專利名稱：多晶硅浮置柵極及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種浮置柵極存儲(chǔ)單元(floating gate memory cell)及其制造 方法，且特別是涉及一種可降低晶體管不定抹除頻率的浮置柵極存儲(chǔ)單元及 其制造方法。
背景技術(shù)：
可儲(chǔ)存非揮發(fā)性信息的集成電路內(nèi)存(IC memory)的其中一種類型稱為 可抹除可程序只讀存儲(chǔ)器(erasable programmable ROM, EPROM),此種類型 的內(nèi)存允許4吏用者可寫入程序、或抹除程序后再重復(fù)寫入。EPROM的其中 一種類型稱為N-通道的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(N-channel MOSFET)， 如第1、 2圖所示。浮置柵極的晶體管(floating gate transistor) 10具有兩個(gè)由 多晶硅(polysilicon)所制成的柵極(gate)12和14。 一般沉積多晶硅，是在高溫 下大約520 700。C藉由低壓化學(xué)氣相沉積法(low pressure chemical vapor d印osition, LPCVD),對(duì)硅曱烷(silane, SiH4)或二硅曱烷disilane(Si2H6)進(jìn)行 熱分解(pyrolysis)。若多晶硅在低溫下例如520。C沉積，所形成的多晶硅為無 晶狀的(amorphous),此無晶形的多晶硅在后續(xù)的高溫制造工藝，如高達(dá) 900 100(TC的退火(annealing)步驟，會(huì)再結(jié)晶。柵極14為浮置柵極(floating gate),柵極12為選擇或控制柵極(select or control gate)。晶體管10中，基板 16具有一源極(source)18和一漏極(drain)20,且兩者以一通道(channe1)22隔 離。至于浮置柵極14和通道22之間是利用一第一絕緣層24,又稱柵極氧化 層(gate oxide)而隔離；控制柵極12和浮置柵極14之間是利用 一第二絕緣層 26而隔離。
圖1繪示一種程序化時(shí)(programming mode)的晶體管。圖1中的箭號(hào)代 表信道熱電子自靠近漏極20的通道22注入浮置柵極14，且穿過第一絕緣
5層24，而最后陷于浮置柵極14內(nèi)。浮置柵極14內(nèi)負(fù)電荷的存在會(huì)造成讀取 晶體管時(shí)臨限電壓(threshold voltage)的提高，即使電源關(guān)閉，讀取后的晶體 管仍然維持讀取的狀態(tài)。 一般預(yù)估這種維持讀取的狀態(tài)可以達(dá)100年之久。 圖2繪示一種處于抹除狀態(tài)時(shí)(erase mode)的晶體管。圖2中的箭號(hào)表示 Fowler-Nordheim(FN)電子穿遂電流穿過第一絕緣層24而回到源極18(或沿 著通道22)。讀取晶體管10時(shí)，是對(duì)控制柵極12施以一電壓，其電壓值介 在高臨限電壓與低臨限電壓之間。若晶體管IO被讀取時(shí)，儲(chǔ)存的信號(hào)等于 "0"，晶體管不導(dǎo)通。若晶體管IO沒有被讀取時(shí)，儲(chǔ)存的信號(hào)等于'T，，晶體 管IO可自由導(dǎo)通。
對(duì)于在集成電路內(nèi)存中的單個(gè)浮置柵極的晶體管(floating gate transistor) 而言，最常見的失敗型態(tài)之一稱為不定抹除(erratic erase)。此種不定的浮置 柵極的晶體管在進(jìn)行抹除動(dòng)作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定和超出預(yù)期的行為。比方說， 此種不定抹除會(huì)造成晶體管過度抹除(over erase)的情形，而使存儲(chǔ)單元 (memory cell)陷在"1"的狀態(tài)而無法纟皮讀取。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是在提供一種浮置柵極存儲(chǔ)單元及其制造方 法，藉由降低構(gòu)成浮置柵極的多晶硅粒徑，而減少組件出現(xiàn)不定抹除(erratic erase)的頻率。
