[發(fā)明專利]提高PMOS器件柵極的負偏壓溫度穩(wěn)定性方法

有效

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• 申請日: 2013-07-23
• 公開（公告）號: CN104347370B
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發(fā)明（設計）人: 陳瑜;馬斌;陳華倫;羅嘯;郭振強
• 申請（專利權(quán)）人: 上海華虹宏力半導體制造有限公司
• 主分類號: H01L21/28
• 分類號: H01L21/28;H01L21/336
• 代理公司: 上海浦一知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司31211
• 代理人: 丁紀鐵

技術領域

本發(fā)明涉及一種半導體集成電路制造工藝方法，特別是涉及一種提高PMOS器件柵極的負偏壓溫度穩(wěn)定性方法。

背景技術

現(xiàn)有工藝中，為了方便于NMOS器件集成，PMOS器件的柵極多晶硅采用和NMOS器件的柵極多晶硅相同的摻雜條件，即都為N型摻雜且都要求重摻雜，PMOS器件的柵極多晶硅N型摻雜后，必須在溝道區(qū)形成一P型埋溝（buried channel）才能解決N型柵極多晶硅造成的閾值電壓（Vt）較高的問題，P型埋溝的引入又會產(chǎn)生較大的漏電流問題。為了解決現(xiàn)有PMOS器件的埋溝引起的較高的Vt和較大的漏電流的問題，現(xiàn)有技術中采用P型硼雜質(zhì)來對PMOS器件的柵極多晶硅進行P型摻雜并且為重摻雜，即NMOS器件的柵極多晶硅形成N型摻雜的結(jié)構(gòu)、PMOS器件的柵極多晶硅形成P型摻雜的結(jié)構(gòu)，這樣才能降低PMOS器件的P型柵極多晶硅和硅襯底上的溝道區(qū)之間的接觸勢，能達到降低PMOS器件的閾值電壓和漏電的作用。但是由于NMOS器件和PMOS器件要集成在一起，故要保證NMOS器件的柵極和PMOS器件的柵極能夠?qū)崿F(xiàn)良好的接觸，由于P型柵極多晶硅和N型柵極多晶硅之間存在接觸問題，所以現(xiàn)有技術中采用在P型柵極多晶硅和N型柵極多晶硅上都分別形成金屬硅化鎢層（WSI，Tungsten Polycide）來實現(xiàn)NMOS器件的柵極和PMOS器件的柵極的良好的接觸連接。

PMOS器件的柵極多晶硅采用硼摻雜以及形成金屬硅化鎢層后，由于硼在金屬硅化鎢層與多晶硅中溶解度大致為100:1，這樣容易受后續(xù)熱處理的影響，導致硼穿越金屬硅化鎢層和柵極多晶硅的界面，進入到金屬硅化鎢層中并在金屬硅化鎢層中聚積，即最后會產(chǎn)生PMOS器件的柵極多晶硅耗盡（Poly Depletion Effects），從而造成PMOS器件的閾值電壓漂移。如圖1所示，在硅襯底101上形成有柵氧化層102，以及柵極多晶硅層103和金屬硅化鎢層104，其中柵極多晶硅層103中注入有P型硼雜質(zhì)，該結(jié)構(gòu)在進行后續(xù)熱處理后，由于硼的在金屬硅化鎢層104中的溶解度更大，故硼雜質(zhì)會穿透到金屬硅化鎢層104中，柵極多晶硅層103的硼雜質(zhì)會大大減少，這樣就會是最后形成的PMOS器件的閾值電壓漂移。

為了克服上述硼穿透到金屬硅化鎢層中的情況發(fā)生，如圖2所示，現(xiàn)有一種工藝方法是在柵極多晶硅層103進行硼摻雜后，在柵極多晶硅層103的表面形成一層鈦和氮化鈦（Ti/TiN）的阻擋層105，再在阻擋層105上形成金屬硅化鎢層104，其中在金屬硅化鎢層104上的氮化硅層106為隔離保護層。即現(xiàn)有方法利用阻擋層105來阻止柵極多晶硅103中的硼雜質(zhì)在加熱后向金屬硅化鎢層104中滲透聚集。雖然上述方法能夠抑制柵極多晶硅耗盡發(fā)生，但是新引入的鈦很容易在后續(xù)的柵極多晶硅的再氧化（Re-oxidation）工藝被氧化而發(fā)生膨脹，最后造成球形凸起（pilling），這會對柵極結(jié)構(gòu)的形貌影響很大，不利于器件的性能穩(wěn)定。同時，鈦的引入，也對工藝線上的產(chǎn)品存在金屬離子污染的風險。

另外，如圖1或2所示，現(xiàn)有工藝技術中，柵極多晶硅103的圖形刻蝕完成后，會在硅或氧化硅界面如硅襯底101和柵氧化層102界面、柵極多晶硅103和柵氧化層102界面，以及柵極氮化硅層106界面處形成硅氫鍵（Si-H鍵），而在界面處氫易于擴散，產(chǎn)生大量的界面態(tài)，這樣在加壓或高溫作用下，更容易使得硅氫鍵斷裂以及氫的擴散，造成PMOS的閾值電壓偏移很大且飽和漏電流增大，會產(chǎn)生負偏壓溫度不溫度性（NBTI）問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種提高PMOS器件柵極的負偏壓溫度穩(wěn)定性方法，能減少柵極的硅和氧化硅界面處的應力、以及減少由硅氫鍵的存在而產(chǎn)生的界面態(tài)，能夠增加硅和氧化硅界面的穩(wěn)定性、有效減小PMOS器件的閾值電壓漂移，提高PMOS器件柵極的負偏壓溫度穩(wěn)定性。

為解決上述技術問題，本發(fā)明提供的提高PMOS器件柵極的負偏壓溫度穩(wěn)定性方法，其特征在于，形成PMOS器件的柵極的步驟包括：

步驟一、在硅襯底上依次形成柵氧化層和柵極多晶硅，在所述柵極多晶硅中注入硼離子，使所述柵極多晶硅呈P型摻雜結(jié)構(gòu)。

步驟二、在硼離子注入之后，在所述柵極多晶硅表面形成金屬硅化鎢層。

步驟三、進行全面氟離子注入將氟離子注入到所述金屬硅化鎢層中。

步驟四、通過熱處理將氟離子擴散到所述柵極多晶硅中；且在所述柵極多晶硅和所述柵氧化層的界面處，氟離子取代氫離子形成比硅氫鍵更加穩(wěn)定的硅氟鍵（Si-F鍵）；由氟離子擴散后的所述金屬硅化鎢層和所述柵極多晶硅組成所述PMOS器件的柵極。