專利名稱：半導體裝置及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及半導體裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
由于社會的信息的復雜性，對高性能LSI的需求正日益增加。性能的提高主要通過MOS晶體管的微型化而取得。
在現(xiàn)有的LSI中，MOS晶體管的柵絕緣膜的厚度約為1.5nm。當僅因為進一步提高性能而繼續(xù)微型化時，根據(jù)半導體國際技術(shù)發(fā)展路線圖(ITRS)，可以預期的是，約在2010年，MOS晶體管的柵絕緣膜的厚度約為0.7nm。
然而，當以此方式使柵絕緣膜變薄時，在MOS晶體管工作時間隧道電流將流過柵絕緣膜。這被稱之為柵漏，并且對于LSI性能的提高這并不是可取的。
為解決該問題，業(yè)已研究了甚至當柵絕緣膜變薄時防止柵漏產(chǎn)生的技術(shù)。
例如，業(yè)已注意到，一種技術(shù)使用例如介電常數(shù)大于氧化硅的含氮氧化硅材料(高-k材料)作為柵絕緣膜，其中所述氧化硅迄今為止一直很好地用作柵絕緣膜的材料。
例如，含高濃度氮的SiON是所述材料的候選之一(例如參見D.Matsushita等人的Symp.VLSI Tech.，(2004)172.)。該材料具有這樣的特性盡管氧化硅用于柵絕緣膜和硅襯底之間的界面，但在柵絕緣膜內(nèi)的氮濃度足夠高。因此，能夠提供具有高介電常數(shù)和令人滿意界面特征的柵絕緣膜。
然而，在氧化硅內(nèi)高濃度的氮將產(chǎn)生問題。
所述問題就是P-溝道MOS晶體管平帶(flat band)的異常移位(例如參見Z.Wang等人的IEEE Electron Device Lett.，21(2000)170.)。亦即，考慮到電路設計，當P-溝道MOS晶體管平帶移位時，在電路特性方面將產(chǎn)生不可允許的大問題。為解決該問題，必需放棄使氧化硅內(nèi)氮濃度的升高。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種包含半導體襯底，和形成在所述半導體襯底上的絕緣膜的半導體裝置，所述絕緣膜具有包含氧原子的區(qū)域和包含硼原子和氮原子的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包含半導體襯底，和形成在所述半導體襯底上的絕緣膜的半導體裝置，所述絕緣膜具有包含氮原子的區(qū)域和包含硼原子和氮原子的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導體裝置的制造方法，包括如下步驟在半導體襯底上形成包含氧原子的區(qū)域；和在所述包含氧原子的區(qū)域形成含硼原子和氮原子的區(qū)域。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種半導體裝置的制造方法，包括如下步驟在半導體襯底上形成包含氮原子的區(qū)域；和在所述包含氮原子的區(qū)域形成含硼原子和氮原子的區(qū)域。


圖1是顯示根據(jù)第一實施方案的MOS晶體管結(jié)構(gòu)的截面圖；
圖2是顯示圖1的MOS晶體管的柵絕緣膜制造方法的示意圖；圖3是顯示硼的防滲透/防擴散性的特征圖；圖4是顯示根據(jù)柵絕緣膜種類MOS晶體管閾值特性的特征圖；圖5是顯示根據(jù)第二實施方案的MOS晶體管結(jié)構(gòu)的截面圖；圖6是顯示圖5的MOS晶體管的柵絕緣膜制造方法的示意圖；圖7是顯示硼的防滲透/防擴散性的特征圖；圖8是顯示根據(jù)柵絕緣膜種類MOS晶體管閾值特性的特征圖；圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的絕緣膜的防潮性的特征圖；圖10是顯示根據(jù)第三實施方案的MOS晶體管結(jié)構(gòu)的截面圖；圖11是顯示圖10的MOS晶體管的柵絕緣膜制造方法的示意圖；圖12是顯示硼的防滲透/防擴散性的特征圖；圖13是顯示絕緣膜中氮濃度和MOS晶體管平帶電壓之間關(guān)系的特征圖；圖14是顯示根據(jù)第四實施方案的MOS晶體管結(jié)構(gòu)的截面圖；圖15是顯示圖14的MOS晶體管的柵絕緣膜制造方法的示意圖；圖16是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的絕緣膜的EOT-Jg特性的特征圖；圖17是顯示硼的防滲透/防擴散性的特征圖；圖18是顯示絕緣膜中氮濃度和MOS晶體管平帶電壓之間關(guān)系的特征圖；圖19是顯示根據(jù)本發(fā)明實施例的絕緣膜的防潮性的特征圖。

發(fā)明內(nèi)容
