一种应变记忆作用的半导体器件的制造方法,在半导体基底上形成多个MOS管;形成位于所述MOS管上的第一应力层,所述第一应力层包括第一化学键;对所述第一应力层进行湿化学处理,向第一应力层提供化学键结合原子,形成包括第一化学键和第二化学键的第二应力层,所述第二化学键的应力小于第一化学键的应力;对所MOS管进行退火处理;去除所述第二应力层。本发明可避免应变记忆作用的半导体器件的应力过大。
1.一种应变记忆作用的半导体器件的制造方法,其特征在于,在半导体基底上形成多个MOS管;形成位于所述MOS管上的第一应力层,所述第一应力层包括第一化学键;对所述第一应力层进行湿化学处理,向第一应力层提供化学键结合原子,形成包括第一化学键和第二化学键的第二应力层,所述第二化学键的应力小于第一化学键的应力;对所MOS管进行退火处理;去除所述第二应力层;所述湿化学处理的工艺为通过包含所述化学键结合原子的化学溶液对所述第一应力层进行超声处理;所述第一应力层的材料为氮化硅,第一化学键为硅氮键,所述化学键结合原子为氧原子,第二化学键为硅氧键。
2.如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,所述化学溶液为双氧水和/或含臭氧的去离子水。
3.如权利要求2所述的制造方法,其特征在于,所述化学溶液为双氧水,所述湿化学处理的步骤包括:采用浓度为2-30%的双氧水,在15~40°C的温度下,采用10k-2000kHz的频率进行1~10分钟的超声处理。
4.如权利要求3所述的制造方法,其特征在于,所述双氧水的浓度为6.1~7%,所述温度为20~30°C,所述超声处理采用的频率为900~1100kHz、功率密度为4~6kxa0W/cm²。
5.如权利要求2所述的制造方法,其特征在于,所述化学溶液为含臭氧的去离子水,所述湿化学处理的步骤包括:采用含臭氧的去离子水在15~40°C的温度下,采用10k-2000kHz的频率进行1~10分钟的超声处理。
6.如权利要求5所述的制造方法,其特征在于,所述超声处理的温度为20~30°C,频率为900~1100kHz、功率密度为4~6kxa0W/cm²,超声处理的时间为9~10分钟。
7.如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,通过PECVD方法形成氮化硅材料的第一应力层。
8.如权利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述第一应力层的厚度在ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="267"/>的范围内。
9.如权利要求7所述的制造方法,其特征在于,所述通过PECVD的方法形成氮化硅材料的步骤包括:向PECVD腔室中通入硅烷、氨气和氮气的反应气体,所述硅烷的流量在400~800SCCM的范围内、氨气的流量在600~1600SCCM的范围内,向PECVD腔室内的上电极加载200~350W的射频信号,在300~400°C的温度条件、6~10torr的气压条件下形成氮化硅。
10.如权利要求9所述的制造方法,其特征在于,所述硅烷和氨气流量的比例在0.4~0.75之间。
11.如权利要求9所述的制造方法,其特征在于,所述通过PECVD的方法形成氮化硅的步骤包括:述硅烷的流量为550-650SCCM、氨气的流量1400-1600SCCM,向PECVD腔室内的上电极加载240~280W的射频信号,在340~360°C的温度条件、7~9torr的气压条件下沉积氮化硅薄膜。
12.如权利要求11所述的制造方法,其特征在于,所述硅烷和氨气流量的比例在0.55~0.65之间。
13.如权利要求1所述的制造方法,其特征在于,在MOS管的局部区域上形成第一应力层,所述局部区域为通过傅利叶转换红外仪探测的硅氢键峰值与氮氢键峰值比例大于7的区域。
