專利名稱：一種改善后柵極pmos負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，更確切地說，本發(fā)明涉及一種改善后柵極高介電常數(shù)柵電介質(zhì)PMOS晶體管負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法。
背景技術(shù)：
負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性(NBTI:Negative Bias Temperature ^stability)效應(yīng)是 CMOS電路中的PMOS管在高溫、強(qiáng)場(chǎng)負(fù)柵壓的作用下出現(xiàn)的一種退化現(xiàn)象，表現(xiàn)為柵電流增大，閾值電壓向負(fù)方向漂移，亞閾值斜率減小，跨導(dǎo)和漏電流變小等。負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)的產(chǎn)生過程主要涉及正電荷的產(chǎn)生和鈍化，即界面陷阱電荷和氧化層固定正電荷的產(chǎn)生以及擴(kuò)散物質(zhì)的擴(kuò)散過程，氫氣和水汽是引起負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的兩種主要物質(zhì)。傳統(tǒng)的R-D模型將負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性產(chǎn)生的原因歸結(jié)于PMOS管在高溫負(fù)柵壓下反型層的空穴受到熱激發(fā)，遂穿到硅/ 二氧化硅界面，由于在界面存在大量的Si-H鍵，熱激發(fā)的空穴與Si-H鍵作用生成H原子，從而在界面留下懸掛鍵，而由于H原子的不穩(wěn)定性，兩個(gè)H原子就會(huì)結(jié)合，以氫氣分子的形式釋放，遠(yuǎn)離界面向柵界面擴(kuò)散，從而引起閾值電壓的負(fù)向漂移。
為了能夠很好的解決處理器采用45nm工藝的漏電問題，Intel采用了鉿基高介電常數(shù)柵電介質(zhì)金屬柵電極疊層技術(shù)，高介電常數(shù)金屬柵極工藝可使漏電減少10倍之多，使功耗也能得到很好的控制，而且如果在相同功耗下，理論上性能可提升20%左右。但是由于高介電常數(shù)柵電介質(zhì)與硅的界面具有大量的界面態(tài)，這些界面態(tài)在半導(dǎo)體制程中會(huì)與氫形成不穩(wěn)定的化學(xué)鍵，這些不穩(wěn)定的氫鍵在PMOS器件工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量界面態(tài)，從而改變 PMOS性能，使得高介電常數(shù)柵電介質(zhì)的PMOS器件具有很嚴(yán)重的負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)。 當(dāng)前，業(yè)界為減弱負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)對(duì)于PMOS器件產(chǎn)生的危害性，采用的方法主要包括1)通過熱退火，在Si/SiA界面處引入氘；2)優(yōu)化柵氧中的氮的摻雜濃度；3)盡量不要讓水出現(xiàn)在氧化層中；4)在柵氧中進(jìn)行氟注入；5)采用埋溝器件和中間的功函數(shù)柵材料等。后柵極工藝是用于制作金屬柵極結(jié)構(gòu)的一種工藝技術(shù)，這種技術(shù)的特點(diǎn)是在對(duì)硅片進(jìn)行漏/源區(qū)離子注入操作以及隨后的高溫退火工步完成之后再形成金屬柵極，工藝比較復(fù)雜，因此要解決后柵極高介電常數(shù)柵電介質(zhì)PMOS中的負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)問題也成為一個(gè)復(fù)雜的綜合性課題，本申請(qǐng)正是基于改善后柵極高介電常數(shù)柵電介質(zhì)PMOS晶體管負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性而提出的。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種改善后柵極高介電常數(shù)柵電介質(zhì) PMOS晶體管負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其中，在高介電常數(shù)柵電介質(zhì)金屬柵電極疊層的后柵極制程中，包括
形成一高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層并于該高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層上沉積一層附加樣本柵極材料，之后刻蝕附加樣本柵極材料，以形成MOS器件的柵電介質(zhì)層及覆蓋在柵電介質(zhì)上的附加樣本柵；
在附加樣本柵形成之后且在源漏離子注入進(jìn)行熱處理之前，通過離子注入注入單質(zhì)氟離子或含氟化合物到PMOS器件區(qū)域；