下面將參考附圖對本發(fā)明半導體裝置進行詳細描述。
1.概述本發(fā)明的一方面提出了一種能夠防止雜質(zhì)滲透或擴散并且具有高介電常數(shù)，小EOT，優(yōu)異防潮性和閾電壓低移位量的絕緣膜。例如，在本發(fā)明的該方面提出了一種P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜的結(jié)構(gòu)，其中如柵漏和平帶移位問題甚至當膜薄時也不會產(chǎn)生。
首先將研究平帶移位的原因。
平帶移位在P-溝道MOS晶體管中發(fā)生。在此，在P-溝道MOS晶體管中，將主要含硼的多晶硅用作柵電極。硼從柵電極擴散至柵絕緣膜，結(jié)合至柵絕緣膜中的氮上，并產(chǎn)生硅的懸空鍵。這是平帶移位主要原因。
亦即，迄今為止，為了減少由于“硼滲透”引起的MOS晶體管的閾值波動，高度濃縮的氮包含在柵絕緣膜內(nèi)。另外，在后續(xù)的產(chǎn)品中，必需抑制由于“硼擴散”引起的硅的懸空鍵的產(chǎn)生。
在本發(fā)明的實施例中，主要為了防止硅的懸空鍵，在柵絕緣膜的表面上形成包含硼原子和氮原子的防擴散薄膜(氧化硅，氮化硅，SiON等等)。例如，將氮化硼(BN)用作防擴散薄膜。
由于與通常用作硼防擴散薄膜的Si3N4相比，包含硼原子和氮原子的防擴散薄膜具有高的原子密度(Si3N4100個原子/nm3，BN130個原子/nm3)，因此硼能夠被進一步抑制擴散。因此，可以進一步提高絕緣膜中的氮濃度。因此，在沒有任何柵漏或平帶移位的情況下，等效氧化物厚度(EOT)將大大減少，并且能夠提高LSI的性能。
需要指出的是，要在防擴散薄膜中包含硼，例如，利用含硼原子的氣體如BC＝3-NH3-H2-SiC＝4、B2H6，通過如下方法使用防擴散薄膜，所述方法如磁控管濺射(magnetron sputtering)法，PLD法，化學蒸氣沉積(chemical vapor development)(CVD)法和ICP-CVD法。
因此，能夠防止柵電極內(nèi)的硼侵入柵絕緣膜中，并且能夠消除通過硼和氮的結(jié)合的硅的懸空鍵。因此，例如能夠抑制伴隨著柵絕緣膜中高濃度的氮而產(chǎn)生的平帶移位。
因此，能夠提供具有高的氮濃度的P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜(小EOT)。
2.實施方案接著將描述若干個被認為是最佳的實施方案。
(1)第一實施方案根據(jù)第一實施方案，將描述一種半導體裝置以及該裝置的制造方法。
A.結(jié)構(gòu)圖1示出了根據(jù)第一實施方案的P-溝道MOS晶體管的結(jié)構(gòu)。
P-型擴散層12A、12B形成于N-型硅襯底(可以是凹槽(well))11的表面區(qū)域內(nèi)。柵電極14通過柵絕緣膜13形成在P-型擴散層12A、12B之間的溝道區(qū)上。柵電極14包含含P-型雜質(zhì)(例如硼)的多晶硅。
如實施例1所示，柵絕緣膜13包含氧化硅(SiO2)；形成在氧化硅上的含氮部分；和形成在含氮部分上且包含硼和氮原子的防擴散薄膜。
含氮部分例如可以是形成在氧化硅上的SiN，或通過將氮引入氧化硅表面部分而形成的SiON。防擴散薄膜包含例如BN。
此外，如實施例2所示，柵絕緣膜13可以包含氧化硅(SiO2)；形成在氧化硅上且包含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如，BN)。
在實施例1和2中，由于防擴散薄膜具有同時防止硼在柵電極14內(nèi)的滲透和擴散的作用，因此，甚至當柵絕緣膜變薄時也能夠有效地防止P-溝道MOS晶體管內(nèi)的平帶移位。
B.制造方法接著，將參考圖2描述圖1的MOS晶體管內(nèi)柵絕緣膜的制造方法。
首先，用稀HF對硅襯底1進行處理，并通過氫對硅襯底1的表面進行封端(步驟ST1)。然后，將硅襯底1引入一室(步驟ST2)中。再將所述室內(nèi)的氣氛設置成例如35托的N2O，控制加熱器，由此使硅襯底1的表面溫度設置在800℃或更高，1000℃或更低(例如800℃)，并將該狀態(tài)保持約30秒。結(jié)果是，氧化硅(SiO2)3A形成在硅襯底1(步驟ST3和ST4)上。
然后，引入16sccm的Ar、5.4sccm的He、0.3sccm的N2、0.6sccm的B2H6，以產(chǎn)生為時約1秒鐘的H2、N2、Ar等離子體。在此，B2H6的流速設置成He流速的約10％。
因此，氧化硅3A的表面被N2和H2等離子體蝕刻，并且BN6形成在氧化硅3A約0.3nm的厚度處(步驟ST5)。
通過上述步驟完成了實施例2的結(jié)構(gòu)。
需要指出的是，當在步驟ST4和ST5之間增加形成SiN或SiON的步驟時，能夠獲得實施例1的結(jié)構(gòu)。