根據(jù)本發(fā)明的第一目的，提出一種浮置柵極存儲(chǔ)單元(floating gate memory cell),包括 一基板，且基板有一漏極(drain)和一源極(source)并以 一通道(channel)隔絕； 一浮置柵極，位于通道上方并以一第一絕緣層隔離； 和一控制沖冊(cè)極(control gate),位于浮置柵極上方并以一第二絕緣層隔離。此 浮置柵極，至少部分為一微晶粒的多晶硅材質(zhì)，且具有一粒徑尺寸范圍約在 50 500A之間。另外，粒徑尺寸范圍亦可約為50~300A、或200 500A之間。
根據(jù)本發(fā)明的第二目的，提出一種形成多晶硅浮置柵極(polysilicon floating gate)的方法，于制造浮置柵極存儲(chǔ)單元時(shí)，利用沉積程序而形成。 首先，選擇一反應(yīng)氣體，和選擇性地(optionally)選擇一第二氣體Z，并應(yīng)用 于沉積程序期間，反應(yīng)氣體主要為SiX、 SiY或兩者以一適當(dāng)比例混合，且 X、 Y、 Z至少有一者包括氖(deuterium, D);接著，利用反應(yīng)氣 /第二氣體， 形成一具微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極。其中，X至少包括H4, H2C12, HC13，D4， D2C12, D3C1其中之一。Y至少包括H。 H4C12， H2C14， D6， D4C12， D2C14 其中之一。Z至少包括D2， H2, D3其中之一，主要用來作P務(wù)低粒徑之用。 另夕卜，可于沉積程序中， 一次沉積出所需的具微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極。 或者，可先沉積出一無晶形硅(amorphoussilicon)作為該浮置柵極，再對(duì)無晶 形硅進(jìn)行處理，以形成一所需的微晶粒結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的第三目的，提出一種制造一浮置柵極存儲(chǔ)單元時(shí)，利用一 沉積程序而形成一多晶硅浮置柵極的方法。首先，選擇一反應(yīng)氣體，和選擇 性地選擇一第二氣體，并應(yīng)用于沉積程序期間以形成浮置柵極，反應(yīng)氣體為 SiX，第二氣體為Y;令X至少包括H4， H2C12, HC13， D4, D2C12, D3C1其 中之一，Y至少包括D2， H2， Ds其中之一，以實(shí)施該選擇步驟；接著，再 利用反應(yīng)氣體/第二氣體，形成一具微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極。其中，形 成步驟可能更包括沉積一無晶形硅以作為浮置柵極；和對(duì)無晶形硅進(jìn)行處 理以形成一所需的微晶粒結(jié)構(gòu)，其粒徑尺寸范圍約為200 500A之間。
根據(jù)本發(fā)明的第四目的，提出一種制造一浮置柵極存儲(chǔ)單元時(shí)，利用一 沉積程序而形成一多晶硅浮置柵極的方法。首先，選擇一反應(yīng)氣體，和選擇 性地選擇一第二氣體，并應(yīng)用于沉積程序期間以形成浮置柵極，反應(yīng)氣體為 Si2X,第二氣體為Y;令X至少包括H。 H4C12, H2C14， D6， D4C12， D2C14 其中之一，Y至少包括D2， H2, D3其中之一，以實(shí)施該選擇步驟；接著， 再利用反應(yīng)氣體/第二氣體，形成一具微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極。其中， 形成步驟可能更包括沉積一無晶形硅以作為浮置柵極；和對(duì)無晶形硅進(jìn)行 處理以形成一所需的微晶粒結(jié)構(gòu)，其粒徑尺寸范圍約為200 500A之間。
根據(jù)本發(fā)明的第五目的，提出一種制造一浮置柵極存儲(chǔ)單元時(shí)，利用一 沉積程序而形成一多晶硅浮置柵極的方法。浮置柵極存儲(chǔ)單元包括 一基板， 基板有一漏極和一源極且以一通道隔絕； 一浮置4冊(cè)極，位于通道上方并以一 第一絕緣層隔離；和一控制柵極，位于浮置柵極上方并以一第二絕緣層隔離。 此方法包括步驟如下首先，選定一沉積環(huán)境，包括選擇一反應(yīng)氣體、 一反 應(yīng)氣體流量、 一沉積壓力及一沉積時(shí)間；接著，形成至少部分為微晶粒結(jié)構(gòu) 之一多晶硅浮置柵極，且具有粒徑尺寸約50 500A之間。另外，也可能形成 整個(gè)為微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極。形成的粒徑尺寸亦可能因沉積環(huán)境的 不同而落在約50 300A之間。反應(yīng)氣體主要為SiX、 SiY或兩者以一適當(dāng)比 例混合，或選擇性地再加上一第二氣體Z,且X、 Y、 Z至少有一者包括氘