14.如权利要求13所述的制造方法,其特征在于,所述第一应力层提供的应力大于150Mpa。
15.如权利要求13所述的制造方法,其特征在于,在进行湿化学处理之前,在所述MOS管上覆盖光刻胶。
16.如权利要求9所述的制造方法,其特征在于,所述氮化硅提供的应力在100~250Mpa的范围内。
17.如权利要求16所述的制造方法,其特征在于,所述第二应力层提供的应力在700~900MPa的范围内。
18.如权利要求1~17任意一权利要求所述的制造方法,其特征在于,所述MOS管是NMOS。技术领域
本发明涉及半导体制造领域,尤其涉及一种应变记忆作用的半导体器件的制造方法。
背景技术
在半导体器件尤其MOS器件中,提高场效应晶体管的开关频率的一种主要方法是提高驱动电流,而提高驱动电流的主要途径是提高载流子迁移率。现有一种提高场效应晶体管载流子迁移率的技术是应变记忆技术(Stressxa0Memorizationxa0Technique,简称SMT),通过在场效应晶体管的沟道区域形成稳定应力,提高沟道中的载流子迁移率。通常拉伸应力可以使得沟道区域中的分子排列更加疏松,从而提高电子的迁移率,适用于NMOS晶体管;而压缩应力使得沟道区域内的分子排布更加紧密,有助于提高空穴的迁移率,适用于PMOS晶体管。然而SMT技术的引入也造成半导体器件性能的降低,在Ricardoxa0Borges发表的论文“Modelingxa0ofxa0stressxa0andxa0narrowxa0widthxa0effectsxa0inxa0shallowxa0trenchxa0isolation”(出自Solidxa0Statexa0Technology)中就揭示了SMT技术形成的MOS晶体管有窄宽度效应(narrowxa0widthxa0effect),即随着MOS晶体管栅极宽度的减小,阈值电压减小。本领域技术人员对所述窄宽度现象进行了分析,发现所述窄宽度现象与SMT技术在MOS管中形成的应力相关。在C.Ortolland等人发表的论文“Stressxa0Memorizationxa0Technique(SMT)Optimizationxa0forxa045nmxa0CMOS”(出自2006年VLSIxa0Symp.Tech.Dig.)中公开了一种SMT技术对PMOS管的影响,参考图1,示出了所示论文中公开的SMT技术形成的PMOS管的示意图。所述PMOS管包括衬底10;位于衬底上的栅极结构,所述栅极结构包括栅极14、包围所述栅极14的侧墙15;形成于栅极结构两侧衬底10中的掺杂区11,覆盖于所述掺杂区11和栅极结构上的氧化层12;覆盖于所述氧化层12上的应力层13。其中,所述应力层13的材料为氮化硅,在形成氮化硅时采用氢气作为反应气体,因此在氮化硅和氧化层12中包含有一定数量的氢原子,由于氮化硅材料致密,所述氢原子不会扩散出PMOS管外,所述氢原子会扩散至掺杂区中,所述论文中公开的掺杂区的掺杂离子为硼离子,氢原子会使硼离子去激活化,同时,应力层13对PMOS管的较大压力会使硼离子向氧化层12中扩散,从而造成PMOS管的重叠电容(overlapxa0capacitance)下降。所述论文还发表了通过多孔氮化硅材料的应力层(如图2所示的应力层23),使氢原子通过多孔氮化硅中的孔隙扩散出PMOS管,以避免重叠电阻下降的技术方案,但是所述技术方案的效果有限。在Po-Tsunxa0Liu等人发表的论文“Anomalousxa0Gatexa0Edgexa0Leakagexa0Inducedxa0byxa0Highxa0Tensilexa0Stressxa0inxa0NMOSFET”(发表于2008年的IEEExa0ELECTRONDEVICExa0LETTERS)中分析了SMT技术对NMOS管的影响,在所述论文中发现,NMOS管中较大的拉伸应力一方面使掺杂区扩散较为严重,另一方面造成栅极边缘的损伤,这两方面均造成栅极沟道电流的增大。