C.效果下面將根據(jù)第一實施方案描述該半導體裝置以及該裝置制造方法的效果。
圖3示出了通過柵絕緣膜的結(jié)構(gòu)比較柵電極內(nèi)硼的滲透和擴散程度。
其中作為實施例示出了四種柵絕緣膜，并且假定任一種的物理薄膜厚度(用作柵絕緣膜部分的實際厚度)均為2nm。
第一種是僅由氧化硅(SiO2)形成的柵絕緣膜，第二種是由氧化硅和氮化硅(SiN)形成的柵絕緣膜，第三種是包含在氧化硅上0.3nm厚度處形成的BN的柵絕緣膜，第四種是包含在氧化硅上0.3nm厚度處形成的氮化硅的柵絕緣膜。
在僅由氧化硅形成的柵絕緣膜中，不僅發(fā)生了硼擴散而且還發(fā)生了硼滲透。在這種情況下，不能夠抑制任何平帶移位。在由氧化硅和氮化硅形成的柵絕緣膜中，硼的滲透和擴散在一定程度上得以抑制，但仍不完全。
另一方面，在包含形成在氧化硅上的BN的柵絕緣膜中，基本上完全抑制了硼的滲透和擴散。在包含形成于氧化硅上的氮化硅和BN的柵絕緣膜中，完全抑制了硼的滲透和擴散，并且還能夠防止平帶移位。
當如此的柵絕緣膜的物理膜厚度為2nm或更小時，包含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如BN)形成于該柵絕緣膜的表面上。這是防止通過硼從柵電極滲透和擴散進入柵絕緣膜而產(chǎn)生的平帶移位的十分有效的方法。
圖4示出了當使用圖3中對比的四種柵絕緣膜時P-溝道MOS晶體管的閾電壓波動的程度。
ΔVth是通過硼的滲透和擴散P-溝道MOS晶體管的閾電壓的移位量，并且相當于波動。
在具有含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如BN)的柵絕緣膜中，可以看出的是，與沒有任何防擴散薄膜的柵絕緣膜相比，其閾電壓的移位量ΔVth較小。這是因為，通過如上所述的防擴散薄膜，抑制了硼從柵電極滲透并擴散入柵絕緣膜。
因此，根據(jù)第一實施方案，甚至當P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜的物理膜厚度為2nm或更小時，閾電壓Vth的可控性也不會變差，并且這能夠?qū)SI性能的提高作出貢獻。
(2)第二實施方案下面將根據(jù)第二實施方案，描述一種半導體裝置以及該裝置的制造方法。第二實施方案是第一實施方案的改進。第二實施方案不同于第一實施方案，其中，將氮化硅替代氧化硅用作柵絕緣膜。
A.結(jié)構(gòu)圖5示出了根據(jù)第二實施方案的P-溝道MOS晶體管的結(jié)構(gòu)。
P-型擴散層12A、12B形成于N-型硅襯底(可以是凹槽)11的表面區(qū)域內(nèi)。柵電極14通過柵絕緣膜13形成在P-型擴散層12A、12B之間的溝道區(qū)上。柵電極14包含含P-型雜質(zhì)(例如硼)的多晶硅。
在該實施方案中，柵絕緣膜13包含氮化硅(SiN)；和形成于氮化硅上并且包含硼和氮原子的防擴散薄膜。
需要指出的是，由氮化硅組成的柵絕緣膜13可以是含氮絕緣膜，并且，所述柵絕緣膜13可以包含例如除硼原子以外的原子，如氧原子而不是氮原子和硅原子。
此外，防擴散薄膜包含例如BN。
由于防擴散薄膜具有同時防止柵電極14中的硼的滲透和擴散的作用，因此，即使柵絕緣膜變薄時也能夠有效地防止P-溝道MOS晶體管內(nèi)的平帶移位。
B.制造方法接著，將參考圖6描述圖5的MOS晶體管中柵絕緣膜的制造方法。
首先，用稀HF對硅襯底1進行處理，并通過氫對硅襯底1的表面進行封端(步驟ST1)。然后，將硅襯底1引入一室(步驟ST2)中。然后，再將所述室內(nèi)的氣氛設置成例如740托的NH3，控制加熱器，由此使硅襯底1的表面溫度設置在700℃或更高，750℃或更低(例如700℃)，并將該狀態(tài)保持約100秒。結(jié)果是，氮化硅(SiN)2形成在硅襯底1(步驟ST3和ST4)上。
然后，引入16sccm的Ar、5.4sccm的He、0.3sccm的N2、0.6sccm的B2H6，以產(chǎn)生為時約1秒鐘的H2、N2、Ar等離子體。在此，B2H6的流速設置成He流速的約10％。
因此，氮化硅2的表面被N2和H2等離子體蝕刻，并且BN6形成在氮化硅2約0.3nm的厚度處(步驟ST5)。
通過上述步驟完成了圖5的P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜的制備。
C.效果下面將描述根據(jù)第二實施方案的半導體裝置以及該裝置制造方法的效果。
圖7示出了通過柵絕緣膜的結(jié)構(gòu)比較柵電極內(nèi)硼的滲透和擴散程度。
在此，作為例子示出了兩種柵絕緣膜，并且假定其任一種的物理膜厚度均為1.5nm。第一種是僅僅由氮化硅(SiN)形成的柵絕緣膜，而第二種是包含在氮化硅0.3nm厚度處形成BN的柵絕緣膜。
