CN104347370B - 提高pmos器件栅极的负偏压温度稳定性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，包括步骤：形成栅氧化层和栅极多晶硅并注入硼离子；在栅极多晶硅表面形成金属硅化钨层；进行全面氟离子注入；通过热处理将氟离子扩散到栅极多晶硅中。本发明能减少栅极的硅和氧化硅界面处的应力、以及减少由硅氢键的存在而产生的界面态，能够增加硅和氧化硅界面的稳定性、有效减小PMOS器件的阈值电压漂移，提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造工艺方法，特别是涉及一种提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法。
背景技术
现有工艺中，为了方便于NMOS器件集成，PMOS器件的栅极多晶硅采用和NMOS器件的栅极多晶硅相同的掺杂条件，即都为N型掺杂且都要求重掺杂，PMOS器件的栅极多晶硅N型掺杂后，必须在沟道区形成一P型埋沟（buried channel）才能解决N型栅极多晶硅造成的阈值电压（Vt）较高的问题，P型埋沟的引入又会产生较大的漏电流问题。为了解决现有PMOS器件的埋沟引起的较高的Vt和较大的漏电流的问题，现有技术中采用P型硼杂质来对PMOS器件的栅极多晶硅进行P型掺杂并且为重掺杂，即NMOS器件的栅极多晶硅形成N型掺杂的结构、PMOS器件的栅极多晶硅形成P型掺杂的结构，这样才能降低PMOS器件的P型栅极多晶硅和硅衬底上的沟道区之间的接触势，能达到降低PMOS器件的阈值电压和漏电的作用。但是由于NMOS器件和PMOS器件要集成在一起，故要保证NMOS器件的栅极和PMOS器件的栅极能够实现良好的接触，由于P型栅极多晶硅和N型栅极多晶硅之间存在接触问题，所以现有技术中采用在P型栅极多晶硅和N型栅极多晶硅上都分别形成金属硅化钨层（WSI，TungstenPolycide）来实现NMOS器件的栅极和PMOS器件的栅极的良好的接触连接。
PMOS器件的栅极多晶硅采用硼掺杂以及形成金属硅化钨层后，由于硼在金属硅化钨层与多晶硅中溶解度大致为100:1，这样容易受后续热处理的影响，导致硼穿越金属硅化钨层和栅极多晶硅的界面，进入到金属硅化钨层中并在金属硅化钨层中聚积，即最后会产生PMOS器件的栅极多晶硅耗尽（Poly Depletion Effects），从而造成PMOS器件的阈值电压漂移。如图1所示，在硅衬底101上形成有栅氧化层102，以及栅极多晶硅层103和金属硅化钨层104，其中栅极多晶硅层103中注入有P型硼杂质，该结构在进行后续热处理后，由于硼的在金属硅化钨层104中的溶解度更大，故硼杂质会穿透到金属硅化钨层104中，栅极多晶硅层103的硼杂质会大大减少，这样就会是最后形成的PMOS器件的阈值电压漂移。
为了克服上述硼穿透到金属硅化钨层中的情况发生，如图2所示，现有一种工艺方法是在栅极多晶硅层103进行硼掺杂后，在栅极多晶硅层103的表面形成一层钛和氮化钛（Ti/TiN）的阻挡层105，再在阻挡层105上形成金属硅化钨层104，其中在金属硅化钨层104上的氮化硅层106为隔离保护层。即现有方法利用阻挡层105来阻止栅极多晶硅103中的硼杂质在加热后向金属硅化钨层104中渗透聚集。虽然上述方法能够抑制栅极多晶硅耗尽发生，但是新引入的钛很容易在后续的栅极多晶硅的再氧化（Re-oxidation）工艺被氧化而发生膨胀，最后造成球形凸起（pilling），这会对栅极结构的形貌影响很大，不利于器件的性能稳定。同时，钛的引入，也对工艺线上的产品存在金属离子污染的风险。
