專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，在MOSFET中柵極絕緣層包括硅氧化物層。隨著半導(dǎo)體器件的高度集成以及其運(yùn)行速度的增加，其中的柵極絕緣層變得越來越薄。因此，因?yàn)闁艠O絕緣層很薄，有時(shí)在柵電極和硅襯底之間可能發(fā)生硼滲透。因此，對(duì)于具有非常細(xì)的線結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件(例如，小于0.18μm)，通常，通過在硅氧化物層注入氮以形成氧氮化物膜來防止從柵電極到硅襯底的硼滲透。
更具體地，當(dāng)硼從P+多晶硅移動(dòng)到溝道時(shí)，半導(dǎo)體器件可能經(jīng)受由于多損耗(poly depletion)導(dǎo)致的閾電壓(Vth)的變化，電荷阱位置的數(shù)量的增加，電荷遷移率的降低、以及電流的降低。
與由純氧化物層(即，沒有添加摻雜劑或其它成分)構(gòu)成的柵極絕緣層相比，用于這樣的硼滲透的氧氮化物提供了硼阻擋(boron-blocking)、抑制熱載流子老化、以及抑制柵極泄漏等特性。
然而，盡管晶體管氧氮化物層對(duì)于PMOS來說具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于NMOS晶體管來說卻是缺點(diǎn)，這是因?yàn)殡姾蛇w移率的降低可降低飽和電流(Idsat)。因?yàn)榈沙练e在硅襯底和氧化物層之間的接觸面上，從而降低電荷的遷移率，所以會(huì)導(dǎo)致這樣的缺點(diǎn)。
因此，為了防止NMOS晶體管中的缺點(diǎn)，開發(fā)了用于形成氮化物層的新方法，該方法考慮到了氮的分布。例如，對(duì)于線尺寸(linescale)為130nm的半導(dǎo)體器件，可以通過熱氮化形成氮化物層，即使氮分布集中在硅(Si)襯底和氧化物(SiO2)之間的接觸面上。然而，對(duì)于小于90nm線等級(jí)的半導(dǎo)體器件，氮化物層不能由這樣的熱氮化形成，因?yàn)檫@樣的熱氮化物層不能提供期望的晶體管性能。
在上述背景技術(shù)中披露的信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本發(fā)明的背景的理解，因此，可以包括沒有形成對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說已知的

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，具有可以防止PMOS中硼滲透并使NMOS器件中電荷遷移率的降低最小化的優(yōu)點(diǎn)。
一種根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的制造半導(dǎo)體器件的典型方法，包括在襯底上形成柵極氧化物層；以及使用包含氮的等離子體氣體在氧化物層的表面上形成氮化物層。
在形成氮化物層過程中，氮的濃度可以為9％到11％，優(yōu)先為約10％。同樣，等離子體處理室的壓力可以為6Pa到8Pa，優(yōu)選為約7Pa。
一種根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的典型的半導(dǎo)體器件，包括硅襯底；柵極氧化物層，位于硅襯底上；以及氮化物層，其使用包含預(yù)定濃度氮的等離子體氣體聚集在氧化物層的表面上。


圖1A示出了用于熱形成氮化物層的方法；圖1B示出了用于使用等離子形成氮化物層的方法；圖2A到圖2C是示出了根據(jù)由XPS測量的氮濃度，氮化物層的多種成分之間的結(jié)合能和結(jié)合強(qiáng)度之間的關(guān)系的曲線圖；圖3是由SIMS測量的關(guān)于熱氮化物層和等離子體氮化物層的氮深度分布的曲線圖；圖4是示出了關(guān)于熱氮化物層和等離子體氮化物層的等效氧化物厚度(equivalent oxide thickness，縮寫為EOT)差的曲線圖；圖5是示出了通過C-V法獲得的NMOS晶體管的EOT和氧化物層厚度之間的比較的曲線圖；圖6A是示出了根據(jù)等離子體氮化物層的后處理的電荷差的曲線圖；圖6B是示出了關(guān)于熱氮化物層和等離子體氮化物層的接觸面的總電荷差的曲線圖；圖7A到圖7C是NMOS晶體管中關(guān)于基極氧化物層的漏電流；圖8A到圖8B是當(dāng)基極氧化物層的厚度為20時(shí)相對(duì)于長度的閾電壓(Vth)的曲線圖；
