[发明专利]含多层氧氮化物层的氧化物-氮化物-氧化物堆栈

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明还提供上述半导体器件的形成方法。

为解决上述技术问题，本发明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SiH₂Cl₂/NH₃混合物，其混合比率为5∶1。