7(deuterium, D)。其中，X至少包括H4, H2C12， HC13， D4, D2C12， D3C1其 中之一。Y至少包括H6， H4C12, H2C14, D6， D4C12， 020 其中之一。Z至 少包括D2， H2， D3其中之一。
為使本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選 實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。


圖1繪示一種程序化時(shí)(programmingmode)的晶體管； 圖2繪示一種處于抹除狀態(tài)時(shí)(erase mode)的晶體管； 圖3為圖1的晶體管的部分放大示意圖；及
圖4為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例所制造出的浮置柵極晶體管的部分示意
附圖標(biāo)號(hào)說明
10:晶體管
12:控制柵極
14、 14A:浮置柵極
16:基板
18:源極
20:漏極
22:通道
24:第一絕緣層
26:第二絕緣層
28:多晶硅的顆粒
28A:多晶硅的微晶粒
30、 30A:氧化谷
具體實(shí)施例方式
對(duì)浮置柵極的晶體管，其不定抹除時(shí)會(huì)造成晶體管過度抹除的情形，而 使存儲(chǔ)單元(memory cell)陷在'T，的狀態(tài)而無法被讀取，本發(fā)明是針對(duì)此問 題，做進(jìn)一步的解決和改善。本發(fā)明是以微晶粒作為浮置柵極，位于第一絕緣層上方的微晶粒，其材質(zhì)為多晶硅，并控制在某一粒徑范圍。此種設(shè)計(jì)不 但可消除晶體管不定抹除的狀況，更使其具有一致的抹除速度。
圖3為圖1的晶體管的部分放大示意圖。粒徑相當(dāng)大的多晶硅顆粒28 排列于第一絕緣層24上方以形成浮置柵極14。傳統(tǒng)的沉積方式所形成的多 晶硅，其粒徑范圍約在600 3000A之間。并且，在第一絕緣層24與兩個(gè)多 晶硅顆粒28的交界處，還形成所謂氧化谷(oxidevalley)30。
圖4為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例所制造出的浮置柵極晶體管的部分示意 圖。大致而言，依本發(fā)明所制造出的晶體管主要與傳統(tǒng)的浮置柵極晶體管10 相同，但本發(fā)明的浮置柵極14A是由粒徑更小的多晶硅微粒28A所組成， 且具有較小的氧化谷30A。氧化谷為一高密度的氧化磷(phosphorous oxide) 區(qū)域。浮置柵極14A由多個(gè)多晶硅的微晶粒28A所組成，其粒徑范圍約在 50 500A，且優(yōu)選的約在50 300A之間。相較于圖3，較小的微晶粒28A可 導(dǎo)致較小的氧化谷30A產(chǎn)生。小粒徑的微晶粒28A可降低晶體管不定抹除 的可能性，更使晶體管具有相同的抹除速度。另外，較小的氧化谷可減少阻 障層高度、或是降低電子陷于多晶硅/二氧化硅界面的機(jī)率。如圖4所示的微 晶粒28A，其粒徑不是那么規(guī)則，因此可藉由熱電子沖擊(hot electron impingement)幫助晶體管10對(duì)抗電子卡陷的情形。
本發(fā)明是以孑氐壓4匕學(xué)氣相沉積法(low pressure chemical vapor deposition, LPCVD)進(jìn)行多晶硅的沉積。其中一種LPCVD稱為爐管制造工藝(fUrnace process),是在溫度500-700°C,壓力0.1 mtorr 5 torr下進(jìn)行。另一種LPCVD 稱為單晶片制造工藝(single wafer process)，是在溫度580-800°C,壓力10 500 torr下進(jìn)行。浮置柵極可以依照所需要的多晶硅微粒結(jié)構(gòu)沉積而成。然而， 若在低于580。C的溫度下進(jìn)行沉積，形成的浮置柵極可能會(huì)變成無晶狀，而 需要再處理，例如回火(annealing),以得到所需的多晶硅;微粒結(jié)構(gòu)；此種情 況下，所造成的粒徑范圍約在200 500A之間。本發(fā)明并不以LPCVD為限， 也可利用其它沉積方法，例如等離子增強(qiáng)式化學(xué)氣相沉積法(plasma enhance chemical vapor d印osition， PECVD),得到所需的浮置4冊(cè)極孩t粒結(jié)構(gòu)。