圖9A到圖9B是當(dāng)基極氧化物層的厚度為16時(shí)相對(duì)于長度的閾電壓(Vth)的曲線圖；圖10A到圖10B是當(dāng)基極氧化物層的厚度為20時(shí)NMOSFET和PMOS FET的通電流(Ion)和斷電流(Ioff)特性的曲線圖；圖11A和圖11B是當(dāng)基極氧化物層的厚度為16時(shí)NMOS FET和PMOS FET的通電流(Ion)和斷電流(Ioff)特性的曲線圖；以及圖12A到圖13B是根據(jù)氧化和氮化法的通電流(Ion)和斷電流(Ioff)特性的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
以下將參考附圖對(duì)本發(fā)明的典型實(shí)施例進(jìn)行描述。
參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以實(shí)施本發(fā)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離權(quán)利要求中披露的本發(fā)明的精神的情況下，可以對(duì)所描述的實(shí)施例進(jìn)行各種不同方式的修改。
圖1A示出了用于熱形成氮化物層的方法，圖1B示出了用于使用等離子體形成氮化物層的方法。氮化法可以分類為熱氮化法和等離子體氮化法。
另外，根據(jù)如何產(chǎn)生水或蒸汽(H2O)，可以將柵極氧化物形成方法分類為火焰法(torch method)和水蒸汽發(fā)生器(water vaporgenerator，縮寫為WVG)法。WVG法可以形成較薄的氧化物層。在火焰法中通常是由火焰反應(yīng)產(chǎn)生水或蒸汽，而在WVG法中通常是由催化反應(yīng)來產(chǎn)生水或蒸汽。
在相同的溫度下，WVG法可以控制所產(chǎn)生的水蒸汽或蒸汽的量，而在火焰法中通常不能控制所產(chǎn)生的水蒸汽或蒸汽的量。即，在WVG法中，反應(yīng)物確定所產(chǎn)生的蒸汽的量，而在火焰法中，溫度確定所產(chǎn)生的蒸汽的量。
根據(jù)熱氮化法的一個(gè)實(shí)施例，如圖1A所示，可以首先使用WVG法在襯底100上形成基極氧化物層110。襯底100可以包括p型HAI晶片。然后，在溫度為750℃和NO氣低于2％的大氣中形成氮化物層(Si3N4)120。在此情況下，熱氮化物層120通常形成在襯底100和基極氧化物層110之間。
根據(jù)等離子體氮化法的一個(gè)實(shí)施例，如圖1B所示，使用WVG法在襯底100上形成基極氧化物層110。然后，使用包括氮(優(yōu)選地基本上為不包含對(duì)柵極絕緣膜的電介質(zhì)特性可產(chǎn)生不利影響的元素(例如碳、氫、金屬等)的氮源(例如N2、N2O、NO等))的等離子氣體在基極氧化物層110中和/或上形成氮化物層(Si3N4)120(其可稱作等離子體氮化物層)。通常，氮源材料存在于諸如He、Ne、Ar、Kr等的惰性載氣中的體積濃度為約3％到約25％(優(yōu)選地為約5％到約15％)。通常在(多種)氮源氣體中的氮-氧比例越低，則氮源材料的濃度越高。在優(yōu)選實(shí)施例中，活性反應(yīng)組分產(chǎn)生于N2等離子體中。
圖2A到圖2C是示出了根據(jù)由XPS測量的氮濃度，氮化物層的多種成分之間的結(jié)合能和結(jié)合強(qiáng)度之間的關(guān)系的曲線圖。在此情況下，柵極氧化物層的厚度為16，引入等離子體室的氣體中的氮濃度分別為6％、8％、和10％。
特別地，圖2A示出了Si-N的結(jié)合強(qiáng)度，圖2B示出了Si-O的結(jié)合強(qiáng)度。
如圖2A和圖2B中所示，Si-N鍵在氮濃度為10％時(shí)最強(qiáng)，Si-O鍵在氮濃度為6％時(shí)最強(qiáng)。從該結(jié)論，可以得知氮通常取代氧(氧原子)，而不是SiO2中的硅(Si原子)，以形成氮化物層(Si3N4)120。
