[发明专利]嵌入式硅纳米晶SONOS器件制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种嵌入式硅纳米晶SONOS器件制造方法。

背景技术

随着SONOS（Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon，硅-氧化硅-氮化硅-氧化硅-硅）器件逐渐取代浮栅极成为主要的非易失存储器以来，关于改善SONOS器件的编译和擦除速度、电荷保持能力（charge retention）以及器件的耐久能力（Endurance）等方法层出不穷。目前为止，围绕SONOS器件存储性能的改进，研究者进行了大量研究工作，主要集中在以下几个方面：

1、在存储层中引入纳米晶从而得到深势阱，提高俘获电荷稳定性；

2、通过改变氮化硅层原子百分比从而改变能带结构，提高俘获电荷稳定性；

3、设计新结构从而实现更快的存储速度。

此外，还有研究者通过改变隧穿介质或者改进阻挡氧化层来提高存储的稳定性，从而改进材料的存储性能。

最近利用原位掺杂的嵌入式硅纳米晶（SiNCs）的SONOS器件因为具有较大的记忆窗口、快速的编译和擦除速度、可以忽略的二位效应(second-bit effect)以及几乎可以忽略的漏极和门极的微扰而受到研究人员的广泛关注。然而这种SONOS器件在大约10⁴次编译和擦除循环后，由于界面态的产生和电子在循环中被隧穿氧化层所捕获，编译态和擦除态的阈值电压都有较明显的上升。

在尺寸不断缩小的SONOS器件中，需要抑制高温下存储电荷的横向分布来保持存储窗口。现有技术中，有的研究者利用原位淀积方法把SiNCs注入到氮化硅层制作了SONOS器件，这种SONOS器件表现出6V的存储窗口、良好的P/E特性和保持特性。与离子注入法、凝胶-溶胶法、直接化学淀积法等不同方法制备的Si₂NCs相比，原位淀积方法注入的Si₂NCs具有质量好、密度高、尺寸均匀、易于控制的优点，而且原位淀积方法工艺简单、容易实现、成本低同时与CMOS兼容性好，为器件尺寸的继续缩小提供了较大空间。

研究人员还利用原位淀积方式制作了含Si纳米晶氮化硅层SONOS器件，能够很容易得到多位的和二位操作方式，具有很快的编译和擦除速度。针对不同的淀积时间对比发现，淀积时间为30s的Si纳米晶氮化硅层SONOS器件具有最大的记忆窗口、快速的编译和擦除速度、可以忽视的二位效应、几乎可以忽略的漏极和源极扰动和长的数据保持时间，并且在10⁴次循环后仍有3V的记忆窗口。然而，虽然含Si纳米晶氮化硅层SONOS结构的器件的抗门极和抗漏极干扰能力有所增加，但是由于底层氧化硅层和硅的界面，以及纳米晶和氮化硅的界面的影响，使器件的可靠性受到影响，耐久性较差，且电荷保持能力也较差。

发明内容

本发明提供一种嵌入式硅纳米晶SONOS器件制造方法，能够有效提高器件的耐久性以及电荷保持能力，从而提高SONOS器件的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种嵌入式硅纳米晶SONOS器件制造方法，包括：提供衬底；在所述衬底上欲形成栅极的区域形成第一氧化层并进行第一次退火工艺；在所述第一氧化层上形成氮化硅层，所述氮化硅层中嵌有硅纳米晶；在所述氮化硅层上形成第二氧化层并进行第二次退火工艺；在所述第二氧化层上形成一硅层作为控制栅。

作为优选，所述第一次退火工艺和第二次退火工艺均在N₂O环境中进行。

作为优选，所述氮化硅层通过低压化学气相沉积法形成。

作为优选，所述硅纳米晶采用原位沉积方法形成。

作为优选，在所述第二氧化层上形成一硅层作为控制栅之后，还包括：对所述衬底的源漏区进行源漏轻掺杂；在所述控制栅侧壁形成栅极侧墙；对所述衬底的源漏区进行源漏区重掺杂以及退火工艺。

作为优选，在所述第一氧化层上形成氮化硅层步骤包括：在所述第一氧化层上形成底部氮化硅层；在所述底部氮化硅层上形成硅纳米晶；在所述底部氮化硅层以及硅纳纳米晶上形成顶部氮化硅层。

作为优选，所述底部氮化硅层的厚度为1~10nm，通过LPCVD沉积工艺形成，采用NH₃和SiCl₂H₂的混合气体，温度为780~800摄氏度，NH₃的流量为130~160sccm，SiCl₂H₂的流量为30~50sccm。