[發明專利]減小器件負偏壓溫度不穩定性效應的方法及器件制造方法

無效

• 申請號: 201210009099.2
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102709186A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 張冬明
• 申請（專利權）人: 上海華力微電子有限公司
• 主分類號: H01L21/336
• 分類號: H01L21/336;H01L21/265
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 陸花

技術領域

本發明涉及半導體制造領域，更具體地說，本發明涉及一種減小器件負偏壓溫度不穩定性效應的方法以及采用了該減小器件負偏壓溫度不穩定性效應的方法的半導體器件制造方法。

背景技術

隨著超大規模集成電路技術的迅速發展，MOSFET(金屬-氧化物-半導體場效應晶體管，簡稱MOS)器件的尺寸在不斷減小。由于MOS晶體管尺寸的急劇減小，柵氧化層的厚度減小至2nm甚至更薄。

在MOS器件按比例縮小尺寸的同時，工作電壓并未相應地等比例降低，這使得MOS器件的溝道電場和氧化層電場顯著增加，負偏壓溫度不穩定性(NBTI：Negative?Bias?Temperature?Instability)效應引起的退化日益顯著。負偏壓溫度不穩定性(NBTI)，通常指PMOS管在高溫、強場負柵壓作用下表現得器件性能退化，電性溫度在80-250度的范圍內，如圖1所示，其中，示出了PMOS布置在襯底的N阱N-Well中、襯底電壓Vsub＝0V、源極電壓Vs＝漏極電壓V_D＝0V、柵極電壓大于0V的情況。

NBTI退化表現為器件的關態電流(Ioff)增大，閾值電壓(Vth)負向漂移，跨導(Gm)和漏電流(Ids)減小等。此外，為了提高晶體管性能，減小柵氧化層的漏電流，在柵氧化層中引入N原子已經成為一種工藝標準，但是，N原子的引入在一定程度上加劇了器件NBTI退化。

在對NBTI退化機理的研究中，普遍認為是SiO₂/Si界面發生的電化學反應引起的。在NBTI應力過程中，氧化層固定電荷和由于表面空穴參與而產生的界面陷阱(Si₃ΞSi)與是引起NBTI效應的主要原因。而在固定電荷和界面陷阱造成的NBTI效應中Si-H鍵都起了關鍵的作用。在NBTI應力條件下，空穴在電場的作用下可以使Si-H鍵分解，從而形成界面陷阱，如圖2所示(示出Silicon(100)界面和Silicon(111)界面)，造成器件的退化。反應方程式如下：

????????????????Si₃≡SiH→Si₃≡Si·+H⁰

界面陷阱

????????????????Si₃≡SiH+H⁺→Si₃≡Si·+H₂

????????????????O₃≡SiH→O₃≡Si·+H⁰

氧化層電荷

????????????????O₃≡SiH+H⁺→O₃≡Si·+H₂

但是在CMOS(互補金屬-氧化物-半導體)器件柵氧化層中H作為固定電荷和界面陷阱中Si的主要成鍵物質，是最常見和不可避免的雜質，并在NBTI反應過程中起主要作用。在現在的CMOS工藝流程中，已經采取了相關措施來抑制NBTI效應。

比如在SiO₂/Si界面處通過氘的缺陷鈍化，在提高器件可靠性方面有很大優勢。因為根據動態同位素效應，打破與氘形成的Si-D鍵比與氫形成的Si-H鍵更困難一些。

但是，在工藝中實現這種鈍化中也存在著重要的問題。在已有的生產線上，通常是通過柵氧化層在氘中退火來完成界面的氘化。但是隨著退火的完成，在隨后的工藝中隨著溫度的升高，將使氘從界面擴散出去，并因而降低了氘所帶來的優點。也可以在氘退火之后，通過在柵極之上增加一個擴散阻擋帽(例如，氮化物帽)來保存氘，但是該帽層增加了工藝復雜度和成本。

此外，也有在生產線后段之后執行界面的氘化，但是由于在多晶硅淀積之后以及后端的工藝中諸如膜淀積、刻蝕、離子注入和清洗等中存在氫，大多數界面缺陷可能已經被氫鈍化，所以在上后端工藝之后執行氘退火會導致低氘化效率。

因此，如何提供一種可減小NBTI效應的PMOS管制作方法，已成為業界亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對現有技術中存在上述缺陷，提供一種減小器件負偏壓溫度不穩定性效應的方法以及采用了該減小器件負偏壓溫度不穩定性效應的方法的半導體器件制造方法。