(57)【要約】  フラッシュメモリデバイス及びフラッシュメモリデバイスを形成する方法を提供する。１つのバージョンでは、フラッシュメモリデバイスは、炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを有するドープト窒化シリコン層を含む。ドープト窒化シリコン層は、層中に発生する窒素ダングリングボンド及びシリコンダングリングボンドの数及び濃度を増大させ、不揮発性メモリデバイスのユニットセルの電荷保有能力及び電荷保持時間を増加させる。
2012506640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フラッシュメモリデバイスを形成する方法であって、
（ａ）基板上に二酸化シリコン層を形成するステップと、
（ｂ）前記二酸化シリコン層上にドープト窒化シリコン層を形成するステップであって、前記ドープト窒化シリコン層が、炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを含むステップと、
（ｃ）前記ドープト窒化シリコン層上に誘電体材料を堆積させるステップと、
（ｄ）前記誘電体材料上に導電性ゲートを堆積させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
ステップ（ｂ）が、ドーパントを含むドープト窒化シリコン層を形成するステップを含み、前記ドーパントが、
（ｉ）アンドープ窒化シリコン層と比較して前記ドープト窒化シリコン層の電荷保持時間を増加させるために十分に高い割合であり、
（ｉｉ）前記アンドープ窒化シリコン層と比較して前記ドープト窒化シリコン層の前記電荷保持時間を少なくとも約１％だけ増加させるために十分に高い割合であり、かつ
（ｉｉｉ）約１％から約５０％の割合である
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｂ）が、
（ｉ）窒化シリコン層を堆積させるステップと、
（ｉｉ）炭素含有種、ホウ素含有種、及び酸素含有種のうちの少なくとも１つを含むプロセスガスに前記窒化シリコン層を曝すステップと、
（ｉｉｉ）前記ドーパントプロセスガスを活性化させてプラズマを形成することにより、炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを用いて、前記堆積させた窒化シリコン層にドープするステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プロセスガスがＳｉＨ４、ＮＨ３、及びＮ２を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ステップ（ｂ）が、
（ｉ）窒化シリコン層を堆積させるステップと、
（ｉｉ）炭素、ホウ素、及び酸素のうちの少なくとも１つを含むプロセスガスに前記窒化シリコン層を曝すステップと、
（ｉｉｉ）前記基板を加熱することにより、炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを用いて、前記堆積させた窒化シリコン層にドープするステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
（ｉ）誘電体材料が、高誘電率誘電体又は酸化アルミニウムを含むこと、及び
（ｉｉ）導電性ゲートがチタン又はタンタルを含むこと
のうちの少なくとも一方を特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
（ａ）シリコンを含む基板と、
（ｂ）前記基板上の二酸化シリコン層と、
（ｃ）前記二酸化シリコン層上のドープト窒化シリコン層であって、炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを含むドープト窒化シリコン層と、
（ｄ）前記ドープト窒化シリコン層上の誘電体材料と、
（ｅ）前記誘電体材料上の導電性ゲートと
を備えた、フラッシュメモリデバイス。
【請求項８】
フラッシュメモリデバイスを形成する方法であって、
（ａ）基板上に二酸化シリコン層を形成するステップと、
（ｂ）前記二酸化シリコン層上に窒化シリコン層を形成するステップであって、前記窒化シリコン層が、窒素に対するシリコンの比率が前記層の厚さ全体にわたって変化する組成勾配を含むステップと、
（ｃ）前記窒化シリコン層上に誘電体材料を堆積させるステップと、
（ｄ）前記誘電体材料上に導電性ゲートを堆積させるステップと
を含む方法。
【請求項９】
ステップ（ｂ）が、
（ｉ）アンドープ窒化シリコン層と比較して窒化シリコン層の電荷保持時間を増加させるために十分に大きな量だけ、前記厚さ全体にわたって変化する窒素に対するシリコンの比率、
（ｉｉ）前記厚さ全体にわたって少なくとも約１％だけ変化する、窒素に対するシリコンの比率、及び
（ｉｉｉ）前記厚さ全体にわたって約０．４から約１．２だけ変化する、窒素に対するシリコンの比率
のうちの少なくとも１つを含む組成勾配を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
ステップ（ｂ）が、
（ｉ）窒素含有成分に対してあるシリコン含有成分を含むプロセスガスをプロセスゾーン中に導入し、前記プロセスゾーン周辺の電極に第１の電力レベルでエネルギーを印加することにより前記プロセスゾーン内に前記プロセスガスのプラズマを発生させることによって、窒素に対するシリコンの第１の比率を有する窒化シリコンを堆積させるステップと、
（ｉｉ）前記プロセスゾーン周辺の前記電極に第２の電力レベルでエネルギーを印加することにより窒素に対するシリコンの第２の比率を有する窒化シリコンを堆積させるステップと
を含み、
前記第１の電力レベルが前記第２の電力レベルよりも少なくとも約２００Ｗ高い、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
ステップ（ｂ）が、
（ｉ）シリコン含有成分及び窒素含有成分を含むプロセスガスの、プロセスゾーン内への第１の圧力を維持し、前記プロセスゾーン内に前記プロセスガスのプラズマを発生させることによって、窒素に対するシリコンの第１の比率を有する窒化シリコンを堆積させるステップと、
（ｉｉ）前記プロセスゾーン内における前記プロセスガスの第２の圧力を維持することによって、窒素に対するシリコンの第２の比率を有する窒化シリコンを堆積させるステップと
を含み、
前記第１の圧力が前記第２の圧力よりも少なくとも約０．１Ｔｏｒｒだけ高い、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
ステップ（ｂ）が、
（ｉ）窒素含有成分に対するシリコン含有成分の第１の比率を有する第１のプロセスガスをプロセスゾーン中に導入し、前記プロセスゾーン内に前記プロセスガスのプラズマを発生させることによって、窒素に対するシリコンの第１の比率を有する窒化シリコンを堆積させるステップと、
（ｉｉ）シリコン含有成分と窒素含有成分との第２の比率を有する第２のプロセスガスを前記プロセスゾーン中に導入し、前記プロセスゾーン内に前記プロセスガスのプラズマを発生させることによって、窒素に対するシリコンの第２の比率を有する窒化シリコンを堆積させるステップと
を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
（ａ）シリコンを含む基板と、
（ｂ）前記基板上の二酸化シリコン層と、
（ｃ）前記二酸化シリコン層上の窒化シリコン層であって、窒素に対するシリコンの比率が前記層の厚さ全体にわたって変化する組成勾配を有する窒化シリコン層と、
（ｄ）前記窒化シリコン層上の誘電体材料と、
（ｅ）前記誘電体材料上の導電性ゲートと
を備えた、フラッシュメモリデバイス。
【請求項１４】
フラッシュメモリデバイスを形成する方法であって、
（ａ）基板上に二酸化シリコン層を形成するステップと、
（ｂ）前記二酸化シリコン層上に窒化シリコン層を形成するステップと、