在僅由氮化硅形成的柵絕緣膜中，硼的滲透和擴散在一定程度上得以抑制，但仍不完全。另一方面，在包含形成在氮化硅上的BN的柵絕緣膜中，基本上完全抑制了硼的滲透和擴散。
當柵絕緣膜的物理膜厚度為2nm或更小時，包含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如BN)形成于該柵絕緣膜的表面上。這是防止通過硼從柵電極滲透和擴散進入柵絕緣膜而產(chǎn)生的平帶移位的十分有效的方法。
圖8示出了當使用圖7中對比的兩種柵絕緣膜時P-溝道MOS晶體管的閾電壓波動的程度。
ΔVth是通過硼的滲透和擴散P-溝道MOS晶體管閾電壓的移位量，并且相當于波動。
在具有含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如BN)的柵絕緣膜中，可以看出的是，與沒有任何防擴散薄膜的柵絕緣膜相比，其閾電壓的移位量ΔVth較小。這是因為，通過如上所述的防擴散薄膜，抑制了硼從柵電極滲透并擴散入柵絕緣膜。
因此，根據(jù)第二實施方案，當P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜的物理膜厚度為2nm或更小時，可防止閾電壓Vth的可控性變差，并且這能夠?qū)SI性能的提高作出貢獻。
圖9是顯示其中防擴散薄膜形成在氧化硅上時(第一實施方案)和其中防擴散薄膜形成在氮化硅上時(第二實施方案)柵絕緣膜的防潮性改變的圖。
由該圖可以看出，由氮化硅(例如SiN)和防擴散薄膜(例如BN)形成的柵絕緣膜的防濕性優(yōu)于由氧化硅(例如SiO2)和防擴散薄膜形成的柵絕緣薄膜。
這可能是由于在柵絕緣膜中使用氮化硅的緣故，其中部分氮化硅變成金屬氮化物，氮化硅和防擴散薄膜之間的結(jié)合狀態(tài)變得穩(wěn)定，并且柵絕緣膜變得不活潑。
需要指出的是，當形成防擴散薄膜的BN包含金屬氮化物如0.05-0.15重量％的Si3N4時，其特性如剝離性能和防潮性將大大提高。
在第二實施方案中，由于包含硼和氮原子的防擴散薄膜形成在氮化硅上，因此，能夠防止硼的滲透和擴散，并且還能夠增強柵絕緣膜。
(3)第三實施方案下面將根據(jù)第三實施方案，描述一種半導體裝置以及該裝置的制造方法。第三實施方案是第二實施方案的改進。第三實施方案不同于第二實施方案，其中，將其界面已經(jīng)氧化的氮化硅替代氮化硅用作柵絕緣膜。
A.結(jié)構(gòu)圖10示出了根據(jù)第三實施方案的P-溝道MOS晶體管的結(jié)構(gòu)。
P-型擴散層12A、12B形成于N-型硅襯底(可以是凹槽)11的表面區(qū)域內(nèi)。柵電極14通過柵絕緣膜13形成在P-型擴散層12A、12B之間的溝道區(qū)上。柵電極14包含含P-型雜質(zhì)(例如硼)的多晶硅。
在該實施方案中，柵絕緣膜13包含其界面已經(jīng)氧化的氮化硅(SiON)；和形成于氮化硅上并且包含硼和氮原子的防擴散薄膜。
需要指出的是，由氮化硅組成的柵絕緣膜13可以是含氮絕緣膜，并且，所述柵絕緣膜13可以包含例如除硼原子以外的原子，如氧原子而不是氮原子和硅原子。
此外，防擴散薄膜包含例如BN。
由于防擴散薄膜具有同時防止柵電極14中硼的滲透和擴散的作用，因此，即使柵絕緣膜變薄時也能夠有效地防止溝道MOS晶體管內(nèi)的平帶移位。
B.制造方法接著，將參考圖11描述圖10的MOS晶體管內(nèi)柵絕緣膜的制造方法。
首先，用稀HF對硅襯底1進行處理，并通過氫對硅襯底1的表面進行封端(步驟ST1)。然后，將硅襯底1引入一室(步驟ST2)中。然后，再將所述室內(nèi)的氣氛設置成例如740托的NH3，控制加熱器，由此使硅襯底1的表面溫度設置在700℃或更高，750℃或更低(例如700℃)，并將該狀態(tài)保持約100秒。結(jié)果是，氮化硅(SiN)2形成在硅襯底1(步驟ST3和ST4)上。
再將所述室填充例如35托的N2O，控制加熱器，由此使硅襯底1的表面溫度設置在800℃或更高，1000℃或更低(例如800℃)，并將該狀態(tài)保持約30秒。結(jié)果是，包含氧原子的氮化硅(例如，SiON)3、4形成在氮化硅2的界面上，即形成在硅襯底1和氮化硅2之間，并且在氮化硅2的上表面上(步驟ST5)。
然后，引入16sccm的Ar、5.4sccm的He、0.3sccm的N2、0.6sccm的B2H6，以產(chǎn)生為時約1秒鐘的H2、N2、Ar等離子體。在此，B2H6的流速設置成He流速的約10％。因此，包含氧原子的氮化硅4的表面被N2和H2等離子體蝕刻，并且BN6形成在氮化硅4約0.3nm的厚度處(步驟ST6)。
通過上述步驟完成了圖10的P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜。
