[发明专利]减小器件负偏压温度不稳定性效应的方法及器件制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，更具体地说，本发明涉及一种减小器件负偏压温度不稳定性效应的方法以及采用了该减小器件负偏压温度不稳定性效应的方法的半导体器件制造方法。

背景技术

随着超大规模集成电路技术的迅速发展，MOSFET(金属-氧化物-半导体场效应晶体管，简称MOS)器件的尺寸在不断减小。由于MOS晶体管尺寸的急剧减小，栅氧化层的厚度减小至2nm甚至更薄。

在MOS器件按比例缩小尺寸的同时，工作电压并未相应地等比例降低，这使得MOS器件的沟道电场和氧化层电场显著增加，负偏压温度不稳定性(NBTI：Negative Bias Temperature Instability)效应引起的退化日益显著。负偏压温度不稳定性(NBTI)，通常指PMOS管在高温、强场负栅压作用下表现得器件性能退化，电性温度在80-250度的范围内，如图1所示，其中，示出了PMOS布置在衬底的N阱N-Well中、衬底电压Vsub＝0V、源极电压Vs＝漏极电压V_D＝0V、栅极电压大于0V的情况。

NBTI退化表现为器件的关态电流(Ioff)增大，阈值电压(Vth)负向漂移，跨导(Gm)和漏电流(Ids)减小等。此外，为了提高晶体管性能，减小栅氧化层的漏电流，在栅氧化层中引入N原子已经成为一种工艺标准，但是，N原子的引入在一定程度上加剧了器件NBTI退化。

在对NBTI退化机理的研究中，普遍认为是SiO₂/Si界面发生的电化学反应引起的。在NBTI应力过程中，氧化层固定电荷和由于表面空穴参与而产生的界面陷阱(Si₃ΞSi)与是引起NBTI效应的主要原因。而在固定电荷和界面陷阱造成的NBTI效应中Si-H键都起了关键的作用。在NBTI应力条件下，空穴在电场的作用下可以使Si-H键分解，从而形成界面陷阱，如图2所示(示出Silicon(100)界面和Silicon(111)界面)，造成器件的退化。反应方程式如下：

                Si₃≡SiH→Si₃≡Si·+H⁰

界面陷阱

                Si₃≡SiH+H⁺→Si₃≡Si·+H₂

                O₃≡SiH→O₃≡Si·+H⁰

氧化层电荷

                O₃≡SiH+H⁺→O₃≡Si·+H₂

但是在CMOS(互补金属-氧化物-半导体)器件栅氧化层中H作为固定电荷和界面陷阱中Si的主要成键物质，是最常见和不可避免的杂质，并在NBTI反应过程中起主要作用。在现在的CMOS工艺流程中，已经采取了相关措施来抑制NBTI效应。

比如在SiO₂/Si界面处通过氘的缺陷钝化，在提高器件可靠性方面有很大优势。因为根据动态同位素效应，打破与氘形成的Si-D键比与氢形成的Si-H键更困难一些。

但是，在工艺中实现这种钝化中也存在着重要的问题。在已有的生产线上，通常是通过栅氧化层在氘中退火来完成界面的氘化。但是随着退火的完成，在随后的工艺中随着温度的升高，将使氘从界面扩散出去，并因而降低了氘所带来的优点。也可以在氘退火之后，通过在栅极之上增加一个扩散阻挡帽(例如，氮化物帽)来保存氘，但是该帽层增加了工艺复杂度和成本。

此外，也有在生产线后段之后执行界面的氘化，但是由于在多晶硅淀积之后以及后端的工艺中诸如膜淀积、刻蚀、离子注入和清洗等中存在氢，大多数界面缺陷可能已经被氢钝化，所以在上后端工艺之后执行氘退火会导致低氘化效率。

因此，如何提供一种可减小NBTI效应的PMOS管制作方法，已成为业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种减小器件负偏压温度不稳定性效应的方法以及采用了该减小器件负偏压温度不稳定性效应的方法的半导体器件制造方法。