（ｃ）約１５０ｎｍから約１２００ｎｍの波長を有する紫外線放射光に前記窒化シリコン層を曝すステップと、
（ｄ）前記窒化シリコン層上に誘電体材料を堆積させるステップと、
（ｅ）前記誘電体材料上に導電性ゲートを堆積させるステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記紫外線放射光が約１５０ｎｍから約４００ｎｍの波長を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
フラッシュメモリデバイスを形成する方法であって、
（ａ）基板上に二酸化シリコン層を形成するステップと、
（ｂ）前記二酸化シリコン層上に窒化シリコン層を形成するステップと、
（ｃ）電子ビームに前記窒化シリコン層を曝すステップと、
（ｄ）前記窒化シリコン層上に誘電体材料を堆積させるステップと、
（ｅ）前記誘電体材料上に導電性ゲートを堆積させるステップと
を含む方法。
【請求項１７】
請求項１４又は１６に記載の方法に従って製造された、窒化シリコン層が層全体にわたる水素の濃度勾配を有するデバイス
【請求項１８】
フラッシュメモリデバイスを形成する方法であって、
（ａ）基板上に二酸化シリコン層を形成するステップと、
（ｂ）（１）プロセスゾーン内に前記基板を設置し、
（２）（ｉ）シリコン含有成分及び窒素含有成分を含む第１のプロセスガスを前記プロセスゾーン中に導入すること、及び（ｉｉ）前記プロセスゾーン内に前記第１のプロセスガスのプラズマを発生させることによって、前記基板上に窒化シリコン層を堆積させ、そして
（３）（ｉ）不活性ガス又は非反応性ガスを含む第２のプロセスガスを前記プロセスゾーン中に供給するために、前記第１のプロセスガスの流れを停止又は変更すること、及び（ｉｉ）前記堆積させた窒化シリコン層を処理するために、前記プロセスゾーン内に前記第２のプロセスガスのプラズマを発生させることによって、プラズマ処理した窒化シリコン層を形成する
ことによって、前記二酸化シリコン層上にプラズマ処理した窒化シリコン層を形成するステップと、
（ｃ）前記窒化シリコン層上に誘電体材料を堆積させるステップと、
（ｄ）前記誘電体材料上に導電性ゲートを堆積させるステップと
を含む方法。
【請求項１９】
ステップ（ｂ）の（２）及び（３）を、複数のプロセスサイクルの間繰り返す、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記シリコン含有ガスがシランを含み、前記窒素含有ガスがアンモニアを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
フラッシュメモリなどの不揮発性メモリデバイスは、外部電源からの電力なしで蓄積した電荷を保持する能力がある。フラッシュメモリは、メモリセルのアレイを備え、メモリセルの各々は、電荷又はゲートしきい値電圧に対応する１ビット又は複数ビットの情報を記憶するように構成される。例えば、新たなフラッシュメモリデバイスは、セル当たり数ビットを記憶することができ、２つ以上の別個のレベルを表わすことができるパラメータを利用することができる。フラッシュメモリデバイスは、典型的には、電荷を蓄積するための構造に応じて２つのタイプから成る。浮遊ゲート型フラッシュメモリは、制御ゲート電極の下に配置された浮遊ゲート電極中に電荷を蓄積する。しかしながら、導電性浮遊ゲート電極は、データ保持のために電気的に分離する必要があり、ゲート構造は、製造することが難しい場合がある高アスペクト比を有する。また、かかるフラッシュメモリデバイスの密度が増加するにつれて、隣接するメモリセル間の間隔が縮小し、電荷保持時間を減少させる隣接する浮遊ゲートセル間の電気的なカップリングをもたらす。
【０００２】
電荷トラップ型フラッシュメモリを、浮遊ゲートメモリデバイスよりも少なく複雑でないステップで製造することができる。電荷トラップメモリは、電荷トラップサイトを与える窒化シリコンなどの材料で形成されたゲート絶縁層を使用する。しかしながら、これらのデバイスが小さくなるにつれて、個々の電荷トラップセルを作るために基板上で利用可能な正味の面積が減少する。従って、電荷トラップ層上へと加えることができる電子の数も、やはり減少する。電荷トラップセル能力のこの減少は、各ユニットセルによって記憶することができる情報の量を減少させる。
【０００３】
これらの欠陥及び他の欠陥を含む様々な理由のために、様々なフラッシュメモリデバイスの開発にもかかわらず、メモリデバイス及び電荷トラップデバイスにおけるさらなる改善が、継続的に模索されている。
【発明の概要】
【０００４】
フラッシュメモリデバイスは、基板上に二酸化シリコン層を形成することによって製造される。ドープト窒化シリコン層が、二酸化シリコン層上に形成され、ドープト窒化シリコン層が、炭素か、ホウ素か、酸素を含むドーパントを含む。誘電体材料がドープト窒化シリコン層上に堆積され、導電性ゲートが誘電体材料上に堆積される。
【０００５】
フラッシュメモリデバイスは、シリコンを含む基板と、基板上の二酸化シリコン層と、二酸化シリコン層上のドープト窒化シリコン層とを備える。ドープト窒化シリコン層は、炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを含む。誘電体材料がドープト窒化シリコン層上に形成され、導電性ゲートが誘電体材料上に形成される。
【０００６】
別の一方法では、二酸化シリコン層が基板上に形成され、窒化シリコン層が二酸化シリコン層上に形成される。窒化シリコン層は、窒素に対するシリコンの比率が層の厚さ全体にわたって変化する組成勾配を有する。誘電体材料が窒化シリコン層上に堆積され、導電性ゲートが誘電体材料上に堆積される。
【０００７】
別の１つのフラッシュメモリデバイスは、シリコンを含む基板と、基板上の二酸化シリコン層と、二酸化シリコン層上の窒化シリコン層とを備える。窒化シリコン層は、窒素に対するシリコンの比率が層の厚さ全体にわたって変化する組成勾配を有する。誘電体材料が窒化シリコン層上にあり、導電性ゲートが誘電体材料上にある。
【０００８】
別の一方法は、基板上に二酸化シリコン層を形成するステップと、二酸化シリコン層上に窒化シリコン層を形成するステップとを含む。窒化シリコン層は、約１５０ｎｍから約１２００ｎｍの波長を有する紫外線放射光に曝される。誘電体材料が窒化シリコン層上に堆積され、導電性ゲートが誘電体材料上に堆積される。
【０００９】
さらに別の一方法では、二酸化シリコン層が基板上に形成され、窒化シリコン層が二酸化シリコン層上に形成される。窒化シリコン層が電子ビームに曝される。誘電体材料が窒化シリコン層上に堆積され、導電性ゲートが誘電体材料上に堆積される。
【００１０】
さらに別の一方法では、二酸化シリコン層が基板上に形成される。プラズマ処理した窒化シリコン層が、（１）プロセスゾーン内に基板を設置するステップと、（２）（ｉ）シリコン含有成分及び窒素含有成分を含む第１のプロセスガスをプロセスゾーン中に導入し、プロセスゾーン内に第１のプロセスガスのプラズマを発生させることによって、基板上に窒化シリコン層を堆積させるステップと、（３）（ｉ）不活性ガス又は非反応性ガスを含む第２のプロセスガスをプロセスゾーン中に供給するために、第１のプロセスガスの流れを停止又は変更し、（ｉｉ）堆積させた窒化シリコン層を処理するために、プロセスゾーン内に第２のプロセスガスのプラズマを発生させることによって、プラズマ処理した窒化シリコン層を形成するステップと、（４）窒化シリコン層上に誘電体材料を堆積させるステップと、（５）誘電体材料上に導電性ゲートを堆積させるステップとによって、二酸化シリコン層上に形成される。
【００１１】