進(jìn)行源漏離子注入并實(shí)施熱處理，使氟離子或含氟化合物進(jìn)入高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層，以在HfO2/Si&和Si02/Si界面處形成較穩(wěn)定的氟化物化學(xué)鍵；
以絕緣層覆蓋PMOS器件及其附加樣本柵，并對(duì)絕緣層進(jìn)行表面研磨處理直至絕緣層中外露出附加樣本柵；
刻蝕掉附加樣本柵并在原附加樣本柵處形成溝槽，然后在溝槽中沉積第一金屬層，同時(shí)通過對(duì)其表面進(jìn)行研磨處理來研磨掉多余的金屬；
在第一金屬層上沉積填充第二金屬層，同時(shí)通過對(duì)其表面進(jìn)行研磨處理來研磨掉多余的金屬。上述改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其中，氟離子或含氟化合物的注入能量范圍是IKeV至20KeV。上述改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其中，氟離子或含氟化合物的注入劑量范圍為lE14/cm2至3E15/cm2。上述改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其中，所述在Hf02/Si&和 Si02/Si界面處形成較穩(wěn)定的氟化物化學(xué)鍵為Hf-F化學(xué)鍵。上述改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其中，所述在Hf02/Si&和 Si02/Si界面處形成較穩(wěn)定的氟化物化學(xué)鍵為Si-F化學(xué)鍵。上述改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其中，所述對(duì)絕緣層進(jìn)行表面研磨處理直至絕緣層中外露出附加樣本柵中是采用化學(xué)機(jī)械碾磨法進(jìn)行研磨。上述改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其中，所述第一金屬層和所述第二金屬層采用不同金屬。本領(lǐng)域的技術(shù)人員閱讀以下較佳實(shí)施例的詳細(xì)說明，并參照附圖之后，本發(fā)明的這些和其他方面的優(yōu)勢(shì)無疑將顯而易見。


參考所附附圖，以更加充分的描述本發(fā)明的實(shí)施例，然而，所附附圖僅用于說明和闡述，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明范圍的限制。圖1A、圖1B、圖1C、圖ID分別是本發(fā)明改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法的最佳實(shí)施例的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法是在高介電常數(shù)柵電介質(zhì)金屬柵電極疊層的后柵極工藝制程中進(jìn)行，最佳實(shí)施例的流程結(jié)構(gòu)示意圖如圖IA 圖ID所示，具體包括
形成一高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層1并于該高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層1上沉積一層附加樣本柵極材料2，之后刻蝕附加樣本柵極材料2，以形成MOS器件的柵電介質(zhì)層1及覆蓋在柵電介質(zhì)1上的附加樣本柵2，如圖IA所示；
如圖IB所示，在附加樣本柵2形成之后且在源漏離子注入進(jìn)行熱處理之前，通過離子注入注入單質(zhì)氟離子或含氟化合物到PMOS器件區(qū)域3 ；進(jìn)行源漏離子注入并實(shí)施熱處理， 使氟離子或含氟化合物進(jìn)入高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層1，以在Hf02/Si&和Si02/Si界面處形成較穩(wěn)定的氟化物化學(xué)鍵，這種化學(xué)鍵在MOS器件工作中不容易產(chǎn)生界面態(tài)，從而改善了 PMOS晶體管的負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)；以絕緣層4覆蓋PMOS器件區(qū)域3及其附加樣本柵2，并對(duì)絕緣層4進(jìn)行表面化學(xué)機(jī)械碾磨處理直至絕緣層4中外露出附加樣本柵2上端；
氟離子或含氟化合物的注入能量范圍是IKeV至20KeV，注入劑量范圍為lE14/cm2至3E15/
2
cm ο如圖IC所示，刻蝕掉附加樣本柵2并在原附加樣本柵處形成溝槽5，然后在溝槽5 中沉積第一金屬層6，同時(shí)通過對(duì)其表面進(jìn)行研磨處理來研磨掉多余的金屬，具體是采用化學(xué)機(jī)械碾磨法(CMP)研磨掉表面多余的金屬。如圖ID所示，在第一金屬層6上沉積填充第二金屬層7，同時(shí)通過對(duì)其表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械碾磨處理來研磨掉多余的金屬，第二金屬層6與第一金屬層7可以為不同金屬。通過說明和附圖，給出了具體實(shí)施方式