在集成電路內(nèi)存組件中，形成本發(fā)明的浮置柵極的步驟大部分與傳統(tǒng)方 式相仿。不過，本發(fā)明的技術(shù)特征為形成多晶硅的浮置柵極14A時(shí)通入一 反應(yīng)氣體，在沉積期間亦可選擇性地通入一第二氣體。反應(yīng)氣體主要為SiX、 SiY、或兩者依適當(dāng)比例混合；第二氣體為Z。其中，X， Y, Z至少一者包含氖(deuterium, D)。 X至少包括H4, H2C12， HC13， D4， D2C12, D3C1其 中之一。Y至少包括H6,恥12， H2C14, D6， D4C12, D2C14其中之一。Z 至少包括D2， H2， D3其中之一。
在選出反應(yīng)氣體(/第二氣體)后，比較SiH4， SiH4/H2, SiH4/D2, SiD4/H2， 及SiD4/D2的使用結(jié)果。測(cè)試條件為溫度640 770。C，壓力200 400 torr, SiH4氣體流量控制范圍10-1000 sccm。
使用SiH4-(l)產(chǎn)生的浮置柵極14A并沒有所需的多晶硅微粒結(jié)構(gòu)，及 (2)產(chǎn)生的浮置柵極14A無法藉由熱電子沖擊對(duì)抗電子卡陷的情形。
使用SiH4/H2-(1)產(chǎn)生的浮置柵極14A有所需的多晶硅微粒結(jié)構(gòu)，及(2) 產(chǎn)生的浮置柵極14A無法藉由熱電子沖擊對(duì)抗電子卡陷的情形。
使用SiH4/D2-(l)產(chǎn)生的浮置柵極14A有所需的多晶硅微粒結(jié)構(gòu)，及(2) 產(chǎn)生的浮置斥冊(cè)極14A可藉由熱電子沖擊對(duì)抗電子卡陷的情形。
使用SiD4/H2-(l)產(chǎn)生的浮置柵極14A有所需的多晶硅微粒結(jié)構(gòu)，及(2) 產(chǎn)生的浮置柵極14A可藉由熱電子沖擊對(duì)抗電子卡陷的情形。
使用SiD4/D廣(l)產(chǎn)生的浮置柵極14A有所需的多晶硅微粒結(jié)構(gòu)，及(2) 產(chǎn)生的浮置柵極14A可藉由熱電子沖擊對(duì)抗電子卡陷的情形。
在上述情形中，又以SiD4/D2呈現(xiàn)最佳結(jié)果。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，H2氣流對(duì)的多晶硅微粒的影響為通入的H2氣流量愈 大，粒徑則愈小。例如，溫度720。C，壓力250torr的測(cè)試條件下，在單晶片 反應(yīng)室(single-wafer POLYgen chamber)內(nèi)以SiH4/H2進(jìn)行24秒的沉積，且沉 積的浮置柵極厚度為1000A。當(dāng)SiH4/H2氣體流量比為100/0 sccm時(shí)，多晶 A圭孩i粒的粒徑范圍約為600~800A。當(dāng)SilVH2氣體流量比為100/1000 sccm 時(shí)，多晶硅微粒的粒徑范圍約為200~400A。當(dāng)SiH4/H2氣體流量比為100/2000 sccm時(shí)，形成多晶硅微粒的粒徑范圍約為50~200A。另一個(gè)例子的測(cè)試條 件為在溫度640。C，壓力275torr,于單晶片反應(yīng)室內(nèi)以SiH4/H2進(jìn)行38秒 的沉積，且沉積的浮置柵極厚度為1000A。再于溫度950。C和氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn) 行30秒的快速熱制造工藝(RTP)。當(dāng)SiH4/H2氣體流量比為200/0 sccm時(shí)， 多晶,圭;敞粒的粒徑范圍約為800~1000A。當(dāng)SiH4/H2氣體流量比為200/1000 sccm時(shí)，形成多晶硅微粒的粒徑范圍縮小至約為400~600A。當(dāng)8識(shí)4氾2氣 體流量比為200/2000 sccm時(shí)，形成多晶硅微粒的粒徑范圍更縮小至約為 200~300A。另外，值得注意的是，如上所述的內(nèi)存抹除方法不限于實(shí)施例中圖示所
表示的源極抹除方法(Source erase)，此制造工藝亦可應(yīng)用在以通道抹除方法 (Channel Erase)為內(nèi)存抹除方法的多晶硅浮置柵極(polysilicon floating gate).