C.效果下面將描述根據(jù)第三實施方案的半導體裝置以及該裝置制造方法的效果。
圖12示出了通過柵絕緣膜的結(jié)構(gòu)比較柵電極內(nèi)硼的滲透和擴散程度。
在此，作為例子示出了兩種柵絕緣膜，并且假定其任一種的物理膜厚度均為1.5nm。第一種是由其界面已經(jīng)氧化的氮化硅(SiON)形成的柵絕緣膜，而第二種是包含在其界面已經(jīng)氧化的氮化硅0.3nm厚度處形成的BN的柵絕緣膜。
在由其界面已經(jīng)氧化的氮化硅形成的柵絕緣膜中，硼的滲透和擴散在一定程度上得以抑制，但仍不完全。另一方面，在包含形成于其界面已經(jīng)氧化的氮化硅上的BN的柵絕緣膜中，基本上完全抑制了硼的滲透和擴散。
當如此的柵絕緣膜的物理膜厚度為2nm或更小時，包含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如BN)形成于該柵絕緣膜的表面上。這是防止通過硼從柵電極滲透和擴散進入柵絕緣膜而產(chǎn)生的平帶移位的十分有效的方法。
圖13示出了當使用圖12中對比的兩種柵絕緣膜時P-溝道MOS晶體管平帶電壓波動的程度。在該圖中，我們認為，平帶電壓的波動差不多等于閾電壓的波動。
ΔVfb是通過硼的滲透和擴散P-溝道MOS晶體管平帶電壓的移位量，并且相當于波動。
在具有含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如BN)的柵絕緣膜中，可以看出的是，與沒有任何防擴散薄膜的柵絕緣膜相比，其平帶電壓的移位量ΔVfb較小。
此外，橫坐標表示柵絕緣膜中的氮濃度N[％]。亦即，以下可以從圖中看出。
在沒有任何防擴散薄膜(例如BN)的柵絕緣膜中，當柵絕緣膜中的氮濃度增加時，平帶電壓的移位量ΔVfb將過度增加。然而，在有防擴散薄膜的柵絕緣膜中，甚至當柵絕緣膜中的氮濃度增加時，平帶電壓的移位量ΔVfb也不會過度增加。
這是因為，如上所述防擴散薄膜抑制了硼從柵電極滲透并擴散入柵絕緣膜。
因此，在第三實施方案中，甚至當P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜的物理膜厚度為2nm或更小時，也能夠防止平帶電壓Vfb和閾電壓的可控性變差，并且這能夠?qū)SI性能的提高作出貢獻。
需要指出的是，當形成防擴散薄膜的BN包含金屬氮化物如0.05-0.15重量％的Si3N4時，其特性如剝離性能和防潮性將大大提高。
在第三實施方案中，由于包含硼和氮原子的防擴散薄膜形成在其界面已經(jīng)氧化的氮化硅上，因此，能夠防止硼的滲透和擴散，并且還能夠增強柵絕緣膜。
(4)第四實施方案下面將根據(jù)第四實施方案，描述一種半導體裝置以及該裝置的制造方法。第四實施方案是第三實施方案的改進。第四實施方案不同于第三實施方案，其中，在氮化硅和防擴散薄膜之間的氧化部分(SiON)中氮濃度升高。
A.結(jié)構(gòu)圖14示出了根據(jù)第四實施方案的P-溝道MOS晶體管的結(jié)構(gòu)。
P-型擴散層12A、12B形成于N-型硅襯底(可以是凹槽)11的表面區(qū)域內(nèi)。柵電極14通過柵絕緣膜13形成在P-型擴散層12A、12B之間的溝道區(qū)上。柵電極14包含含P-型雜質(zhì)(例如硼)的多晶硅。
在該實施方案中，柵絕緣膜13包含其界面已經(jīng)氧化的氮化硅(SiN)；和形成于氮化硅上并且包含硼和氮原子的防擴散薄膜。
此外，在氮化硅和防擴散薄膜之間的氧化部分中氮濃度被增加。亦即，所述部分的氮濃度高于其它部分的氮濃度。
需要指出的是，由氮化硅組成的柵絕緣膜13可以是含氮絕緣膜，并且，所述柵絕緣膜13可以包含例如除硼原子以外的原子，如氧原子而不是氮原子和硅原子。
此外，防擴散薄膜包含例如BN。
由于防擴散薄膜具有同時防止柵電極14中硼的滲透和擴散的作用，因此，即使柵絕緣膜變薄時也能夠有效地防止P-溝道MOS晶體管內(nèi)的平帶移位。
B.制造方法接著，將參考圖15描述圖14的MOS晶體管內(nèi)柵絕緣膜的制造方法。
首先，用稀HF對硅襯底1進行處理，并通過氫對硅襯底1的表面進行封端(步驟ST1)。然后，將硅襯底1引入一室(步驟ST2)中。然后，再將所述室內(nèi)的氣氛設置成例如740托的NH3，控制加熱器，由此使硅襯底1的表面溫度設置在700℃或更高，750℃或更低(例如700℃)，并將該狀態(tài)保持約100秒。結(jié)果是，氮化硅(SiN)2形成在硅襯底1(步驟ST3和ST4)上。
再將所述室填充例如35托的N2O，控制加熱器，由此使硅襯底1的表面溫度設置在800℃或更高，1000℃或更低(例如800℃)，并將該狀態(tài)保持約30秒。結(jié)果是，包含氧原子的氮化硅(例如，SiON)3、4形成在氮化硅2的界面上，即形成在硅襯底1和氮化硅2之間，并且在氮化硅2的上表面上(步驟ST5)。
