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ON膜 氧化作为隧穿 电介质提升SONOS可靠性的方法

阅读：958发布：2020-05-30

专利汇可以提供ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，包括如下步骤：第一步，在硅衬底上生长ON膜中的底层超薄氧化层；第二步，在该超薄氧化层上生长ON膜中的富硅氮化膜；第三步，对ON膜中的富硅氮化膜进行湿氧氧化，利用氧化对富硅氮化膜进行氧掺杂，形成氮氧化硅混合物；第四步，SONOS器件中间氮化硅陷阱层的成膜，作为存储电荷的介质；第五步，在氮化硅陷阱层上生长高温CVD氧化层。该方法在不降低擦写速度的基础上增加了Data Retention寿命，并且简化了工艺控制的难度。，下面是ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，在硅衬底上生长ON膜中的底层超薄氧化层；
第二步，在该超薄氧化层上生长ON膜中的富硅氮化膜；
第三步，对ON膜中的富硅氮化膜进行湿氧氧化，利用氧化对富硅氮化膜进行氧掺杂，形成氮氧化硅混合物；
第四步，SONOS器件中间氮化硅陷阱层的成膜，作为存储电荷的介质；
第五步，在氮化硅陷阱层上生长高温CVD氧化层。
2.如权利要求1所述的ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，其特征在于，第一步采用低压热氧化工艺，其工艺条件为：生长压力为500mtorr～3000mtorr，生长温度为600℃～1100℃；所述超薄氧化层的厚度为10埃～30埃。
3.如权利要求1所述的ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，其特征在于，第二步采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为50mtorr～
700mtorr，生长温度为500℃～900℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与氨气混合，两气体混合比例为10∶1～1∶10；所述富硅氮化膜的厚度为20埃～80埃。
4.如权利要求1所述的ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，其特征在于，第三步采用低压热氧化工艺或者常压氮气稀释热氧化工艺；所述氮氧化硅混合物的厚度为富硅氮化膜厚度的1/3～1/2。
5.如权利要求4所述的ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，其特征在于，第三步采用低压热氧化工艺的工艺条件为：生长压力为500mtorr～4000mtorr，生长温度为600℃～1100℃。
6.如权利要求4所述的ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，其特征在于，第三步采用常压氮气稀释热氧化工艺的工艺条件为：生长压力为760torr，生长温度为
600℃～1200℃，氮气与氧气的混合比例为1∶1～3∶1。
7.如权利要求1所述的ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，其特征在于，第四步采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为100mtorr～
5000mtorr，生长温度为500℃～800℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与氨气混合，两气体混合比例为10∶1～1∶10；所述氮化硅陷阱层的厚度为30埃～200埃。
8.如权利要求1所述的ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，其特征在于，第五步采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为50mtorr～
2000mtorr，生长温度为300℃～1000℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与一氧化二氮气体混合，两气体混合比例为10∶1～1∶10；所述高温CVD氧化层的厚度为20埃～200埃。

说明书全文

ON膜氧化作为隧穿 电介质提升SONOS可靠性的方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体集成电路制造领域，具体涉及一种SONOS闪存器件的制造工艺方法，尤其涉及一种ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法。

背景技术

[0002] SONOS闪存器件(以氮化硅作为电荷存储介质的闪存器件)，因为具备良好的等比例缩小特性和抗辐照特性而成为目前主要的闪存类型之一。SONOS闪存器件在应用上也面临着许多问题。其中可靠性相关的问题主要有两个：一是Endurance(耐久)特性，就是衡量SONOS器件在多次编程/擦除之后，器件特性方面的退化。二是Data Retention(数据保持)特性，就是SONOS器件的数据保存能力。普通SONOS闪存器件的隧穿氧化层一般为热氧化层，为了达到较高的擦写速度，因此一般厚度较薄(20埃左右)，由于氧化层较薄，导致电子较容易逃逸，由此使Data Retention能力(即Data Retention寿命)受到影响，因此给SONOS闪存器件的可靠性带来了一些问题。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法。在保证电场强度不变情况下，该方法可以在不降低擦写速度的基础上增加了Data Retention寿命，并且简化了工艺控制的难度。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明提供一种ON膜氧化作为隧穿电介质提升SONOS可靠性的方法，包括如下步骤：

