿隧介電層與基底或是電荷陷入層的界面處產(chǎn)生氧化反應(yīng)而產(chǎn)生二氧化硅。
4.由于依本發(fā)明較佳實(shí)施例所形成的穿隧介電層具有較二氧化硅低的界面陷入密度，因此電子并不會(huì)陷入于穿隧介電層與電荷陷入層或是基底的界面處，因而能夠提高只讀存儲(chǔ)器元件的啟始電壓的穩(wěn)定性。
5.由于依本發(fā)明較佳實(shí)施例所形成的穿隧介電層在高溫時(shí)亦能夠與多晶硅材質(zhì)保持良好的接觸，因此，即使在經(jīng)由后續(xù)的高溫?zé)峄鼗鸸に?，亦能夠保持穿隧介電層與基底以及電荷陷入層的界面處的完整，因此本發(fā)明能夠適用于現(xiàn)行所使用的工藝。
6.由于具有本發(fā)明較佳實(shí)施例的穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器能夠提供較高的電流，因此只讀存儲(chǔ)器系能夠以較低的操作電壓進(jìn)行寫入或抹除的操作。
7.由于具有本發(fā)明的穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器能夠克服氧、摻質(zhì)與電子等的擴(kuò)散穿過穿隧介電層等的問題，因此只讀存儲(chǔ)器元件能夠再向下縮小，進(jìn)而提高元件的集成度。
權(quán)利要求
1.一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該方法包括于一基底上形成一穿隧介電層，其中該穿隧介電層的材質(zhì)選自氮氧化硅鉿與氮氧化鉿所組的族群其中之一；于該穿隧介電層上依序形成一電荷陷入層與一頂氧化層；定義該頂氧化層、該浮置柵極層與該穿隧介電層以形成多個(gè)堆棧結(jié)構(gòu)；進(jìn)行一離子植入工藝，以于該些堆棧結(jié)構(gòu)之間的該基底內(nèi)形成一摻雜區(qū)域；于該摻雜區(qū)域表面形成一埋入式漏極氧化層；以及于該基底上形成一圖案化導(dǎo)體層，以作為該只讀存儲(chǔ)器的字符線。
2.如權(quán)利要求1所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，形成該穿隧介電層的工藝更包括下列步驟于該基底上形成一氮化鉿層；進(jìn)行一再氧化工藝，以將該氮化鉿層轉(zhuǎn)變?yōu)榈趸x材質(zhì)的該穿隧介電層。
3.如權(quán)利要求2所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，于該基底上形成該氮化鉿層的方法包括使用濺鍍法以一鈍氣轟擊組成材質(zhì)為氮化鉿的一靶材，以于該基底上沉積形成該氮化鉿層。
4.如權(quán)利要求3所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該濺鍍法所使用的鈍氣選自氬氣與氮?dú)馑M的族群。
5.如權(quán)利要求2所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，于該再氧化工藝所通入的環(huán)境氣體包括氧氣與氮?dú)狻?br> 6.如權(quán)利要求2所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該再氧化工藝的操作溫度為攝氏400至攝氏650度左右。
7.如權(quán)利要求1所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，形成該穿隧介電層的方法包括一化學(xué)氣相沉積法。
8.如權(quán)利要求7所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該化學(xué)氣相沉積法所使用的前趨氣體包括十六烷鉿酸。
9.如權(quán)利要求7所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該化學(xué)氣相沉積法所使用的反應(yīng)氣體包括氧氣、氮?dú)馀c硅烷。
10.如權(quán)利要求7所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該化學(xué)氣相沉積法的操作溫度為攝氏500至攝氏700度左右。
11.如權(quán)利要求1所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該穿隧介電層的介電常數(shù)大于二氧化硅的介電常數(shù)。
12.如權(quán)利要求1所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該電荷陷入層的材質(zhì)包括氮化硅。
13.如權(quán)利要求1所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，其特征是，該穿隧介電層的材質(zhì)是以選自二氧化鋯、二氧化鉿、氮氧化鋯的其中之一取代。
14.一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，其特征是，該結(jié)構(gòu)包括一基底；一穿隧介電層，設(shè)置于該基底上，其中該穿隧介電層的材質(zhì)系選自氮氧化硅鉿、氮氧化鉿所組的族群其中之一；一電荷陷入層，設(shè)置于該穿隧介電層上；一頂氧化層，設(shè)置于該電荷陷入層上，其中該穿隧介電層、該電荷陷入層與該頂氧化層形成一堆棧結(jié)構(gòu)；一導(dǎo)體層，至少設(shè)置于該頂氧化層上；以及一埋入式漏極，設(shè)置于該堆棧結(jié)構(gòu)兩側(cè)的該基底中。
15.如權(quán)利要求14所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，其特征是，該穿隧介電層的介電常數(shù)大于二氧化硅的介電常數(shù)。
16.如權(quán)利要求14所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，其特征是，于該堆棧結(jié)構(gòu)兩側(cè)的該埋入式漏極上更設(shè)置有一埋入式漏極氧化層。
17.如權(quán)利要求14所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，其特征是，該電荷陷入層的材質(zhì)包括氮化硅。
18.如權(quán)利要求14所述的高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)，其特征是，該穿隧介電層的材質(zhì)以選自二氧化鋯、二氧化鉿、氮氧化鋯的其中之一取代。
全文摘要
一種具有高介電常數(shù)穿隧介電層的只讀存儲(chǔ)器的制造方法，此方法是于基底上形成穿隧介電層，其中此穿隧介電層的材質(zhì)選自氮氧化鉿(H
文檔編號H01L27/112GK1507062SQ02155359
公開日2004年6月23日 申請日期2002年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月9日
發(fā)明者張國華 申請人:旺宏電子股份有限公司