综上,对于应变记忆作用(SMT)的半导体器件而言,如何避免较大应力造成的电学性能下降,成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种应变记忆作用的半导体器件的制造方法,避免较大应力造成的电学性能下降。为解决上述问题,本发明提供一种应变记忆作用的半导体器件的制造方法,在半导体基底上形成多个MOS管;形成位于所述MOS管上的第一应力层,所述第一应力层包括第一化学键;对所述第一应力层进行湿化学处理,向第一应力层提供化学键结合原子,形成包括第一化学键和第二化学键的第二应力层,所述第二化学键的应力小于第一化学键的应力;对所MOS管进行退火处理;去除所述第二应力层。所述湿化学处理的工艺为通过包含所述化学键结合原子的化学溶液对所述第一应力层进行超声处理。所述第一应力层的材料为氮化硅,第一化学键为硅氮键,所述化学键结合原子为氧原子,第二化学键为硅氧键。所述化学溶液为双氧水和/或含臭氧的去离子水。所述化学溶液为双氧水,所述湿化学处理的步骤包括:采用浓度为2-30%的双氧水,在15~40°C的温度下,采用10k-2000kHz的频率进行1~10分钟的超声处理。所述双氧水的浓度为6.1~7%,所述温度为20~30°C,所述超声处理采用的频率为900~1100kHz、功率密度为4~6kxa0W/cm²。所述化学溶液为含臭氧的去离子水,所述湿化学处理的步骤包括:采用含臭氧的去离子水在15~40°C的温度下,采用10k-2000kHz的频率进行1~10分钟的超声处理。所述超声处理的温度为20~30°C,频率为900~1100kHz、功率密度为4~6kW/cm²,超声处理的时间为9~10分钟。通过PECVD方法形成所述氮化硅材料的第一应力层。所述第一应力层的厚度在ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="249"/>的范围内。所述通过PECVD的方法形成氮化硅材料的步骤包括:向PECVD腔室中通入硅烷、氨气和氮气等反应气体,所述硅烷的流量在400~800SCCM的范围内、氨气的流量在600~1600SCCM的范围内,向PECVD腔室内的上电极加载200~350W的射频信号,在300~400°C的温度条件、6~10torr的气压条件下形成氮化硅。所述硅烷和氨气流量的比例在0.4~0.75之间。所述通过PECVD的方法形成氮化硅的步骤包括:述硅烷的流量为550-650SCCM、氨气的流量1400-1600SCCM,向PECVD腔室内的上电极加载240~280W的射频信号,在340~360°C的温度条件、7~9torr的气压条件下沉积氮化硅薄膜。所述硅烷和氨气流量的比例在0.55~0.65之间。在MOS管的局部区域上形成第一应力层,所述局部区域为通过傅利叶转换红外仪探测的硅氢键峰值与氮氢键峰值比例大于7的区域。所述第一应力层提供的应力大于150Mpa。在进行湿化学处理之前,在所述MOS管上覆盖光刻胶。所述氮化硅提供的应力在100~250Mpa的范围内。所述第二应力层提供的应力在700~900MPa的范围内。所述MOS管可以是NMOS。与现有技术相比,本发明具有以下优点:由于第二化学键的应力小于第一化学键的应力,所述MOS管中的应力适中,避免了应力较大造成的MOS管电学性能的下降。
附图说明
图1是现有技术应变记忆作用的半导体器件一实施例的示意图;图2是现有技术应变记忆作用的半导体器件另一实施例的示意图;图3是本发明应变记忆作用的半导体器件一实施方式的流程示意图;图4至图8是本发明应变记忆作用的半导体器件制造方法一实施例的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。如背景技术所描述的,现有技术中应力层提供的应力较大,会成MOS晶体管性能的下降。针对上述问题,本发明提供一种应变记忆作用的半导体器件的制造方法,在所述MOS管上形成应力层之后,进行退火处理之前,对所述MOS管进行湿化学处理,在所述是化学处理中,向应力层提供硅的结合键,减少应力材料的应力,避免较大应力造成的MOS晶体管性能的下降。