然后，對所述室填充例如30毫托的N2，并用等離子體(游離基)照射約10秒鐘。結(jié)果，氮原子被引入含氧原子的氮化硅4中，包含氧原子的氮化硅4組成了氧氮化物層5(步驟6)。
然后，引入16sccm的Ar、5.4sccm的He、0.3sccm的N2、0.6sccm的B2H6，以產(chǎn)生為時約1秒鐘的H2、N2、Ar等離子體。在此，B2H6的流速設置成He流速的約10％。因此，包含高濃度氮的氧氮化物層5的表面被N2和H2等離子體蝕刻，并且BN6形成在氧氮化物層5約0.3nm的厚度處(步驟ST7)。
通過上述步驟完成了圖14的P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜。
C.效果下面將描述根據(jù)第四實施方案的一種半導體裝置以及該裝置制造方法的效果。
圖16示出了如制造方法步驟ST6中所示進行滲氮(稱為表面滲氮)時和不進行滲氮時EOT-Jg的關(guān)系。
在此，EOT表示等效氧化物厚度，而Jg表示柵漏程度的指數(shù)。當Jg值減小時，柵漏減少，并且獲得了令人滿意的特性。
就包含直接設置在SiON薄膜上的BN薄膜且物理膜厚度1.5nm的柵絕緣膜而言，由白色圓圈表示特性。就包含在SiON薄膜的表面滲氮后設置在SiON上的BN薄膜且物理膜厚度1.5nm的柵絕緣膜而言，由黑色圓圈表示特性。
由該圖可以看出，與不進行滲氮的情況相比，當進行表面滲氮時，EOT-Jg的關(guān)系得以改善。亦即，當柵漏保持在一恒定值，例如102[A/cm2]時，與不進行滲氮處理的情況相比，在進行表面滲氮處理的情況下EOT顯示較小值。
這可能是因為在SiON薄膜表面上形成的SiO2通過等離子體滲氮而氮化，因此，氧和氮被取代，并且提高了柵絕緣膜的介電常數(shù)。
圖17示出了通過柵絕緣膜的結(jié)構(gòu)比較柵電極內(nèi)硼的滲透和擴散程度。
在此，作為例子示出了兩種柵絕緣膜，并且假定其任一種的物理膜厚度均為1.5nm。第一種是由其界面已經(jīng)氧化的氮化硅(SiON)和防擴散薄膜(BN)形成的柵絕緣膜，而第二種是包含經(jīng)受表面滲氮的界面已經(jīng)被氧化的氮化硅和防擴散薄膜的柵絕緣膜。
在不進行表面滲氮的柵絕緣膜中，硼的滲透和擴散在一定程度上得以抑制，但仍不完全。另一方面，在經(jīng)受表面滲氮的柵絕緣膜中，基本上完全抑制了硼的滲透和擴散。
當柵絕緣膜的物理膜厚度為2nm或更小時，包含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如BN)形成于該柵絕緣膜的表面上，并且再進行表面滲氮處理。這是防止通過硼從柵電極滲透和擴散進入柵絕緣膜而產(chǎn)生的平帶移位的十分有效的方法。
圖18示出了當使用圖17中對比的兩種柵絕緣膜時P-溝道MOS晶體管平帶電壓波動的程度。在該圖中，我們認為，平帶電壓的波動差不多等于閾電壓的波動。
ΔVfb是通過硼的滲透和擴散P-溝道MOS晶體管平帶電壓的移位量，并且相當于波動。
在具有含硼和氮原子的防擴散薄膜(例如BN)的柵絕緣膜中，如圖13所示，與沒有任何防擴散薄膜的柵絕緣膜相比，其平帶電壓的移位量ΔVfb較小。
此外，當SiON薄膜的表面進行氮化時，與不進行表面滲氮處理的情況相比，平帶電壓的移位量ΔVfb能夠進一步減小。
此處，橫坐標表示柵絕緣膜中的氮濃度N[％]。亦即，當進行表面滲氮時，甚至柵絕緣膜中的氮濃度增加時，移位量ΔVfb也能夠保持在較小值。
這是因為，表面滲氮與防擴散薄膜的結(jié)合抑制了硼從柵電極滲透并擴散入柵絕緣膜。
因此，在第四實施方案中，當P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜的物理膜厚度為2nm或更小時，能夠防止閾電壓Vth和平帶電壓的可控性變差，并且這能夠?qū)SI性能的提高作出貢獻。
圖19是顯示防擴散薄膜形成在SiON薄膜上時(第三實施方案)和防擴散薄膜形成在經(jīng)受表面滲氮處理的SiON薄膜上時(第四實施方案)柵絕緣膜的防潮性改變的圖。
由該圖可以看出，經(jīng)受表面滲氮處理的柵絕緣膜的防潮性優(yōu)于未經(jīng)受表面滲氮處理的柵絕緣膜。
這是由于SiON薄膜表面的滲氮增加了氮濃度，柵絕緣膜中部分氮化硅變成了金屬氮化物，氮化硅和防擴散薄膜之間的結(jié)合狀態(tài)變得穩(wěn)定，并且柵絕緣膜變得不活潑。
需要指出的是，當形成防擴散薄膜的BN包含金屬氮化物如0.05-0.15重量％的Si3N4時，其特性如剝離性能和防潮性將大大提高。
在第四實施方案中，通過表面滲氮的SiON薄膜和包含硼和氮原子的防擴散薄膜的結(jié)合，能夠有效地防止硼的滲透和擴散，并且還能夠增強柵絕緣膜。