本発明のこれらのフィーチャ、態様、及び利点は、後述の記載、別記の特許請求の範囲、及び本発明の実施例を図示する添付図面を考慮してより良く理解されるであろう。しかしながら、フィーチャの各々を、単に特定の図面の状況においてではなく、一般に発明において使用することができることが、理解されるべきであり、本発明はこれらのフィーチャの任意の組み合わせを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】処理した窒化シリコンフィーチャを用いたフラッシュメモリデバイスを示す基板の概略的断面図である。
【図２】ＰＥＣＶＤ堆積チャンバである基板プロセシングチャンバの実施形態の概略図である。
【図３】窒化シリコン材料を適したエネルギービーム源に曝すために適した照射チャンバの概略図である。
【図４Ａ】基底状態結合及び励起状態結合についての原子間距離の関数としての結合エネルギーを示すモデルの図である。
【図４Ｂ】励起状態結合及び基底状態結合の両方についての、（Ｈ３Ｓｉ）Ｎ−ＨのＮ−Ｈ結合を伸長させるために必要なエネルギーを示すモデルの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
一実施形態では、フラッシュメモリデバイス２０は、シリコンウェーハなどの半導体、化合物半導体、又は誘電体を含む基板２２上に製造される。シリコンウェーハは、シリコン、ゲルマニウム、又はシリコンゲルマニウムの単結晶又は大きな結晶を含む。例示的な化合物半導体は、ガリウムヒ素を含む。適した誘電体は、ガラスパネル又はガラスディスプレイを含み、例えば、とりわけ他の材料の中で、ボロリンケイ酸ガラス、リンケイ酸ガラス、及びホウケイ酸ガラスを含むことができる。
【００１４】
二酸化シリコン層２４が、基板２２上に形成され、トンネル酸化膜として働く。トンネル酸化膜は、半導体基板２２中に形成された不純物領域から成るソース／ドレイン３２、３４と接触することができる。テトラエチルオルソシラン（ＴＥＯＳ）、シラン、酸素、及び他のそのようなガスなどの、シリコン含有化合物及び酸素含有化合物含むプロセスガスを使用して、ＣＶＤ又はＰＥＣＶＤを含む適した方法によって、二酸化シリコン層２４を形成することができる。二酸化シリコン層２４を、やはり、シリコンウェーハの表面を酸化することによって作ることができる。典型的には、二酸化シリコン層２４は、約１ｎｍから約６ｎｍの厚さを有する。
【００１５】
窒化シリコン層２６を、二酸化シリコン層２４上に形成する。窒化シリコン層２６を、フラッシュメモリデバイス２０用の電荷トラッピング層として使用する。電荷トラッピング層又は電荷蓄積層は、トンネル酸化膜を通り抜ける電荷を蓄積するトラップサイトを含む。窒化シリコン層２６の堆積の前に、又は堆積中に、又は堆積後に、本明細書中で記載するように、層の電荷保持能力を高めるために、窒化シリコン層を処理する。
【００１６】
窒化シリコン以外の誘電体材料２８を、窒化シリコン層２６の上に堆積させる。誘電体材料２８は、電荷トラップ層中にトラップされた電子のゲート電極３０へのリークを減少させる電荷ブロッキング層として働く。ブロッキング層は、また、他の方向からの、すなわち、ゲート電極３０から電荷トラッピング層中へと電荷が通ることを妨げる又は阻止することができる。誘電体材料２８を、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、ＬａＯ、ＬａＡｌＯ、ＬａＨｆＯ、ＨｆＡｌＯ、ＨｆＡｌＯＮ、ＨｆＳｉＯｘ、ＨｆＳｉＯＮ、及びこれらの組み合わせなどの、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）誘電体とすることができる。１つの適した高誘電率誘電体材料は、約９〜１１の誘電率（ｋ）値を有する酸化アルミニウムを含む。誘電体材料２８を、物理気相堆積（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、又は化学気相堆積（ＣＶＤ）によって堆積させることができる。
【００１７】
ゲート電極３０を誘電体材料２８上に形成する。ゲート電極３０を、ユニットセルのための適切な仕事関数を有する導電性材料から形成する。例えば、ゲート電極３０を、例えば、Ｍｏ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｗ、ＨｆＮ、ＮｉＴａ、Ｍｏ２Ｎ、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＷＮ、ＷＳｉ、及びこれらの組み合わせなどの、元素金属、合金、又は金属化合物から作られる金属ゲートとすることができる。ゲート電極３０を、やはり、窒素又はシリコンと結合させた金属を含む金属化合物とすることができる。ゲート電極３０を、さらに、例えば、多結晶シリコンなどの適切な仕事関数を有する非金属導電体とすることができる。従来のＰＶＤ法、ＡＬＤ法、及びＣＶＤ法を、ゲート電極３０を堆積させるために使用することができる。
【００１８】
ゲート電極３０、上部誘電体層２８、窒化シリコン層２６、及び酸化シリコン層２４を、図１に示したような積層構造を形成するためにパターニングする。その後で、積層構造の両側に露出した半導体基板２２の表面中にドーパントを注入して、ドープした領域を形成する。ドープした領域を熱処理して、ソース３２及びドレイン３４を形成し、フラッシュメモリデバイス２０のユニットセルを完成する。フラッシュメモリデバイス２０では、窒化シリコン層２６は、電荷をトラップし蓄積する電荷トラップとして働く。二酸化シリコン層２４をトンネルして抜ける電子を、窒化シリコン層２６中にトラップすることができる。しきい値電圧は、電子が電荷トラップ層中にそれまでにトラップされているかどうかに応じて変化する。
【００１９】
説明によって限定されることなく、いくつかの違った方法のうちの１つ及びこれらの方法の組み合わせによって窒化シリコン層２６を処理することによって、より優れた電荷保持特性を得ることができることが、発見されている。窒化シリコン層２６中の電荷トラップ濃度及び分布が、窒化シリコン層２６の組成及び構造に依存することが、見つけられている。具体的に言えば、窒化シリコン層２６中のシリコンダングリングボンドの窒素ダングリングボンドに対する濃度の比率が、層の電荷保持特性に影響を及ぼすことが、考えられている。シリコンダングリングボンドの濃度を増加させる又は最大にすることによって、電荷保持時間を増加させることができることが、さらに考えられている。窒化シリコン層２６中のシリコンダングリングボンドの数を増加させることが、キャリアトラップ濃度を増加させるように思われる。しかしながら、シリコンダングリングボンドは、エネルギーバンドギャップ中で非常に浅いトラップを作り出す。浅いトラップは、十分に深くないポテンシャルエネルギーレベルから成る。結果として、高濃度のシリコンダングリングボンドを有する窒化シリコン層２６は、電荷損失の潜在的な可能性を増大させる。少ない量の熱エネルギーでさえ、保持した電荷の熱的なデトラッピング、その結果、電荷損失をもたらすことがある。
【００２０】
窒化シリコン層２６を処理するここに記載した方法が、電荷の熱的なデトラッピング又は他のデトラッピングの確率を減少させるために、バンドギャップ中のより深いエネルギーレベルのところのダングリングボンドの濃度を増加させることが、考えられている。さらに、電荷が深いエネルギーウェルに対応する特定のサイト中に落ち込むときに、電荷がエネルギーウェル内に分離されたままで留まる傾向があり、外部エネルギーの印加でトラップサイトから出て容易に移動しない又は拡散しないので、電荷保持力が実質的に増加する。そのように、窒化シリコン層２６中に作り出される電荷トラップサイトの数、及びポテンシャルエネルギーウェルの深さを、顕著に改善することができ、電荷保持力を増加させることができる。
【００２１】
より深いエネルギーウェルを有する利用可能な電荷トラップサイトの数を増加させる１つの方法は、窒化シリコン層２６中のダングリング窒素ボンドの数を増加させることを含む。ダングリング窒素ボンドは、一般に、シリコンダングリングボンドと比較してより深いポテンシャルウェルを有する。ダングリング窒素ボンドの数を増加させる１つのやり方は、窒化シリコン層２６から水素原子を除去することである。それに加えて、窒化シリコン層２６にドーパント物質を添加することが、やはり、ドーパントサイトに向けてネットワーク内で電子を再分布させることをもたらすことができ、窒素ダングリングボンドの数をさらに増加させる。