綜上所述，雖然本發(fā)明已結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例揭露如上，然而其并非用以限 定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作出各種 更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)視后附的權(quán)利要求的范圍所界定者 為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種制造一浮置柵極存儲(chǔ)單元時(shí)，利用一沉積程序而形成一多晶硅浮置柵極的方法，包括以下步驟選擇一反應(yīng)氣體，和選擇一第二氣體，并應(yīng)用于該沉積程序期間以形成該浮置柵極，該反應(yīng)氣體為SiX，該第二氣體為Y；令X至少包括H4，H2Cl2，HCl3，D4，D2Cl2，D3Cl其中之一，Y至少包括D2，H2，D3其中之一，以實(shí)施該選擇步驟；及利用該反應(yīng)氣體和該第二氣體，形成一具微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極。
2. 如權(quán)利要求1所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，該形成步驟 包括沉積一無晶形硅以作為該浮置柵極；和對(duì)該無晶形硅進(jìn)行處理，以形成一所需的微晶粒結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求2所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，經(jīng)處理步驟 后的該;微晶粒的多晶硅浮置柵極，具有一粒徑尺寸范圍為200 500A之間。
4. 如權(quán)利要求l所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，經(jīng)形成步驟 后的該微晶粒的多晶硅浮置柵極，具有一粒徑尺寸范圍為50 300A之間。
5. 如權(quán)利要求1所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，X和Y至 少有一者包含氘。
6. —種如權(quán)利要求1所述的方法所制的浮置柵極存儲(chǔ)單元。
7. —種制造一浮置柵極存儲(chǔ)單元時(shí),利用一沉積程序而形成一多晶硅浮 置柵極的方法，包括以下步驟選擇一反應(yīng)氣體，和選擇一第二氣體，并應(yīng)用于該沉積程序期間以形成 該浮置柵極，該反應(yīng)氣體為Si2X，該第二氣體為Y;令X至少包括H。 H4C12， H2C14, D6, D4C12， D2CU其中之一，Y至少 包括D2， H2, D3其中之一，以實(shí)施該選擇步驟；及利用該反應(yīng)氣體和該第二氣體，形成一具微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極。
8. 如權(quán)利要求7所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，該形成步驟 包括沉積一無晶形硅以作為該浮置柵極；和對(duì)該無晶形硅進(jìn)行處理，以形成一所需的微晶粒結(jié)構(gòu)。
9. 如權(quán)利要求8所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，經(jīng)處理步驟 后的該微晶粒的多晶硅浮置柵極，具有一粒徑尺寸范圍為200 500A之間。
10. 如權(quán)利要求7所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，經(jīng)形成步 驟后的該微晶粒的多晶硅浮置柵極，具有一粒徑尺寸范圍為50~300A之間。
11. 如權(quán)利要求7所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，X和Y至 少有一者包含氘。
12. —種如權(quán)利要求7所述的方法所制的浮置柵極存儲(chǔ)單元。
13. —種制造一浮置柵極存儲(chǔ)單元時(shí)，利用一沉積程序而形成一多晶硅 浮置柵極的方法，其中，該浮置柵極存儲(chǔ)單元包括一基板，該基板有一漏極 和一源極且以一通道隔絕； 一浮置柵極，位于該通道上方并以一第一絕緣層 隔離；和一控制柵極，位于該浮置柵極上方并以一第二絕緣層隔離，該方法 包括以下步驟選定一沉積環(huán)境，包括選擇一反應(yīng)氣體；選擇一反應(yīng)氣體流量；選擇一沉積壓力；及選擇一沉積時(shí)間； 形成一具微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極；及于第一絕緣層上方，形成至少部分為一^(效晶粒結(jié)構(gòu)的該浮置柵極，且具 有一粒徑尺寸范圍在50 500A之間。
14. 如權(quán)利要求13所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，該粒徑尺 寸范圍在50 300A之間。
15. 如權(quán)利要求13所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中選擇該反應(yīng) 氣體的步驟包括擇一反應(yīng)氣體，和擇一第二氣體Z，并應(yīng)用于該沉積程序期間，該反應(yīng) 氣體主要為SiX、 SiY或兩者以一適當(dāng)比例混合，且X、 Y、 Z至少有一者包 括氘。
16. 如權(quán)利要求15所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中，X至少包 括H4， H2C12， HC13， D4, D2C12， D3C1其中之一。
17. 如權(quán)利要求15所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中選擇氣體的步驟中，Y至少包括H6， H4C12, H2C14， D6, D4C12, D2CU其中之一。
18. 如權(quán)利要求15所述的形成多晶硅浮置柵極的方法，其中選擇氣體的 步驟中，Z至少包括D2， H2, D3其中之一。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多晶硅浮置柵極及其制造方法。該方法利用一沉積程序而形成一多晶硅浮置柵極的方法，包括以下步驟選擇一反應(yīng)氣體，和選擇一第二氣體，并應(yīng)用于該沉積程序期間以形成該浮置柵極，該反應(yīng)氣體為SiX，該第二氣體為Y；令X至少包括H₄，H₂Cl₂，HCl₃，D₄，D₂Cl₂，D₃Cl其中之一，Y至少包括D₂，H₂，D₃其中之一，以實(shí)施該選擇步驟；及利用該反應(yīng)氣體和該第二氣體，形成一具微晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅浮置柵極。
文檔編號(hào)H01L21/28GK101645397SQ20091016997
公開日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2003年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月28日
發(fā)明者統(tǒng) 駱 申請(qǐng)人:旺宏電子股份有限公司