3.其它在上述第一至第四實施方案中，至少包含硼原子和氮原子的防擴散薄膜的原子密度高于氧化物薄膜或氮化物薄膜的原子密度。防擴散薄膜優(yōu)選包含1×1018cm-3或更多的硼原子。
此外，為了充分地發(fā)揮防擴散薄膜的作用，硼原子的表面密度可以設置成高于防擴散薄膜中氮原子的表面密度。
通過在由包含氮原子的氣體和包含硼原子的氣體組成的氣氛中產(chǎn)生等離子體而形成防擴散薄膜。例如，含氮原子的氣體包含NH3、N2O、N和N2中的任一種或多種。
當將本發(fā)明的實施例應用于P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜時，柵電極由含硼原子的多晶硅形成。
在此，例如可以利用含硼原子的多晶硅來形成防擴散薄膜。亦即，在形成含硼原子的多晶硅之后，使該多晶硅暴露于含氮原子的氣體中，因此，能夠容易地形成包含硼原子和氮原子的防擴散薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了具有高氮濃度，高介電常數(shù)(高-K)，小EOT，優(yōu)異防潮性，和小閾電壓移位量的絕緣膜。如上所述，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能MOS晶體管作出貢獻，其中，例如，當應用于P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜時，抑制了柵漏、平帶移位等等。
對于本領域熟練技術(shù)人員而言，其他的優(yōu)點和改進將容易想到。因此，本發(fā)明并不局限于在此所示和描述的細節(jié)和代表性的實施方案。因此，在不脫離由所附的權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對本發(fā)明作出各種改進。
權(quán)利要求
1.一種半導體裝置，包括半導體襯底，和形成在所述半導體襯底上的絕緣膜，其中所述絕緣膜具有包含氧原子的區(qū)域和包含硼原子和氮原子的區(qū)域。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體裝置，其中所述絕緣膜用作P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的半導體裝置，其中所述P-溝道MOS晶體管的柵電極由含硼原子的多晶硅形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的半導體裝置，其中所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域與所述柵電極鄰接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體裝置，其中所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域包含1×1018cm-3或更多的硼原子。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導體裝置，其中在所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域中，硼原子的表面密度高于氮原子的表面密度。
7.一種半導體裝置，包括半導體襯底，和形成在所述半導體襯底上的絕緣膜，其中所述絕緣膜具有包含氮原子的區(qū)域和包含硼原子和氮原子的區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的半導體裝置，其中所述包含氮原子的區(qū)域保持在兩個包含氧原子的區(qū)域之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的半導體裝置，其中所述兩個包含氧原子的區(qū)域中一個區(qū)域的氮濃度高于另一區(qū)域的氮濃度。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的半導體裝置，其中所述絕緣膜用作P-溝道MOS晶體管的柵絕緣膜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的半導體裝置，其中所述P-溝道MOS晶體管的柵電極由含硼原子的多晶硅形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的半導體裝置，其中所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域與所述柵電極鄰接。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的半導體裝置，其中所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域的原子密度高于所述包含氮原子的區(qū)域的原子密度。