然而，如圖2C中所示，硅的峰值相對(duì)恒定，但是在對(duì)于不同的氮濃度的情況下，有一定的變化。因此，應(yīng)當(dāng)理解，氮也可以部分取代硅。
被氮取代的氧可以排出或者可以與底層的硅結(jié)合，用于其再氧化。在此情況下，再氧化的速度主要受壓力影響，并且再氧化厚度可隨著氧的滯留時(shí)間增加而增加。因此，再氧化可導(dǎo)致氧化物層110變厚。從而，為了減小、最小化、或防止氧化物層110的顯著變厚，等離子體氮化可在6Pa到8Pa，優(yōu)選為7Pa的室壓力下執(zhí)行。
圖3是由次級(jí)離子質(zhì)譜法(secondary ion mass spectroscopy，縮寫為SIMS)測量的關(guān)于熱氮化物層和多個(gè)等離子體氮化物層的氮深度的分布曲線圖。如圖3所示，在熱氮化中，氮趨向于聚集在硅襯底和氧化物層之間的接觸面上或附近，而在等離子體氮化中，氮趨向于聚集在氧化物層的暴露表面或上表面上或附近。
因此，可以得知熱氮化可導(dǎo)致NMOS器件中電荷遷移率的降低。同樣也可以得知，在等離子體氮化中，在硅襯底和氧化物層之間的接觸面上的氮分布被減小或最小化，因此電荷遷移率未顯著地下降，而通常仍可以抑制PMOS器件中的硼滲透。
圖4是示出了關(guān)于多種熱氮化物層和等離子體氮化物層的等效氧化物厚度(EOT)差的曲線圖。
如圖4所示，當(dāng)對(duì)16和20的基極氧化物層110通過熱氮化形成很大EOT(等效氧化物厚度)的氮化物層時(shí)，熱氮化物層的EOT通常大于對(duì)應(yīng)的等離子體氮化物層的EOT。這可能是因?yàn)榕c等離子體氮化相比，熱氮化使用了較小密度的氮。
等離子體氮化通常根據(jù)氮濃度來形成具有不同EOT的等離子體氮化物層。即，EOT隨著氮濃度的增加而變小，光學(xué)厚度隨著氮濃度的增加變大。這可能是因?yàn)榕c對(duì)應(yīng)的氧相比，氮具有較大的吸收系數(shù)k，以及光學(xué)厚度是基于氧化物層的吸收系數(shù)k來測量的。
圖5是示出了通過C-V法獲得的NMOS晶體管的EOT和氧化物層的厚度之間的比較的曲線圖。如圖5所示，當(dāng)基極氧化物層110較厚時(shí)，光學(xué)厚度可根據(jù)氮濃度變化到較大的程度。此外，當(dāng)基極氧化物層110較薄時(shí)，熱氮化物層和等離子層氮化物層之間的EOT差別減小。這可能是因?yàn)榛鶚O氧化物層越薄，體氧化物層的漏電流就越大，所以會(huì)難以精確測量電容。
下面將詳細(xì)描述關(guān)于通過C-V法測量厚度薄于16的基極氧化物層的光學(xué)厚度的各種模型。
圖6A是示出了由等離子體氮化物層的一定后處理產(chǎn)生的電荷差的曲線圖，圖6B是示出了關(guān)于熱氮化物層和等離子體氮化物層的接觸面的全部電荷差的曲線圖。
如圖6B所示，與在等離子體氮化物層中相比，在熱氮化物層中檢測到的電荷較少。這可能是因?yàn)榕c等離子體氮化相比，熱氮化中未與接觸面上的其它成分結(jié)合的氮的數(shù)量較少。
此外，如圖6A所示，當(dāng)?shù)入x子體氮化物層經(jīng)過后處理時(shí)，與等離子體氮化物層未經(jīng)過后處理相比，電荷可更加顯著地減少。這可能是因?yàn)?，在等離子體氮化中，保持為未結(jié)合的注入的氮可通過一定的后處理被結(jié)合或擴(kuò)散出去(例如，在后處理?xiàng)l件為惰性或N2氣流、溫度約為1000℃、時(shí)間長度約為5sec時(shí))。
圖7A到圖7C是NMOS晶體管中關(guān)于基極氧化物層的漏電流。
由于圖樣尺寸(例如，有源區(qū)域)可能很大，所以漏電流對(duì)體(bulk)電介質(zhì)中的變化比對(duì)具有硅襯底的接觸面上的變化更敏感。不過，可以間接比較不同氮濃度的漏電流。
當(dāng)基極氧化物層厚度為20?；?6時(shí)，熱氮化物層與等離子體氮化物層相比通常具有較大的漏電流。此外，把漏電流看作基極氧化物層厚度的函數(shù)，當(dāng)基極氧化物層的厚度為約20(或更高)時(shí)，氮濃度越低，漏電流趨向于越小，但是當(dāng)基極氧化物層的厚度為約16時(shí)，漏電流通常與氮濃度無關(guān)，以及當(dāng)基極氧化物層的厚度為約12(或更小)時(shí)，氮濃度越低，漏電流趨向于越大。