【００２２】
しかしながら、シリコンダングリングボンドの実質的な数を維持することがさらに望ましい。これは、シリコンダングリングボンドを構造中に導入することが容易であり、やはり電荷保持速度を向上させるためである。具体的に言えば、シリコンダングリングボンドが広く浅いエネルギーウェルを有するために、シリコンダングリングボンドの存在によって作り出された電荷トラップサイト中へと電荷を移動させるために少ないエネルギーしか必要としない。その結果、電荷保持時間をまだ延長したままで電荷保持速度を最適化するために、窒素ダングリングボンドに加えてある比率のシリコンダングリングボンドを有することが望ましい。窒化シリコン層２６を堆積させ処理するここに記載している方法は、シリコンダングリングボンドと窒素ダングリングボンドとの最適な比率を望ましく導入すると考えられている。
【００２３】
本プロセスの一態様では、窒化シリコン層２６の堆積中のプロセシングパラメータを制御することによって、電荷トラップ保持時間を増加させることができることが、見つけられている。ＰＥＣＶＤプロセスでは、シリコン含有成分及び窒素含有成分を含むプロセスガス、又はシリコン及び窒素の両方を含有する単一成分のプロセスガスを使用して、窒化シリコンを堆積させる。シリコン含有成分を、例えば、シラン、ジシラン、トリメチルシリル（ＴＭＳ）、トリス（ジメチルアミノ）シラン（ＴＤＭＡＳ）、ビス（第三ブチルアミノ）シラン（ＢＴＢＡＳ）、ジクロロシラン（ＤＣＳ）、及びこれらの組み合わせとすることができる。適したシラン流量は、約５ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍである。窒素含有成分を、例えば、アンモニア、窒素、及びこれらの組み合わせとすることができる。アンモニアについての適した流量は、約１０ｓｃｃｍから約６００ｓｃｃｍである。具体的に規定しない限り、これらのプロセスでは、電極電力レベルは、典型的には、約１００ワットから約４００ワットで維持され、電極間隔は、約５ｍｍ（２００ｍｉｌ）から約１２ｍｍ（６００ｍｉｌ）であり、プロセスガス圧力は、約１Ｔｏｒｒから約４Ｔｏｒｒであり、基板温度は、約３００℃から約６００℃である。
【００２４】
プロセスガスは、また、大量に与えられる希釈ガスを含むことができ、反応性ガス成分が希釈剤として及び少なくとも一部が反応剤窒素含有ガスとして働く。例えば、窒素を、約５，０００ｓｃｃｍから約３０，０００ｓｃｃｍの流量で添加することができる。シリコン酸窒化材料を堆積させるときには、プロセスガスは、また、酸素含有ガス、例えば、酸素などの追加のガスを含有することができる。含むことができるさらに他のガスは、約１００ｓｃｃｍから約５，０００ｓｃｃｍの流量で、例えば、ヘリウム又はアルゴンなどの不活性ガスである場合がある。
【００２５】
一態様では、窒素に対するシリコンの比率が層の厚さ全体にわたって変化する組成勾配を有する窒化シリコン層２６を形成するために、堆積条件を堆積プロセス中に変える。プロセス条件の調節を選択して、窒素に対するシリコンの比率が、均一な窒化シリコン層と比較して窒化シリコン層の電荷保持時間を増加させるために十分に大きな量だけ、厚さ全体にわたって変化する組成勾配を有する窒化シリコン層を設ける。
【００２６】
このプロセスの１つのバージョンでは、窒素に対するシリコンの第１の比率を有する窒化シリコンを、基板上に堆積させる。このプロセスでは、プロセスガスを、プロセスゾーン中に導入し、プロセスガスが本明細書中に記載したような窒素含有成分に対するシリコン含有成分を含む。プロセスゾーン周辺の電極に第１の電力レベルでエネルギーを印加することによって、プロセスゾーン内にプロセスガスのプラズマを発生させる。その後で、電極に印加するエネルギーを第２の電力レベルに変化させることによって、窒素に対するシリコンの第２の比率を有する窒化シリコンを堆積させる。１つのバージョンでは、第１の電力レベルは、第２の電力レベルよりも少なくとも約２００Ｗ高い。例えば、第１の電力レベルを、約３０００ワットよりも低く構成することができ、第２の電力レベルを、少なくとも約１０ワットで構成する。
【００２７】
このプロセスの別の１つのバージョンでは、プロセスゾーン内でプロセスガスのプラズマを発生させながら、プロセスゾーン中への第１の圧力のプロセスガスを維持することによって、窒素に対するシリコンの第１の比率を有する窒化シリコンを、基板上に堆積させる。その後で、プロセスゾーン内で第２の圧力のプロセスガスを維持することによって、窒素に対するシリコンの第２の比率を有する窒化シリコンを堆積させる。例えば、第１の圧力を、少なくとも約０．１Ｔｏｒｒだけ第２の圧力よりも高くすることができる。１つのバージョンでは、第１の圧力は、約２０Ｔｏｒｒよりも低く、第２の圧力は、少なくとも約１Ｔｏｒｒである。
【００２８】
さらに別の１つのバージョンでは、プロセスゾーン中に導入するプロセスガスの組成を変化させることによって、窒素に対するシリコンの第１の比率及び第２の比率を有する窒化シリコンを、基板上に形成する。例えば、シラン（ＳｉＨ４）を含むシリコン含有ガス成分、アンモニア（ＮＨ３）を含む窒素ガス成分、及び窒素（Ｎ２）を含む希釈ガス成分を含むプロセスガスを使用して、窒化シリコンを堆積させることができる。最初に、窒素含有成分に対するシリコン含有成分の第１の比率を有する第１のプロセスガスを使用し、そのプロセスガスのプラズマを、プロセスゾーン内に発生させる。その後で、窒素含有成分に対するシリコン含有成分の第２の比率を有する第２のプロセスガスを使用し、そのプロセスガスのプラズマを、プロセスゾーン内に発生させる。窒素含有成分に対するシリコン含有成分の第１の比率は、約１００：１よりも小さく、窒素含有成分に対するシリコン含有成分の第２の比率は、少なくとも約１である。例えば、シランのアンモニアに対する比率は、約１：１から約１：３の範囲とすることができる。
【００２９】
一実施例では、ＮＨ３の流量を、５００ｓｃｃｍで維持する一方で、ＳｉＨ４の流量を２５ｓｃｃｍから５０ｓｃｃｍまで変え、２０，０００ｓｃｃｍでのＮ２の流量で、６Ｔｏｒｒの圧力で、３０ワットの電力レベルで、４３０℃の温度で、及び１２ｍｍ（４８０ｍｉｌ）のプロセス電極間隔で、プロセス条件を一定に保った。
【００３０】
別の一実施例では、２５ｓｃｃｍ又は５０ｓｃｃｍのＳｉＨ４の一定流量で、ＮＨ３の流量を５０ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍまで変えることができる。
【００３１】
一般に、ＳｉＨ４流量のＮＨ３流量に対する低い比率は、窒素リッチ膜を与える。そのため、ＳｉＨ４のＮＨ３の流量に対する比率が、１：１０であるときに、プロセスは、０．６のＳｉ／Ｎ比を有する窒化シリコン材料を堆積させる。
【００３２】
上に記載したバージョンでは、結果としてのフラッシュメモリデバイス２０は、窒素に対するシリコンの比率が層の厚さ全体にわたって変化する組成の勾配を有する窒化シリコン層２６を備える。例えば、窒素に対するシリコンの比率が、アンドープ窒化シリコン層と比較して窒化シリコン層の電荷保持時間を増加させるために十分に大きな量だけ、厚さ全体にわたって変化する組成勾配を、窒化シリコン層２６は有することができる。１つのバージョンでは、窒化シリコン層は、窒素に対するシリコンの比率が層の厚さ全体にわたって少なくとも約１％だけ変化する組成勾配を有する。窒化シリコン層は、窒素に対するシリコンの比率が、層の厚さ全体にわたって約０．４から約１．５だけ変化する組成勾配を有することもできる。変形の窒化シリコン層の組成は、下記に記載するように、炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを用いてドープすることもできる。