14.根據(jù)權(quán)利要求7的半導體裝置，其中所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域包含1×1018cm-3或更多的硼原子。
15.根據(jù)權(quán)利要求7的半導體裝置，其中在所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域中，硼原子的表面密度高于氮原子的表面密度。
16.一種半導體裝置的制造方法，包括在半導體襯底上形成包含氧原子的區(qū)域；和在所述包含氧原子的區(qū)域上形成含硼原子和氮原子的區(qū)域。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的制造方法，其中通過在由包含氮原子的氣體和包含硼原子的氣體組成的氣氛中產(chǎn)生等離子體而形成所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的制造方法，其中所述包含氮原子的氣體包含NH3、N2O、N和N2中的任一種或多種。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的制造方法，其中在所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域上形成構(gòu)成P-溝道MOS晶體管的柵電極的所述包含硼原子的多晶硅。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的制造方法，其中通過使所述包含硼原子的多晶硅暴露于包含氮原子的氣體中，而形成所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域。
21.一種半導體裝置的制造方法，包括在半導體襯底上形成包含氮原子的區(qū)域；和在所述包含氮原子的區(qū)域上形成含硼原子和氮原子的區(qū)域。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的制造方法，另外還包括形成兩個包含氧原子的區(qū)域從而將所述包含氮原子的區(qū)域保持在其間，其中所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域形成在所述兩個包含氧原子的區(qū)域中的一個區(qū)域上。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的制造方法，另外還包括將氮原子注入所述包含氧原子的兩個區(qū)域之一中，并且將所述包含氧原子的兩個區(qū)域之一的氮濃度設置成高于另一區(qū)域的氮濃度。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的制造方法，其中通過在由包含氮原子的氣體和包含硼原子的氣體組成的氣氛中產(chǎn)生等離子體而形成所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的制造方法，其中所述包含氮原子的氣體包含NH3、N2O、N、和N2中的任一種或多種。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的制造方法，其中在所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域上形成構(gòu)成P-溝道MOS晶體管的柵電極的所述包含硼原子的多晶硅。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的制造方法，其中通過使所述包含硼原子的多晶硅暴露于包含氮原子的氣體中，而形成所述包含硼原子和氮原子的區(qū)域。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一方面，公開了一種半導體裝置，其包含半導體襯底；和形成在該半導體襯底上的、P－溝道MOS晶體管的柵絕緣膜。所述柵絕緣膜具有氧化物薄膜(SiO
文檔編號H01L29/78GK1819261SQ200610006810
公開日2006年8月16日 申請日期2006年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月7日
發(fā)明者松下大介, 村岡浩一, 中崎靖, 加藤弘一, 清水敬 申請人:株式會社東芝