從上述結(jié)果，可以得知漏電流模型根據(jù)基極氧化物層的厚度而變化。即，當(dāng)基極氧化物層的厚度大于或等于20時(shí)，漏電流趨向于對(duì)接觸面狀態(tài)更敏感，以及當(dāng)厚度為16時(shí)，由于在接觸面上的衰退和在厚度上的任何變化之間的補(bǔ)償反應(yīng)，漏電流可變成與氮濃度無關(guān)。然而，當(dāng)基極氧化物層的厚度為12時(shí)，漏電流趨向于對(duì)體漏電流更敏感，并因此隨著氮濃度的增加而減小。
即，可以得知對(duì)于柵極氧化物而言，厚度約16是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)，影響漏電流的重要因素可以從接觸面的特性轉(zhuǎn)變?yōu)轶w厚度(例如，與隧道效應(yīng)正相關(guān))。
此外，考慮圖7A和圖7B連同圖6A和圖6B，可以得知，在熱氮化中，可在接觸面上形成較少量的電荷阱位置，并且因?yàn)樵诮佑|面上或附近的氮濃度可以導(dǎo)致對(duì)接觸面的損害，所以漏電流可能較大。即，盡管在接觸面上或附近的氮可以與其它元素結(jié)合，但是接觸面可能變得不穩(wěn)定從而產(chǎn)生漏電流。
圖8A和圖8B是當(dāng)基極氧化物層的厚度為20時(shí)相對(duì)于長度的閾電壓(Vth)的曲線圖。
如圖8A所示，NMOS FET的閾電壓(Vth)趨向于隨著柵極絕緣層氮濃度的增加而下降。此外，短溝效應(yīng)(SCE)對(duì)于熱氮化物層和等離子體氮化物層幾乎是相同的。
如圖8B所示，與NMOS FET的情況相反，PMOS FET的閾電壓(Vth)隨著柵極絕緣層氮濃度的增加而增加。從這些數(shù)據(jù)可以明白，柵極絕緣層中的氮防止PMOS FET中的硼滲透并減少NMOSFET中的電荷遷移率。此外，在PMOS FET中發(fā)生反向(reverse)短溝效應(yīng)(RSCE)，而不是SCE，由此可以得知氮有效地防止硼滲透到襯底中。
圖9A和圖9B是當(dāng)基極氧化物層的厚度為16時(shí)相對(duì)于長度的閾電壓(Vth)的曲線圖。
根據(jù)熱氮化法，NMOS FET通常在基極氧化物層的厚度為16時(shí)比在基極氧化物層的厚度為20時(shí)發(fā)生更嚴(yán)重的短溝效應(yīng)(shortchannel effect，縮寫為SCE)。這可能是由在柵極氧化物層和硅襯底之間的接觸面上或附近的氮分布中的濃度引起的，因此對(duì)于相對(duì)較短的柵極長度可能發(fā)生更嚴(yán)重的SCE。
圖10A到圖10B是當(dāng)基極氧化物層的厚度為20時(shí)NMOSFET和PMOS FET的通電流(Ion)和斷電流(Ioff)特性的曲線圖。通電流(Ion)和斷電流(Ioff)特性通常與NMOS FET和PMOS FET的閾電壓(Vth)具有相同的趨勢。即，當(dāng)NMOS FET中氮濃度增加時(shí)，斷電流(Ioff)也趨向于增加，并且通電流(即飽和電流)(Idsat)通常保持在預(yù)定的水平。
然而，對(duì)于PMOS FET，斷電流Ioff趨向于隨著氮濃度增加而減小。另外，對(duì)于一定范圍的外加電流，氮濃度為5％的通電流Idsat可以小于氮濃度為10％和15％時(shí)的通電流Idsat。由此，可以得知以約5％的氮濃度形成的等離子體氮化物層可能不能防止硼滲透。
基于從圖5中所獲得的氧化物層厚度的倒數(shù)(1/Tox)，來估算等離子體氮化物層，當(dāng)以約10％的氮濃度形成等離子體氮化物層時(shí)，等離子體氮化物層的反向氧化物層比熱氮化物層薄3。即，對(duì)于相同的反向氧化物層厚度，等離子體氮化物層的斷電流可比熱氮化物層小。
圖11A和圖11B是當(dāng)基極氧化物層的厚度為16時(shí)NMOS FET和PMOS FET的通電流(Ion)和斷電流(Ioff)特性的曲線圖。