参考图3,示出了本发明应变记忆作用的半导体器件制造方法一实施方式的流程示意图,本实施方式以NMOS管为例,但是本发明并不限制于此,还可以是PMOS管所述制造方法包括以下步骤:步骤S1,在半导体基底上形成多个NMOS管;步骤S2,形成覆盖于所述NMOS管上的第一应力层;步骤S3,对所述第一应力层进行湿化学处理,形成第二应力层;步骤S4,对所NMOS管进行退火处理;步骤S5,去除所述第二应力层。下面结合附图和具体实施例对各步骤进行详细说明。参考图4至图8示出了本发明应变记忆作用的半导体器件制造方法一实施例的示意图。执行步骤S1,如图4所示,提供半导体基底201,具体地,所述半导体基底201可以是硅、锗或者绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator,SOI)。所述半导体基底201为P型掺杂的半导体基底。在半导体基底201上形成NMOS晶体管的步骤包括:在所述半导体基底201上依次沉积栅极介质层和栅极层;图形化所述栅极介质层和栅极层,形成栅极电介质和栅极;形成包围所述栅极电介质和栅极的侧墙,所述栅极介质层和栅极层和侧墙组成栅极结构203,对所述栅极结构203两侧的半导体基底201进行N型掺杂,形成N型的源区/漏区202,进而完成了NMOS的制造。形成NMOS管的工艺和材料与现有技术相同,在此不再赘述。执行步骤S2,如图5所示,在所述NMOS管上沉积应力层材料,形成覆盖于所述NMOS管上的第一应力层204,所述第一应力层204用于向NMOS管提供拉伸应力,以增大NMOS晶体管的载流子迁移率。在本实施例中,所述第一应力层204的材料为氮化硅,可以通过热驱动化学气相沉积(Thermally-Drivenxa0CVD,TDCVD)或者等离子增强化学气相沉积(Plasmaxa0Enhancexa0CVD,PECVD)的方法形成。本实施例中通过PECVD沉积氮化硅,具体地,向PECVD腔室中通入硅烷、氨气和氮气等反应气体,其中,所述硅烷(SH₄)的流量为400-800标况毫升每分(Standard-statexa0Cubicxa0Centimeterxa0perxa0Minute,SCCM)、氨气(NH3)的流量600-1600SCCM,较佳地,所述硅烷和氨气流量的比例在0.4~0.75之间,以形成可提供较大拉伸应力的氮化硅;向PECVD腔室内的上电极加载200~350W的射频信号,在300~400°C的温度条件、6~10torr的气压条件下沉积氮化硅,所形成的第一应力层204的厚度在ntent="drawing" img-format="tif" inline="yes" orientation="portrait" wi="249"/>的范围内。在较佳实施例中,所述硅烷的流量为550-650SCCM、氨气的流量1400-1600SCCM,所述硅烷和氨气流量的比例在0.55~0.65之间;向PECVD腔室内的上电极加载240~280W的射频信号,在340~360°C的温度条件、7~9torr的气压条件下沉积氮化硅薄膜,按照所述条件形成的第一应力层204可提供较大的拉升应力。在形成氮化硅的过程中,甲烷的Si-H化学键和氨气的N-H化学键相结合形成Si-N键和氢气。因此,所述第一应力层204中包括多个Si-N化学键,由于Si-N可提供较大的应力,这使所述第一应力层204可提供的拉伸应力在100~250MPa的范围内,后续经过热退火处理之后,所述第一应力层204可提供1.4~1.6GPa的拉伸应力。较佳地,还可以在NMOS管的局部区域上形成第一应力层204,所述局部区域为通过傅利叶转换红外仪(FTIR,Fourierxa0Transformxa0infraredxa0spectroscopy)探测的Si-H峰值与N-H峰值比例大于7的区域,形成于所述区域的第一应力层204可提供大于150MPa的拉伸应力。