【００３３】
上に記載した窒化物堆積プロセスを実行するために使用することができる基板プロセシングチャンバ４０の一実施形態を、図２に図示する。チャンバ４０は、例示的なチャンバを図説するために提供される、しかしながら、当業者には明白であるように、他のチャンバをやはり使用することができる。従って、本発明の範囲を、本明細書中に記載した例示的なチャンバに限定すべきではない。
【００３４】
一般に、チャンバ４０は、シリコンウェーハなどの基板２２を加工処理するために適したプラズマエンハンス型化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）チャンバであり、適したチャンバは、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ、ＣａｌｉｆｏｒｎｉａからのＰｒｏｄｕｃｅｒ（登録商標）ＳＥタイプのチャンバである。チャンバ４０は、プロセスゾーン４２を囲む天板５２、側壁５４、及び底壁５６を含む筐体壁４８を備える。チャンバ４０は、やはり、プロセスゾーン４２の周りの筐体壁４８の少なくとも一部を内張りするライナ（図示せず）を備えることができる。３００ｍｍシリコンウェーハの加工処理に関して、チャンバは、典型的には約２０，０００ｃｍ３から約３０，０００ｃｍ３の体積、より典型的には約２４，０００ｃｍ３の体積を有する。
【００３５】
プロセスサイクル中に、基板支持部５８を下げ、基板２２は、入口ポート６２を通過し、ロボットアームなどの基板搬送部６４によって支持部５８上に設置される。基板支持部５８を、ローディング及びアンローディングのための低い位置と基板２２の加工処理のための調節可能な高い位置との間で動かすことができる。チャンバ４０中へと導入されたプロセスガスからプラズマを発生させるために、基板支持部５８は、封入型電極４４ｂを含むことができる。基板支持部５８を、ヒータ６８によって加熱することができ、ヒータ６８を、（図示したような）電気抵抗加熱素子、加熱ランプ（図示せず）、又はプラズマそれ自体とすることができる。基板支持部５８は、典型的には、基板２２を受け取るための受容面を有するセラミック構造物を備え、チャンバ環境から電極４４ｂ及びヒータ６８を保護する。使用では、高周波（ＲＦ）電圧を電極４４ｂに印加し、直流（ＤＣ）電圧をヒータ６８に印加する。支持部５８に基板２２を静電的にクランプするために、基板支持部５８中の電極４４ｂを、やはり使用することができる。基板支持部５８は、また、支持部５８上の基板２２の周辺部を少なくとも部分的に囲む１つ又は複数のリング（図示せず）を備えることができる。
【００３６】
基板２２を支持部５８上へとロードした後で、支持部５８をガス分配器７２に接近したプロセシング位置に上昇させて、これらの間に所望の間隔ギャップ距離、ｄｓ、を設ける。間隔距離を、約２ｍｍから約１２ｍｍとすることができる。ガス分配器７２を、基板２２の全域で一様にプロセスガスを分散させるためにプロセスゾーン４２の上方に設置する。ガス分配器７２は、プロセスゾーン４２中への導入に先立ってガスストリームを混合させずにプロセスゾーン４２に第１のプロセスガス及び第２のプロセスガスの２つの別個のストリームを別々に配送することができる、又はプロセスゾーン４２へ事前混合したプロセスガスを与える前にプロセスガスを事前混合することができる。ガス分配器７２は、そこを通るプロセスガスの通過を可能にする穴７６を有するフェースプレート７４を備える。フェースプレート７４は、典型的には、そこに電圧又は電位の印加を可能にするために金属から作られ、それによってチャンバ４０内で電極４４ａとして働く。適したフェースプレート７４を、陽極酸化コーティングのあるアルミニウムから作ることができる。
【００３７】
基板プロセシングチャンバ４０は、また、ガス分配器７２へ第１のプロセスガス及び第２のプロセスガスを配送するための第１のガス供給部及び第２のガス供給部８０ａ、８０ｂを備え、ガス供給部８０ａ、８０ｂは、各々がガス源８２ａ、８２ｂ、１つ又は複数のガス導管８４ａ、８４ｂ、並びに１つ又は複数のガス弁８６ａ、８６ｂを備える。例えば、１つのバージョンでは、第１のガス供給部８０ａは、ガス源８２ａからガス分配器７２の第１の注入口７８ａへ第１のプロセスガスを配送するために第１のガス導管８４ａ及び第１のガス弁８６ａを備え、第２のガス供給部８０ｂは、第２のガス源８２ｂからガス分配器７２の第２の注入口７８ｂへ第２のプロセスガスを配送するために第２のガス導管８４ｂ及び第２のガス弁８６ｂを備える。
【００３８】
プロセスガスからプラズマを形成するために、プロセスガスに電磁エネルギー、例えば、高周波電圧エネルギーをカップリングすることによって、プロセスガスを活性化させることができる。第１のプロセスガスを活性化させるために、（ｉ）ガス分配器７２、天板５２、又はチャンバ側壁５４である場合がある第１の電極４４ａと、（ｉｉ）支持部５８中の電極４４ｂとの間に、電圧を印加する。１対の電極４４ａ、４４ｂの両端に印加する電圧は、プロセスゾーン４２内のプロセスガスにエネルギーを容量カップリングする。典型的には、電極４４ａ、４４ｂに印加する電圧は、高周波数で発振する交流電圧である。一般に、高周波数は、約３ＫＨｚから約３００ＧＨｚまでの範囲におよぶ。本応用例の目的のために、低い高周波数は、約１ＭＨｚよりも低い周波数であり、より好ましくは、例えば、約３００ＫＨｚの周波数などの約１００ＫＨｚから約１ＭＨｚまでの周波数である。やはり本応用例の目的にために、高い高周波数は、約３ＭＨｚから約６０ＭＨｚの周波数であり、より好ましくは約１３．５６ＭＨｚの周波数である。選択した高周波電圧を、約１０Ｗから約１０００Ｗの電力レベルで第１の電極４４ａに印加し、第２の電極４４ｂを典型的には接地する。しかしながら、使用する特定の高周波数範囲及び印加する電圧の電力レベルは、堆積すべき材料のタイプに依存する。
【００３９】
消費したプロセスガス及び副生成物をチャンバ４０から除去し、プロセスゾーン４２内のプロセスガスの所定の圧力を維持するために、チャンバ４０は、またガス排気部９０を備える。１つのバージョンでは、ガス排気部９０は、プロセスゾーン４２から消費したプロセスガスを受け取るポンピングチャネル９２、排気ポート９４、スロットル弁９６、或いはチャンバ４０内のプロセスガスの圧力を制御するための１つ又は複数の排気ポンプ９８を含む。排気ポンプ９８は、ターボ分子ポンプ、クライオポンプ、粗引きポンプ、並びに複数の機能を有する複合機能ポンプのうちの１つ又は複数を含むことができる。チャンバ４０は、やはり、チャンバ４０中へとパージングガスを配送するために、チャンバ４０の底壁５６を貫通する注入ポート又は注入管（図示せず）を備えることができる。パージングガスは、典型的には、注入ポートから基板支持部５８を通過し、環状のポンピングチャネルへと上に向けて流れる。加工処理中に基板支持部５８及び他のチャンバ構成要素の表面を望ましくない堆積から保護するために、パージングガスを使用する。望ましい方式でプロセスガスの流れに影響を与えるために、パージングガスをやはり使用することができる。
【００４０】
チャンバ４０の動作及び動作パラメータを制御するために、コントローラ１０２も設けられる。コントローラ１０２は、例えば、プロセッサ及びメモリを備えることができる。プロセッサは、メモリ中に記憶したコンピュータプログラムなどのチャンバ制御ソフトウェアを遂行する。メモリを、ハードディスク駆動装置、読出し専用メモリ、フラッシュメモリ、又は他のタイプのメモリとすることができる。コントローラ１０２は、また、フロッピーディスク駆動装置及びカードラックなどの他の構成要素を備えることができる。カードラックは、シングルボードコンピュータ、アナログ及びデジタル入力／出力ボード、インターフェースボード、並びにステッパモータコントローラボードを含むことができる。チャンバ制御ソフトウェアは、タイミング、ガスの混合、チャンバ圧力、チャンバ温度、マイクロ波電力レベル、高周波電力レベル、支持位置、並びに特定のプロセスの他のパラメータを指示する命令のセットを含む。