對(duì)于20的基極氧化物層，NMOS FET和PMOS FET具有幾乎與16的基極氧化物層相同的通電流(Ion)和斷電流(Ioff)特性。當(dāng)PMOS FET以約10％的氮濃度通過等離子體氮化制造時(shí)，與通過熱氮化制造相比性能有所提高。
圖12A到13B是根據(jù)氧化和氮化法的通電流(Ion)和斷電流(Ioff)特性的曲線圖。等離子體氮化導(dǎo)致與熱氮化法相比性能有所提高(在很多情況下約為20％)，而不論柵極氧化物層是如何形成的(例如，火焰熱氧化與WVG)。
如上所述，薄膜晶體管的性能可取決于柵極氧化物層中的氮深度分布，以及氮化物深度分布通常取決于氮化法。例如，熱氮化物層通常在硅襯底和氧化物層之間的接觸面上或附近具有最大氮濃度，而等離子體氮化物層通常在氧化物層的上表面上或附近具有最大的氮濃度。
此外，對(duì)于柵極氧化物層(氮化之前)而言，厚度約為16會(huì)是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)，影響漏電流的重要因素從接觸面特性轉(zhuǎn)變?yōu)轶w厚度(例如，與隧道效應(yīng)有關(guān))。
此外，當(dāng)使用相同的基極氧化物層時(shí)，光學(xué)厚度會(huì)對(duì)氮濃度敏感。
當(dāng)使用N2濃度低于10％的等離子氣體在16的基極氧化物層上執(zhí)行等離子體氮化時(shí)，Idsat和Ioff特性可適用于90nm或小于90nm的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施例，在長度為100nm或小于100nm柵極的半導(dǎo)體中使用等離子體氮化，從而保持NMOS晶體管的電荷遷移率，以及防止PMOS晶體管的硼滲透。
盡管結(jié)合目前認(rèn)為是可行的典型實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)該理解本發(fā)明不局限于所披露的實(shí)施例，相反，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在襯底上形成柵極氧化物層；以及使用包含氮的等離子體氣體在所述氧化物層的表面上形成氮化物層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在形成所述氮化物層的過程中，所述氮濃度為10％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中在形成所述氮化物層的過程中，包含所述等離子體的處理室壓力為6Pa到8Pa。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述壓力約為7Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述柵極氧化物層的步驟包括濕氧化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述柵極氧化物層的步驟包括水蒸汽發(fā)生器法。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述柵極氧化物層厚度為10到約20。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述柵極氧化物層厚度為約16。
9.一種半導(dǎo)體器件，包括硅襯底；柵極氧化物層，在所述硅襯底上；以及氮化物層，其使用包含預(yù)定濃度氮的等離子體氣體聚集在所述柵極氧化物層的表面上。
全文摘要
一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在襯底上形成柵極氧化物層，以及使用濃度為9％到11％的氮作為等離子體氣體在氧化物層的表面形成氮化物層。以此方案，在柵極長度為100nm或小于100nm的半導(dǎo)體中使用等離子體氮化法，從而保持NMOS晶體管的電荷遷移率，以及防止PMOS晶體管的硼滲透。
文檔編號(hào)H01L29/78GK1750238SQ20051010306
公開日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者金載熙 申請(qǐng)人:東部亞南半導(dǎo)體株式會(huì)社