[0005] 第一步，在硅衬底上生长ON膜中的底层超薄氧化层；

[0006] 第二步，在该超薄氧化层上生长ON膜中的富硅氮化膜；

[0007] 第三步，对ON膜中的富硅氮化膜进行湿氧氧化，利用氧化对富硅氮化膜进行氧掺杂，形成氮氧化硅混合物；

[0008] 第四步，SONOS器件中间氮化硅陷阱层的成膜，作为存储电荷的介质；

[0009] 第五步，在氮化硅陷阱层上生长高温CVD氧化层。

[0010] 第一步采用低压热氧化工艺，其工艺条件为：生长压力为500mtorr～3000mtorr，生长温度为600℃～1100℃；所述超薄氧化层的厚度为10埃～30埃。

[0011] 第二步采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为50mtorr～700mtorr，生长温度为500℃～900℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与氨气混合，两气体混合比例为10∶1～1∶10；所述富硅氮化膜的厚度为20埃～80埃。

[0012] 第三步采用低压热氧化工艺或者常压氮气稀释热氧化工艺；所述氮氧化硅混合物的厚度为富硅氮化膜厚度的1/3～1/2。

[0013] 第三步采用低压热氧化工艺的工艺条件为：生长压力为500mtorr～4000mtorr，生长温度为600℃～1100℃。

[0014] 第三步采用常压氮气稀释热氧化工艺的工艺条件为：生长压力为760torr，生长温度为600℃～1200℃，氮气与氧气的混合比例为1∶1～3∶1。

[0015] 第四步采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为100mtorr～5000mtorr，生长温度为500℃～800℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与氨气混合，两气体混合比例为10∶1～1∶10；所述氮化硅陷阱层的厚度为30埃～200埃。

[0016] 第五步采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为50mtorr～2000mtorr，生长温度为300℃～1000℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与一氧化二氮气体混合，两气体混合比例为10∶1～1∶10；所述高温CVD氧化层的厚度为20埃～200埃。

[0017] 和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明为一种利用对ON膜氧化作为隧穿电介质膜来提升SONOS可靠性的方法。SONOS器件由于为了保证一定的擦写速度，其隧穿氧化层一般都比较薄(20埃左右)。由于氧化层较薄，导致电子较容易逃逸，因此给SONOS闪存器件的可靠性带来了一些问题，主要体现在Data Retention寿命上。本发明主要利用ON膜氧化来代替传统SONOS器件的单层热氧化层作为隧穿电介质，来改善SONOS器件的Data Retention寿命。由于采用了ON膜氧化制作隧穿电介质层，其物理厚度较原先的隧穿氧化层来的更厚(如图2)，因此在进行Data Retention测试时ON膜氧化的方法将获得更佳的寿命。同时ON膜氧化方法还利用了其中富硅氮化层相对于氧化层较低的禁带宽度。在SONOS器件进行数据擦写的过程时(即发生FN Tunneling(FN隧穿))，器件的能带会发生偏转(如图3)，导致电子真正隧穿的电学厚度仍然较小，所以仍然可以在电场强度不变情况下保证较快的擦写速度。另外，其中由于利用了ON膜氧化成膜较薄氮氧化硅的方法来制作上层隧穿阻挡层来代替传统的HTO(高温CVD氧化层)，因此氮化膜厚度可以相对增厚，避免了工艺上成长超薄氮化膜的困难和HTO成膜带来的均一性问题。本发明工艺比较简单，易于集成，可以用于批量生产。附图说明

[0018] 图1是本发明方法的流程示意图；图1A是本发明中第一步完成后SONOS闪存器件的截面图；图1B是本发明中第二步完成后SONOS闪存器件的截面图；图1C是本发明中第三步完成后SONOS闪存器件的截面图；图1D是本发明中第四步完成后SONOS闪存器件的截面图；图1E是本发明中第五步完成后SONOS闪存器件的截面图；

[0019] 图2是传统的热氧化层与本发明的ON膜氧化在测试Data Retention时的能带比较示意图；

[0020] 图3是传统的热氧化层与本发明的ON膜氧化在写数据时的能带比较示意图。

[0021] 其中，1为硅衬底，2为超薄氧化膜，3为富硅氮化膜，4为氮氧化硅混合物，5为氮化硅陷阱层，6为高温CVD氧化层。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