【００４１】
チャンバ４０は、また、例えば、基板支持部５８中の第１の電極４４ａ及びチャンバ中の第２の電極４４ｂなどの様々なチャンバ構成要素に電力を配送するための電源１０４を備える。チャンバ電極４４ａ、４４ｂに電力を配送するために、電源１０４は、選択した高周波数を有する電圧及び所望の選択可能な電力レベルを与える高周波電圧源を備える。電源１０４は、単一高周波電圧源又は高い高周波数及び低い高周波数の両方を与えるマルチ電圧源を含むことができる。電源１０４は、また、ＲＦマッチング回路を含むことができる。電源１０４は、基板支持部５８内の静電チャック中の電極に静電気電荷を与えるための静電気電荷源をさらに含むことができる。ヒータ６８を基板支持部５８内で使用するときには、電源１０４は、やはり、ヒータ６８に適切な制御可能な電圧を与えるヒータ電源を含む。ガス分配器７２又は基板支持部５８にＤＣバイアスを印加すべきときには、電源１０４は、やはり、ガス分配器７２のフェースプレート７４の導電性金属部分に接続されたＤＣバイアス電圧源を含む。電源１０４は、やはり、他のチャンバ構成要素用の、例えば、チャンバのモータ及びロボット用の電力の供給源を含むことができる。
【００４２】
基板プロセシングチャンバ４０は、やはり、チャンバ４０内の構成要素表面又は基板表面などの、表面の温度を検出するために、熱電対又はインターフェロメータなどの温度センサ（図示せず）を備える。温度センサは、チャンバコントローラ１０２にデータを中継する能力があり、コントローラ１０２は、次に、例えば、基板支持部５８中の抵抗加熱素子を制御することによって、プロセシングチャンバ４０の温度を制御するために、温度データを使用することができる。
【００４３】
ドーパント材料
別の１つのバージョンでは、窒化シリコン層２６に、優れた電荷トラップサイトを作り出す物質をドープする。適した物質は、例えば、炭素、ホウ素、酸素、又はこれらの混合物を含む。この方法では、ドープト窒化シリコン層２６を、二酸化シリコン層２４上に形成する。ドープト窒化シリコン層２６は、炭素、ホウ素、又は酸素のうちのいずれか１つのドーパントレベルを備える。ドーパントを、アンドープ窒化シリコン層と比較して窒化シリコン層２６の電荷保持時間を増加させるために十分に高い割合で与える。１つのバージョンでは、窒化シリコン中のドーパントの割合が、アンドープ窒化シリコン層と比較して窒化シリコン層２６の電荷保持時間を少なくとも約５％だけ増加させるために十分に高い。例えば、ドーパントの適したレベルは、窒化シリコン材料に対して、約１％から約５０％までの割合を有する。堆積化学薬品中にドーパント含有前駆体を添加することによって堆積中に、ドーパントを膜中に導入する。例えば、５％Ｂドーピングを実現するために、１００ｓｃｃｍＢ２Ｈ６を、ＳｉＨ４（４０ｓｃｃｍ）及びＮＨ３（１０００ｓｃｃｍ）のプラズマに添加する。
【００４４】
炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを窒化シリコン層２６にドープするために、いくつかの方法を使用することができる。一方法では、従来方法を使用して窒化シリコン層２６を堆積させる。例えば、上に説明したように、ＳｉＨ４、ＮＨ３、及びＮ２を含むプロセスガスを使用して、窒化シリコン層２６を堆積させることができる。窒化シリコン層２６の堆積中に又はその後で、炭素含有種、ホウ素含有種、又は酸素含有種のうちの少なくとも１つを含むドーパントプロセスガスに、その層を曝す。炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを堆積させた窒化シリコン層２６にドープするためのプラズマを形成するために、ドーパントプロセスガスを活性化させる。ドーパントプロセスガスの適した実施例は、ＴＭＳ、Ｃ２Ｈ４などの炭素含有種、ジボランなどのホウ素含有種、及び／又はＮ２Ｏなどの酸素含有種、又はこれらの混合物を含む。１００ミルと１２００ミルとの間の距離で維持した電極によって電力を与えたプラズマを使用して、ドーパントプロセスガスを活性化させる。
【００４５】
別の一方法では、窒化シリコン層２６を堆積させ、次に、炭素、ホウ素、又は酸素のうちの少なくとも１つを含むプロセスガスに曝し、一方で、基板２２を加熱して、炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを用いて、堆積させた窒化シリコン層２６にドープする。ドーパントプロセスガスの適した実施例は、ＣＨ４、ＴＭＳなどの炭素含有種、Ｂ２Ｈ６などのホウ素含有種、及び／又はＮ２Ｏなどの酸素含有種、又はこれらの混合物を含む。ドーピングプロセス中に、基板を少なくとも約５０℃の温度に、又は約３００℃から約５５０℃の温度にさえ加熱する。
【００４６】
記載したようなドープト窒化シリコン層を形成するための窒化シリコン層２６を加工処理するために、上に記載し、図２に示したチャンバを、やはり、使用することができる。結果としてもたらされるフラッシュメモリデバイス２０は、シリコンを含む基板、基板上の二酸化シリコン層２４、及び二酸化シリコン層上のドープト窒化シリコン層２６を備え、ドープト窒化シリコン層が炭素、ホウ素、又は酸素を含むドーパントを含む。
【００４７】
紫外線放射光照射
フラッシュメモリデバイスを形成する別の一方法では、窒化シリコン層２６の堆積中に又はその後で、紫外線放射光又は電子ビームなどのエネルギービームに層を曝す。紫外線放射光及び電子ビームの両方が、窒化シリコン層２６中の電荷トラップ深さを少なくとも５％だけ増加させると考えられている。紫外線放射光又は電子ビームへの堆積させた窒化シリコン材料の照射が、広帯域ＵＶ放射光を吸収するＳｉ−Ｈ結合及びＮ−Ｈ結合などの求められていない水素結合を分断することによって、堆積させた材料の水素含有量の減少をもたらす。利用可能な窒素原子との残っているシリコン原子の結合は、Ｓｉ−Ｎ結合を形成する。ＦＴＩＲスペクトルから、紫外線放射光による処理の後で、Ｎ−Ｈ伸長ピーク及びＳｉ−Ｈ伸長ピークの両方の大きさが著しく減少するが、Ｓｉ−Ｎ伸長ピークの大きさが増加することが分かる。これは、紫外線処理の後で、結果として得られる窒化シリコン材料が、より少ない数のＮ−Ｈ結合及びＳｉ−Ｈ結合を含有し、増加した数の望ましいＳｉ−Ｎ結合を含有することを、証明している。
【００４８】
紫外線照射又は電子エネルギービーム照射を、堆積チャンバ４０それ自体の中で又は別のチャンバ中で実行することができる。例えば、基板２２上への窒化シリコン層２６の堆積中に又はその直後に、窒化シリコン層２６を、堆積チャンバ４０の内部で紫外線放射光又は電子ビーム放射に曝すことができる。紫外線又は電子ビームを、ＣＶＤチャンバ中でその場で当てることができる。望ましくない結合が、窒化シリコン層２６中に形成される電荷トラップの深さを増加するように形成されるので、堆積中の紫外線照射又は電子ビーム照射が望ましくない結合を分断することが、考えられている。
【００４９】
Ｒ−Ｈ結合について原子間距離の関数としての結合エネルギーを示すモデルを、図４Ａに示す、ここでは、Ｒは、例えば、（Ｈ３Ｓｉ）Ｎ−ＨのケースではＮなどのベース原子である。結合エネルギープロットを、基底状態結合について及び励起した結合について示す。垂直方向の矢印よって示したように、励起した結合を初期距離だけ伸長させるために必要なエネルギーは、基底状態結合を同じ初期距離だけ伸長させるために必要なエネルギーよりも実質的に小さい。よって、励起状態から結合を切断することが基底状態から直接切断するよりも容易であり、結合切断によって形成される望ましいダングリングボンドを、そのように、励起状態結合から得ることが容易である。
【００５０】
励起状態Ｎ−Ｈ結合及び基底状態Ｎ−Ｈ結合の両方について、（Ｈ３Ｓｉ）Ｎ−ＨのＮ−Ｈ結合を伸長させるために必要なエネルギーを示すモデルを、図４Ｂに示す。励起状態結合の結合伸長が基底状態結合の結合伸長よりも小さなエネルギーしか必要としないことを、これはさらに図示している。従って、結合切断及びダングリングボンド形成が、窒化シリコン層２６中に形成される電荷トラップの深さを増加させるメカニズムであることが、考えられている。
