[发明专利]化学成分梯度分布的应力薄膜、半导体器件及其形成方法

说明书

本发明提供一种化学成分梯度分布的应力薄膜的形成方法、半导体器件及其形成方法，所述方法至少包含以下步骤：在半导体衬底上形成晶体管；以及在所述半导体衬底上形成应力薄膜层；其中，在形成所述应力薄膜层的过程中调节生长氛围气体中O、N和H的含量使得最终得到的所述应力薄膜层具有沿厚度方向梯度分布的化学成分。通过在形成应力薄膜层的过程中调节生长氛围气体中O、N和H的含量使得最终得到的应力薄膜层具有沿厚度方向梯度分布的化学成分，从而使得衬底与应力薄膜层的界面之间的应力变化较为平缓，应力薄膜层与衬底之间的结合力增加，避免了在应力薄膜层中形成缺陷或应力薄膜层从衬底上脱落，进一步加强了器件的可靠性。

技术领域

本发明涉及采用了应力记忆技术(Stress Memorization Technology，SMT)的半导体技术领域，具体涉及一种化学成分梯度分布的应力薄膜、半导体器件及其形成方法。

背景技术

随着半导体工艺进入亚微米时代，MOS器件的驱动电流提升问题日趋得到重视，驱动电流的提升将大大改善元件的延迟时间、提高元件的响应速率。

操控应力是改善MOS器件、尤其是场效应晶体管中载流子迁移率以及增大MOS器件的跨导(或者减小串连电阻)，进而提高驱动电流的有效方式。在具有应力的沟道中的载流子相对于正常的载流子而言，具有更小的有效质量及散射几率。当在MOS器件的制备过程中引入应力薄膜时，应力薄膜的可靠性就是关系到MOS器件质量的重要因素。但是当应力薄膜的应力较大时，尤其是应力薄膜的热膨胀系数相对于衬底而言差异较大时，应力薄膜非常容易从衬底上脱落。图1(a)所示为在衬底上形成的应力薄膜的照片，应力薄膜容易产生脱落部分101。图1(b)所示应力薄膜产生脱落的原理示意图，在衬底103上沉积应力薄膜102，由于应力薄膜102与衬底103的热膨胀系数相差较大，从而在脱落部分104处应力薄膜102受到拉应力的作用而产生撕裂。尤其是在厚度方向上衬底103与应力薄膜102之间剧烈的应力变化可能导致缺陷和脱落。

针对上述问题，现有技术存在一种利用原位氮等离子体处理及非原位紫外光固化来增加氮化硅拉伸应力的方法，可藉由在较高的温度下沉积而提高氮化硅层的应力，其采用一种能使基板实际加热至高于400℃的设备，则初镀的氮化硅膜可展现出增强的应力，使位于其下的MOS晶体管器件的性能得以提升。然而，采用上述技术形成的应力薄膜层仍然有形成缺陷并脱落的风险。

因此，为了解决上述技术问题，亟需一种能避免应力薄膜层中的缺陷和脱落的工艺。

发明内容

本发明实施例提供了一种化学成分梯度分布的应力薄膜、半导体器件及其形成方法，尤其是一种化学成分梯度分布的SiN应力薄膜、半导体器件及其形成方法，以解决在应力薄膜与衬底的界面之间的应力变化非常剧烈导致应力薄膜缺陷和脱落的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种化学成分梯度分布的应力薄膜的形成方法，所述方法至少包含以下步骤：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上形成晶体管；以及

在所述半导体衬底上形成应力薄膜层；

其中，所述应力薄膜层包括化学成分梯度分布的应力薄膜层；在形成所述应力薄膜层的过程中调节生长氛围气体中O、N和H的含量使得最终得到的所述应力薄膜层具有沿厚度方向梯度分布的化学成分；

在形成所述应力薄膜层的过程中，所述生长氛围气体中O的含量逐渐降低、N的含量逐渐增加且H的含量逐渐降低，从而使得所述应力薄膜层沿着厚度方向向上O的含量逐渐降低而N的含量逐渐增加。

可选的是，在上述方法中，所述方法包括在所述半导体衬底上形成应力薄膜层之前还形成有缓冲层。

可选的是，在上述方法中，所述缓冲层的材料为SiO₂或掺杂的SiO₂。