[0023] 本发明一种利用对ON膜氧化作为隧穿电介质膜来提升SONOS可靠性的方法，其核心在于：利用ON膜氧化的方法来代替传统SONOS器件的热氧化层作为隧穿电介质层，通过利用富硅氮化层相对于氧化层较低的禁带宽度，在不降低擦写速度的基础上增加了Data Retention寿命，并且利用了其中富硅氮化膜氧化的方法，简化了工艺控制的难度。

[0024] 本发明方法主要的工艺流程包括如下步骤(如图1所示)：

[0025] 第一步，如图1A所示，ON膜中底层超薄氧化层成膜，即在硅衬底1上生长超薄氧化膜2，超薄氧化膜2的厚度范围为10埃～30埃。这步工艺需采用低压热氧化工艺，其工艺条件为：生长压力为500mtorr～3000mtorr，生长温度为600℃～1100℃。

[0026] 第二步，如图1B所示，ON膜中富硅氮化膜成膜，即在超薄氧化膜2上生长富硅氮化膜3，富硅氮化膜3的厚度范围为20埃～80埃。这步工艺采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为50mtorr～700mtorr，生长温度为500℃～900℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与氨气混合，两气体混合比例为：10∶1～1∶10。

[0027] 第三步，如图1C所示，对ON膜中的富硅氮化膜进行热氧化，利用氧化对富硅氮化膜3进行氧掺杂，形成氮氧化硅混合物4，氮氧化硅混合物4的厚度一般为富硅氮化膜3厚度的1/3～1/2，且这步工艺采用低压热氧化工艺或者常压氮气稀释热氧化工艺。采用低压热氧化工艺时工艺条件为：生长压力为500mtorr～4000mtorr，生长温度为600℃～1100℃。采用常压氮气稀释热氧化工艺的工艺条件为：生长压力为760torr(常压)，生长温度为600℃～1200℃，氮气与氧气的混合比例为1∶1～3∶1。

[0028] 第四步，如图1D所示，SONOS器件中间氮化硅陷阱层的成膜，即在氮氧化硅混合物4上生长氮化硅陷阱层5作为存储电荷的介质，氮化硅陷阱层5的厚度范围为30埃～200埃，这步工艺采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为100mtorr～
5000mtorr，生长温度为500℃～800℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与氨气混合，两气体混合比例为10∶1～1∶10。

[0029] 第五步，如图1E所示，电荷阻挡高温CVD氧化层的制备，即在氮化硅陷阱层5上生长高温CVD氧化层6，高温CVD氧化层6的厚度范围为20埃～200埃；这步工艺采用高温低压化学气相淀积工艺，其工艺条件为：生长压力为50mtorr～2000mtorr，生长温度为300℃～1000℃，反应气体为：硅烷或二氯二氢硅与一氧化二氮气体混合，两气体混合比例为10∶1～1∶10。

[0030] 上述工艺参数需根据相应的控制和产能进行优化调整。

[0031] 本发明为一种利用对ON膜氧化作为隧穿电介质膜来提升SONOS可靠性的方法。SONOS器件由于为了保证一定的擦写速度，其隧穿氧化层一般都比较薄(20埃左右)。由于氧化层较薄，导致电子较容易逃逸，因此给SONOS闪存器件的可靠性带来了一些问题，主要体现在Data Retention寿命上。本发明主要利用ON膜氧化来代替常规的单层热氧化层作为隧穿电介质层，来改善SONOS器件的Data Retention寿命。ON膜氧化方法主要是利用了其中富硅氮化层相对于氧化层较低的禁带宽度，因此在SONOS器件进行数据擦写的过程时(即发生FN Tunneling)，仍然可以保证较快的擦写速度。同时，由于ON成膜后对富硅氧化层进行氧化，因此相对于隧穿氧化层总物理厚度得以增厚，所以使得SONOS器件的Data Retention寿命得以提高。其中由于利用了ON膜氧化的方法，因此氮化膜厚度可以相对增厚，避免了工艺上成长超薄氮化膜的困难。

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