【００５１】
図３は、紫外線放射処理又は電子ビーム処理に基板２２を曝すために使用することができる照射チャンバ１０６の例示的な実施形態を示す。示したバージョンでは、チャンバ１０６は、照射光源１０８から遠い解放位置と光源１０８に近接した持ち上げられた位置との間を移動可能な基板支持部５８を含み、光源と支持部との間の間隔の調節を可能にする。基板支持部５８は、チャンバ１０６内で基板２２を支持する。照射チャンバ１０６での基板２２の挿入中及び取り出し中には、基板支持部５８をローディング位置に動かすことができ、その後で、紫外線放射光又は電子ビームへの堆積させた窒化シリコン材料を有する基板２２の照射中には、照射レベルを最大にするように持ち上げた位置へと支持部５８を上昇させる。チャンバ１０６は、抵抗素子などのヒータ１１０をさらに備え、基板２２の照射中に所望の温度に基板２２を加熱するために使用することができる。照射チャンバ１０６中へとガスを導入するためにガス注入口１１２を設け、チャンバ１０６からガスを排気するためにガス排出口１１４を設ける。
【００５２】
照射チャンバ１０６は、紫外線放射光又は電子ビームなどの適したエネルギービームを与える照射光源１０８をさらに含む。適した紫外線放射光源は、単一紫外線波長又は広帯域の紫外線波長を放出することができる。適した単一波長紫外線光源は、１７２ｎｍ又は２２２ｎｍの単一紫外線波長を与えるエキシマ紫外線光源を含む。適した広帯域光源は、約２００ｎｍから約４００ｎｍの波長を有する紫外線放射光を発生する。かかる紫外線光源を、Ｆｕｓｉｏｎ  Ｃｏｍｐａｎｙ、ＵＳＡ又はＮｏｒｄｓｏｎ  Ｃｏｍｐａｎｙ、ＵＳＡから入手することができる。電気的に刺激したときに特定の波長で放射するガスを含有するランプによって発生される他の波長を有する紫外線放射光に、窒化シリコン材料を曝すことができる。例えば、適した紫外線ランプは、１７２ｎｍの波長を有する紫外線放射光を発生するＸｅガスを含むことができる。他のバージョンでは、ランプは、異なる対応する波長を有する他のガスを含むことができ、例えば、水銀ランプは、２４３ｎｍの波長で放射し、重水素は、１４０ｎｍの波長で放射し、ＫｒＣｌ２は、２２２ｎｍの波長で放射する。ガスの相対的な濃度を変えることによって、放射光源からの出力の波長の中身を、所望の波長のすべてを同時に照射するように選択することができ、よって、必要な照射時間を最小にする。別の１つのバージョンでは、２００ｎｍと６００ｎｍとの間で最大強度である広帯域スペクトルを発生させるために、水銀ランプを使用することができる。
【００５３】
ＣＶＤ堆積チャンバ４０及び照射チャンバ１０６を、やはり、１つのロボットアームによって取り扱われるマルチチャンバプロセシングプラットフォーム（図示せず）上に一緒に統合することができる。照射光源１０８、基板支持部５８、モータ、弁又はフローコントローラ、ガス配送システム、スロットル弁、高周波電源、ヒータ、及び統合したプロセシングシステムのロボットアームを含むことができる、照射チャンバ１０６及びＣＶＤ堆積チャンバ４０の構成要素を、適した制御ラインを介してシステムコントローラによってすべて制御することができる。コントローラの制御の下で適切なモータによって動くスロットル弁９６及び基板支持部５８などの可動機械的アセンブリの位置を決定するために、システムコントローラは、光センサからのフィードバックを頼りにしている。
【００５４】
別々になった照射チャンバ１０６中の照射処理に関して、記載した堆積プロセスのいずれかによる又は本技術において公知の他の堆積プロセスによる窒化シリコン層２６を有する基板を、照射チャンバ１０６中へと挿入し、下がった位置で基板支持部５８上に設置する。基板支持部５８を、次に持ち上げた位置まで上昇させ、支持部内の任意選択のヒータ１１０の電源を入れ、照射光源１０８を起動する。照射中には、基板２２と支持部５８との間の熱伝達速度を向上させるために、ヘリウムなどのガスを、照射チャンバ１０６を通って循環させることができる。他のガスを、やはり使用することができる。放射光照射の期間の後で、照射光源１０８を止め、基板支持部５８を解放位置へと下げて戻す。照射した窒化シリコン層２６を持っている基板を、次に照射チャンバ１０６から取り出す。プロセスチャンバが必要な照射光源１０８を装備しているときに、このプロセスを、プロセスチャンバ４０内でその場で交互に実行することができる。
【００５５】
適した堆積プロセス条件が上に記載されている。紫外線処理を、４００℃で、５分から１０分の合計照射時間で実行した。６０ｓｃｃｍの流量のシラン、９００ｓｃｃｍの流量のアンモニア、１０，０００ｓｃｃｍの流量の窒素を含むプロセスガスを用いて、６Ｔｏｒｒのプロセスガス圧で、１００ワットの電極電力レベルで、及び１１ｍｍの電極間隔で、窒化シリコン層２６を堆積させることができる。広帯域紫外線放射光の波長は、約２００ｎｍから約１２００ｎｍであった。例えば、Ｆｕｓｉｏｎ  Ｈ  ＵＶ光源は、約２００ｎｍから４００ｎｍのＵＶ波長を与え、エキシマＵＶ源は、約１７２ｎｍのＵＶ波長を与える。
【００５６】
堆積プロセス中に、プロセスガスに最適な範囲の希釈ガス含有量を与えることによって、紫外線照射の効果を増進できることを、やはり見つけた。これを、典型的には、シリコン−水素結合よりも紫外線処理によって取り除くことがより難しい堆積させた材料中の窒素−水素結合の数を低減させるために行った。そのように、一実施形態では、希釈ガス流を約５，０００ｓｃｃｍから約１５，０００ｓｃｃｍの範囲に、より好ましくは約１０，０００ｓｃｃｍに削減したわずかに異なるプロセス条件で、紫外線照射をその後で受ける窒化シリコン層２６を堆積させた。シラン及びアンモニアの体積流量比及び流量は、約１：２から約１：１５であり、より好ましくは約１：１０であった。
【００５７】
電子ビーム照射
窒化シリコン材料を、やはり、照射チャンバ１０６中で電子ビームに曝すことによって、処理することができる。電子ビーム源を備えた照射光源１０８は、例えば、堆積させた材料の全域をスキャンする線電子源、又は全体が引用によって本明細書中に組み込まれているＬｉｖｅｓａｙによる米国特許第５，００３，１７８号に記載されているものなどの、大面積電子ビーム照射システムでさえ、含むことができる。１つのバージョンでは、電子ビーム照射を、約４平方インチから約２５６平方インチの面積をカバーする電子ビームを用いて実施する。電子ビーム照射条件は、当てる全照射量、堆積させた材料に当てる電子ビームエネルギー、及び電子ビーム電流密度を含む。
【００５８】
１つのバージョンでは、電子ビーム照射を、約１０−５Ｔｏｒｒから約１０−２Ｔｏｒｒの真空で、約１００℃から約４００℃の範囲の基板温度で実行する。照射エネルギーを、約０．１ｋｅＶから約１００ｋｅＶの範囲とすることができ、電子ビーム電流は、典型的には、約１ｍＡから約１００ｍＡである。電子ビーム照射量は、約１μＣ／ｃｍ２から約１００，０００μＣ／ｃｍ２の範囲になる。選択した照射量及びエネルギーは、処理しようとする堆積させた材料の厚さに比例する。一般に、電子ビーム照射は、約０．５分から約１０分である。予想される一実施例では、電子ビーム処理を、２００から１，５００μＣ／ｃｍ２までの照射量を与えるために、４ＫＶで、６ｍＡの電流を用いて、４００℃の基板温度で実行することができる。
【００５９】
窒化シリコンの堆積及び電子ビーム処理を、やはり、ＣＶＤチャンバ、電子ビーム放射チャンバ、及びＣＶＤチャンバからｅ−ビームチャンバへと基板を搬送するためのロボットを有するクラスタプラットフォームツール中で実施することができる。ＣＶＤチャンバ及びｅ−ビームチャンバ内の処理ならびに搬送動作が、真空条件において実施される。
【００６０】
プラズマ処理