另外，如图1或2所示，现有工艺技术中，栅极多晶硅103的图形刻蚀完成后，会在硅或氧化硅界面如硅衬底101和栅氧化层102界面、栅极多晶硅103和栅氧化层102界面，以及栅极氮化硅层106界面处形成硅氢键（Si-H键），而在界面处氢易于扩散，产生大量的界面态，这样在加压或高温作用下，更容易使得硅氢键断裂以及氢的扩散，造成PMOS的阈值电压偏移很大且饱和漏电流增大，会产生负偏压温度不温度性（NBTI）问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，能减少栅极的硅和氧化硅界面处的应力、以及减少由硅氢键的存在而产生的界面态，能够增加硅和氧化硅界面的稳定性、有效减小PMOS器件的阈值电压漂移，提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供的提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，其特征在于，形成PMOS器件的栅极的步骤包括：
步骤一、在硅衬底上依次形成栅氧化层和栅极多晶硅，在所述栅极多晶硅中注入硼离子，使所述栅极多晶硅呈P型掺杂结构。
步骤二、在硼离子注入之后，在所述栅极多晶硅表面形成金属硅化钨层。
步骤三、进行全面氟离子注入将氟离子注入到所述金属硅化钨层中。
步骤四、通过热处理将氟离子扩散到所述栅极多晶硅中；且在所述栅极多晶硅和所述栅氧化层的界面处，氟离子取代氢离子形成比硅氢键更加稳定的硅氟键（Si-F键）；由氟离子扩散后的所述金属硅化钨层和所述栅极多晶硅组成所述PMOS器件的栅极。
进一步的改进是，步骤一中的注入硼离子的能量为3KeV～8Kev，注入剂量为1E15cm-2～1E16cm-2。
进一步的改进是，步骤三中的氟离子注入的能量为3KeV～15Kev，注入剂量为1E15cm-2～8E15cm-2。
进一步的改进是，步骤三的氟离子注入工艺之后、步骤四的氟离子的热处理之前，还包括在所述金属硅化钨层表面形成栅极氮化硅层的步骤。
进一步的改进是，步骤四中在硅和氧化硅的界面处，氟离子还对硅氧键（Si-O键）的扭曲进行减小。
进一步的改进是，步骤四中的硅和氧化硅的界面包括：所述硅衬底和所述栅氧化层的界面，所述栅氧化层和所述栅极多晶硅的界面。
本发明方法通过在PMOS器件的金属硅化钨层中进行氟离子注入掺杂，依靠后续高温工艺的热处理，使金属硅化钨层中的氟离子扩散到栅极多晶硅中，在硅和氧化硅（Si/SiO）界面，氟离子替代氢离子，形成更为稳定的Si-F键，释放了Si/SiO界面应力，氟离子同时还能减小Si-O键的扭曲，释放Si/SiO界面的应力，进一步使Si/SiO界面变得更加稳定，从而能有效地减小PMOS器件的阈值电压漂移，提高PMOS的负偏压温度稳定性，能解决PMOS负偏压温度不稳定性问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是现有PMOS器件带有金属硅化钨层和多晶硅层的栅极结构；
图2是现有PMOS器件带有金属硅化钨层、阻挡层和多晶硅层的栅极结构；
图3是本发明实施例方法的流程图；
图4A-图4D是本发明实施例方法各步骤中器件结构图；
图5是F离子扩散到栅极多晶硅中的作用示意图。
具体实施方式
如图3所示，是本发明实施例方法的流程图；本发明实施例提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法中形成PMOS器件的栅极的步骤包括：
步骤一、如图4A所示，在硅衬底1上依次形成栅氧化层2和栅极多晶硅3，在PMOS器件形成区域的所述栅极多晶硅3中注入硼离子，注入硼离子的能量为3KeV～8Kev，注入剂量为1E15cm-2～1E16cm-2，使所述PMOS器件形成区域的所述栅极多晶硅3呈P型掺杂结构。
步骤二、如图4A所示，在硼离子注入之后，在所述栅极多晶硅3表面形成金属硅化钨层4。