还可以是在NMOS管上形成第一应力层204,通过FTIR探测所述第一应力层204,探测数据中Si-H键峰值与N-H键峰值比例大于7所对应的区域可提供大于150MPa的拉伸应力。执行步骤S3,如图6所示,对所述第一应力层204进行湿化学处理,形成第二应力层205,在所述湿化学处理过程中,向第一应力层204提供与硅结合形成结合键的原子,以减小Si-N键形成的几率,本实施例中,向第一应力层204提供的结合原子为氧(O)。具体地,可以通过双氧水和/或包括臭氧的双氧水,通过超声方式对所述第一应力层204进行湿化学处理,向第一应力层204提供氧原子,以形成Si-O化学键。第一应力层204中,由于Si有四个自由电子,因此所述Si和N形成化学键之后,所述第一应力层204中的Si原子还包括不少于三个的自由键,湿化学处理工程中的化学溶液提供的O原子和Si的自由键结合形成Si-O化学键。由于相对于Si-N化学键相比,Si-O化学键可提供的应力较小,与只包含Si-N化学键的第一应力层204相比,包括Si-N化学键和Si-O化学键的第二应力层205可提供的拉伸应力减小。在湿化学处理的第一实施例中,湿化学处理中的化学溶液可以采用双氧水(H₂O₂),具体的处理条件为:采用浓度为2-30%的双氧水,在15~40°C的温度下,采用10k-2000kHz的频率进行1~10分钟的超声处理;较佳地,所述湿化学处理的条件为:浓度为6.1~7%的双氧水,20~30°C的温度下,采用900~1100kHz的频率、4~6kxa0W/cm²的功率密度进行9~10分钟的超声处理。在湿化学处理的第二实施例中,湿化学处理中的化学溶液还可以采用含臭氧(O₃)的去离子水,具体的处理条件为:在15~40°C的温度下,采用10k-2000kHz的频率进行1~10分钟的超声处理;较佳地,所述湿化学处理的条件为:在20~30°C的温度下,采用900~1100kHz的频率、4~6kxa0W/cm²的功率密度进行9~10分钟的超声处理。较佳地,为了使化学溶液中的O原子和应力层中的Si原子能够有效地形成化学键,还可以将上述两个实施例结合起来进行湿化学处理。需要说明的是,对于局部区域形成有应力层的实施例,可将光刻胶覆盖在NMOS管上未形成应力层的区域,以避免湿化学处理过程中,化学溶液对NMOS管造成损伤。执行步骤S4,如图7所示,对所述第二应力层205进行快速热退火,将所述第二应力层205的应力施加到栅极结构中,形成具有应变记忆作用的栅极结构206。具体地,所述退火的参数为:温度升至950~1100°C、退火时间1.5~2.5秒;经过退火后的第二应力层205可提供700~900MPa的拉伸应力。与现有技术不进行湿化学处理的应力层(1.5GPa)相比,拉伸应力大幅下降,从而可以避免拉伸应力较大造成的NMOS管沟道电流减小等电学性能的下降。执行步骤S5,如图8所示,可以通过湿法刻蚀法去除所述第二应力层205,形成包括具有应变记忆作用的栅极结构206的NMOS管。所述NMOS管中的拉伸应力适中,在使沟道区域中的分子排列更加疏松,从而提高电子的迁移率的同时,避免了拉伸应力较大造成的NMOS管的其他电学性能的下降。所述制造方法还包括在所述NMOS管形成蚀刻阻挡层和金属前介质层的步骤,与现有技术相同,在此不再赘述。需要说明的是,上述实施例NMOS管为例,应力层向NMOS管提供拉伸应力,对于PMOS管而言,应力层向PMOS管提供的是压应力,但是对于PMOS管的情况,本发明的技术方案同样适用,此外所述半导体器件还可以是CMOS器件。还需要说明的是,上述实施例中向应力层提供的结合原子为氧,但是本发明并不限制于此,只要与硅结合形成的化学键所提供的应力小于Si-N化学键的原子均适用,本领域技术人员可以根据上述实施例,对本发明进行修改、变形和替换。虽然本发明己以较佳实施例披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。