電荷保持時間を増加させるために、窒化シリコン層２６を、やはりプラズマ処理することができる。プラズマ処理の一方法では、基板２２を含有しているプロセスゾーン４２中へと第１のプロセスガスを導入することによって、１層又は複数層の窒化シリコンをＣＶＤプロセスチャンバ４０中で堆積させ、プロセスガスは、シリコン含有成分及び窒素含有成分を含む。例えば、プロセスガスに電力を誘導カップリング又は容量カップリングすることによって、プラズマを第１のプロセスガスから発生させる。活性化したプロセスガスは、基板２２上に窒化シリコンの層を堆積させる。
【００６１】
プロセスゾーン４２中へと第２のプロセスガスを導入するために、第１のプロセスガスの流れを停止する又は変更することによって、堆積させた層をプラズマ処理する。第２のプロセスガスは、（第１のプロセスガスの成分又は別のガスである場合がある）不活性ガス又は非反応性ガスを含む。プロセスガスに電力を誘導カップリング又は容量カップリングすることによってプラズマを発生させるために、第２のプロセスガスを活性化させる。活性化したプラズマは、堆積させた窒化シリコン層２６を処理して、層の電荷保持時間を増加させる。
【００６２】
窒素プラズマ処理サイクルによって堆積させた窒化シリコン膜を処理することによって、電荷トラップ層のポテンシャルエネルギーウェルをより深くすることができることが、さらに考えられている。２つのプロセスサイクルへと窒化シリコン堆積プロセスを変形することによって、窒素プラズマ処理を実行することができる。シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを含む第１の成分及び希釈窒素ガスを含む第２の成分を含む第１のプロセスガスを使用し、プラズマを形成して、基板２２上に窒化シリコン層２６を堆積させるために、第１のサイクルを使用する。第２の窒素プラズマ処理サイクルでは、シリコン含有ガス及び窒素含有ガスを含むプロセスガスの第１の成分の流れを止めて、希釈窒素ガスを含む第２の成分だけの流れを与える。両方のサイクルにおいて、プラズマを形成するために、高周波電圧を電極４４ａ、４４ｂに供給することができる。窒化シリコン材料の堆積中に、プロセスサイクルを複数回繰り返す。
【００６３】
提案した説明により限定されずに、窒素プラズマサイクルが、窒化シリコン層２６中の水素含有量を低減させ、シリコン−水素結合を取り除くことによってシリコン−窒素結合の形成を促進させることが、考えられている。しかしながら、窒素プラズマ処理が、堆積させた窒化シリコン膜の薄い表面領域に影響を及ぼすことができるだけであるので、ただ窒化シリコンの薄膜を基板上に堆積させるだけの短い堆積プロセスサイクルの後で、窒素処理サイクルを実行する。堆積させた材料の実質的に全体の厚さに窒素プラズマ処理が浸透することを可能にするために、初期膜の厚さは十分に薄い。窒化シリコン膜の全厚さの堆積の後で窒素プラズマ処理を実行した場合には、堆積させた材料の薄い表面領域だけが適正に処理されるはずである。
【００６４】
そのように、プラズマ処理プロセスは、所望の膜厚を実現するために、十分な数の堆積サイクルに続くプラズマ処理サイクルを含む。例えば、５００オングストローム（５０ｎｍ）の厚さまでの窒化シリコン材料を堆積させプラズマ処理するために、各々が第１の堆積サイクル及び第２の窒素プラズマ処理サイクルを含む二十（２０）プロセスサイクルを含む堆積プロセスを、使用することができる。各堆積サイクルを、約２秒から約１０秒間、より典型的には約５秒間実行し、各窒素プラズマ処理サイクルを、約１０秒から約３０秒間、より典型的には２０秒間実行した。
【００６５】
堆積させプラズマ処理した窒化シリコン層２６の電荷保持時間を向上させるために、いくつかの堆積プロセスパラメータを調節することができる。例えば、約４００℃から約５００℃の基板温度でのより高温における堆積が、窒素ダングリングボンドの数を改善すると考えられている。さらに、高い高周波電圧を電極４４ａに印加し、第２の電極４４ｂを接地することによって、プラズマを形成することができ、高い高周波数は、例えば、１３．５６ＭＨｚの周波数などの、約３ＭＨｚから約６０ＭＨｚである。プラズマによるＣＶＤ反応の活性化は、熱的に活性化させるＣＶＤプロセスと比較して、比較的低い基板温度の使用を可能にする。また、高いＲＦ電圧を、約２０ワットから約１００ワットで、約２００ワット以下の比較的低い電力レベルで印加すべきである。
【００６６】
パルス化したプラズマを発生させるために、チャンバ４０の電極４４ａ、４４ｂに印加する高周波電圧を、やはり、パルス化することができる。パルス化したプラズマは、堆積させた材料のより一様な厚さを与えると考えられている。プロセスゾーン４２を拘束する電極４４ａ、４４ｂに高周波電圧の電圧パルスを印加することによって、パルス化したプラズマを発生する。電圧パルスは、パルス期間（Ｔ１）のパルス周期（Ｔ２）に対する比率であるデューティサイクルを有する。パルス化した波形では、パルス期間は、（ａ）始めの移行中に、パルス振幅が最終振幅の指定された分率（レベル）に達する時間と、（ｂ）パルス振幅が、終わりの移行において同じレベルにまで低下する時間、との間の間隔である。一般に、パルス期間を決定する又は定義するために、最終振幅の５０％点間の間隔を使用する。好ましくは、電圧パルスは、矩形パルスであるが、例えば、正方形パルス又は正弦波パルスなどの他の形を有することができる。パルス化したＲＦ電力を、約１００ワットから約５００ワットの電力レベルで与える。高い電力レベルで、ＳｉＨ４及びＮＨ３がより完全に分解し、そのために堆積させた膜の全水素含有量を低下させることが考えられているために、選択した電力レベルは、比較的高い。
【００６７】
堆積させた窒化シリコン層２６の電荷保持特性を制御するために、電圧パルスのデューティサイクルを、やはり選択することができる。所望の特性を与えるために、異なるパルスタイプ、高周波数レベル、ワット数、及び比Ｔ２／Ｔ１を選択することができる。パルス期間（Ｔ１）を減少させる及び／又はパルス周期（Ｔ２）を増加させる小さなデューティサイクルが、優れた電荷保持力を与えることを見出した。好ましくは、デューティサイクルは、約６０％よりも小さい。デューティサイクル範囲は、好ましくは約１０％から約５０％であり、より好ましくは約２０％からである。かかるデューティサイクルに関して、パルス周波数は、１０Ｈｚから１０００Ｈｚの範囲である。好ましい一実施形態では、パルス期間が４ｍｓ（例えば、１μｓ）であり、パルス周期が２０ｍｓ（例えば、４μｓ）である５０Ｈｚでのパルス列に関して、デューティサイクルは、２０％（例えば、０．２５）である。パルス化したプラズマプロセスでは、約３ＭＨｚから約６０ＭＨｚの範囲内の周波数を有する高いＲＦ電圧を、約１００ワットから約１，０００ワットの電力レベルで電極４４ａ、４４ｂの両端に印加した。適したプロセスガスは、本明細書中に記載した流量範囲で、シラン、アンモニア、窒素、及び任意選択でアルゴンを含む。
【００６８】
本明細書中に提供した例示的なプロセス中に記載したように、チャンバ４０内で堆積させた窒化シリコン層２６を備えたフラッシュメモリデバイスは、高濃度の窒素ダングリングボンドからの結果であると考えられている長い電荷保持時間を有する。
【００６９】
本発明の例示的な実施形態を示し記載しているが、当業者は、やはり、本発明の範囲内である本発明を組み込んでいる他の実施形態を考案することができる。その上、用語「下方に」、「上方に」、「底部」、「上部」、「上に」、「下に」、「第１の」、「第２の」、及び他の関係を示す用語又は位置を示す用語は、図中の例示的な実施形態に関して示され、互いに置き換えることができる。それゆえ、別記の特許請求の範囲を、本発明を説明するために本明細書中に記載した好ましいバージョン、材料、又は空間的配置の記載に限定すべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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