步骤三、如图4B所示，进行全面氟离子注入将氟离子注入到所述金属硅化钨层4中。氟离子注入的能量为3KeV～15Kev，注入剂量为1E15cm-2～8E15cm-2。
如图4C所示，所述金属硅化钨层4表面形成栅极氮化硅层5，所述栅极氮化硅层5用作隔离保护层。
步骤四、如图4C所示，通过热处理将氟离子扩散到所述栅极多晶硅3中；且在所述栅极多晶硅3和所述栅氧化层2的界面处，氟离子取代氢离子形成比硅氢键更加稳定的硅氟键（Si-F键）；氟离子还对硅氧键（Si-O键）的扭曲进行减小。由氟离子扩散后的所述金属硅化钨层4和所述栅极多晶硅3组成所述PMOS器件的栅极。
如图5所示，是F离子扩散到栅极多晶硅中的作用示意图。硅和氧化硅的界面包括：所述硅衬底（Si）1和所述栅氧化层（SiO2）2的界面，所述栅氧化层2和所述栅极多晶硅（Poly-Si Gate）3的界面。氟（F）能够对Si-H键作用形成Si-F键。F还能对Si-O键作用，使得Si-O键的应力得到释放。
如图4D所示，进行栅极图形刻蚀形成栅极结构，栅极图形刻蚀包括依次对所述栅极氮化硅层5、所述金属硅化钨层4、所述栅极多晶硅3和所述栅氧化层2进行的刻蚀工艺。
之后在PMOS器件的栅极的侧面形成侧墙，并在所述栅极两侧的所述硅衬底1中形成PMOS器件的源漏区。
PMOS器件一般和NMOS器件集成在一起形成，在形成NMOS器件的区域中，NMOS器件的栅极多晶硅采用N型掺杂，在栅极多晶硅上也形成有金属硅化钨层。PMOS器件和NMOS器件集成在一起时，通过金属硅化钨层实现器件之间的栅极的连接。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，其特征在于，形成PMOS器件的栅极的步骤包括：
步骤一、在硅衬底上依次形成栅氧化层和栅极多晶硅，在所述栅极多晶硅中注入硼离子，使所述栅极多晶硅呈P型掺杂结构；
步骤二、在硼离子注入之后，在所述栅极多晶硅表面形成金属硅化钨层；
步骤三、进行全面氟离子注入将氟离子注入到所述金属硅化钨层中；
步骤四、通过热处理将氟离子扩散到所述栅极多晶硅中；且在硅和氧化硅的界面处，氟离子取代氢离子形成比硅氢键更加稳定的硅氟键；由氟离子扩散后的所述金属硅化钨层和所述栅极多晶硅组成所述PMOS器件的栅极。
2.如权利要求1所述的提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，其特征在于：步骤一中的注入硼离子的能量为3KeV～8Kev，注入剂量为1E15cm-2～1E16cm-2。
3.如权利要求1所述的提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，其特征在于：步骤三中的氟离子注入的能量为3KeV～15Kev，注入剂量为1E15cm-2～8E15cm-2。
4.如权利要求1所述的提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，其特征在于：步骤三的氟离子注入工艺之后、步骤四的氟离子的热处理之前，还包括在所述金属硅化钨层表面形成栅极氮化硅层的步骤。
5.如权利要求1所述的提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，其特征在于：步骤四中在硅和氧化硅的界面处，氟离子还对硅氧键的扭曲进行减小。
6.如权利要求1所述的提高PMOS器件栅极的负偏压温度稳定性方法，其特征在于：步骤四中的硅和氧化硅的界面包括：所述硅衬底和所述栅氧化层的界面，所述栅氧化层和所述栅极多晶硅的界面。
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