的特定結(jié)構(gòu)的典型實(shí)施例，例如，本案是以 PMOS器件進(jìn)行闡述，基于本發(fā)明精神，芯片還可作其他類型的轉(zhuǎn)換。因此，盡管上述發(fā)明提出了現(xiàn)有的較佳實(shí)施例，然而，這些內(nèi)容并不作為局限。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，閱讀上述說明后，各種變化和修正無疑將顯而易見。 因此，所附的權(quán)利要求書應(yīng)看作是涵蓋本發(fā)明的真實(shí)意圖和范圍的全部變化和修正，在權(quán)利要求書范圍內(nèi)任何和所有等價(jià)的范圍與內(nèi)容，都應(yīng)認(rèn)為仍屬本發(fā)明的意圖和范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其特征在于，在高介電常數(shù)柵電介質(zhì)金屬柵電極疊層的后柵極制程中，包括形成一高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層并于該高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層上沉積一層附加樣本柵極材料，之后刻蝕附加樣本柵極材料，以形成MOS器件的柵電介質(zhì)層及覆蓋在柵電介質(zhì)上的附加樣本柵；在附加樣本柵形成之后且在源漏離子注入進(jìn)行熱處理之前，通過離子注入注入單質(zhì)氟離子或含氟化合物到PMOS器件區(qū)域；進(jìn)行源漏離子注入并實(shí)施熱處理，使氟離子或含氟化合物進(jìn)入高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層，以在HfO2/Si&和Si02/Si界面處形成較穩(wěn)定的氟化物化學(xué)鍵；以絕緣層覆蓋PMOS器件及其附加樣本柵，并對(duì)絕緣層進(jìn)行表面研磨處理直至絕緣層中外露出附加樣本柵；刻蝕掉附加樣本柵并在原附加樣本柵處形成溝槽，然后在溝槽中沉積第一金屬層，同時(shí)通過對(duì)其表面進(jìn)行研磨處理來研磨掉多余的金屬；在第一金屬層上沉積填充第二金屬層，同時(shí)通過對(duì)其表面進(jìn)行研磨處理來研磨掉多余的金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其特征在于， 氟離子或含氟化合物的注入能量范圍是IKeV至20KeV。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其特征在于， 氟離子或含氟化合物的注入劑量范圍為lE14/cm2至3E15/cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其特征在于， 所述在Hf02/Si&和Si02/Si界面處形成較穩(wěn)定的氟化物化學(xué)鍵為Hf-F化學(xué)鍵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其特征在于， 所述在Hf02/SiA和Si02/Si界面處形成較穩(wěn)定的氟化物化學(xué)鍵為Si-F化學(xué)鍵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其特征在于， 所述對(duì)絕緣層進(jìn)行表面研磨處理直至絕緣層中外露出附加樣本柵中是采用化學(xué)機(jī)械碾磨法進(jìn)行研磨。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改善后柵極PMOS負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，其特征在于， 所述第一金屬層和所述第二金屬層采用不同金屬。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善后柵極高介電常數(shù)柵電介質(zhì)PMOS晶體管負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性的方法，是在高介電常數(shù)柵電介質(zhì)金屬柵電極疊層的后柵極制程中形成一高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層并于該層上沉積一層附加樣本柵極材料，之后刻蝕附加樣本柵極材料及高介電常數(shù)柵電介質(zhì)層；在附加樣本柵形成之后且在源漏離子注入進(jìn)行熱處理之前，通過離子注入注入單質(zhì)氟離子或含氟化合物到PMOS器件區(qū)域；進(jìn)行源漏離子注入并實(shí)施熱處理；以絕緣層覆蓋PMOS器件及其附加樣本柵，并對(duì)絕緣層進(jìn)行表面研磨處理；刻蝕掉附加樣本柵并在原處形成溝槽，在溝槽中沉積第一金屬層；在第一金屬層上沉積填充第二金屬層。本發(fā)明有效改善了PMOS的負(fù)偏壓溫度不穩(wěn)定性效應(yīng)。
文檔編號(hào)H01L21/28GK102420117SQ201110150718
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月7日
發(fā)明者謝欣云, 陳玉文, 黃曉櫓 申請(qǐng)人:上海華力微電子有限公司