專利名稱：Nmos晶體管形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體制造技術(shù)，特別涉及一種能提高柵氧化層可靠性的NMOS晶體管形成方法。
背景技術(shù)：
隨著半導體器件集成度的不斷提高，特征尺寸逐漸減小，MOS晶體管的溝道的長度也逐漸減小，柵氧化層的厚度也在不斷降低，由于柵極電壓不會持續(xù)降低(目前至少為 IV)，使得所述柵氧化層受到的電場強度變大，與時間相關(guān)的介質(zhì)擊穿(time dependent dielectric breakdown, TDDB)也更容易發(fā)生,更容易導致器件失效。同時，作為芯片外圍電路的輸入/輸出器件和作為存儲器的核心器件都需要較高的驅(qū)動電壓，這就導致這些器件的溝道中的電場變的很強，使得載流子在輸送過程中發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生額外的空穴電子對，產(chǎn)生熱載流子?？v向的柵極電壓會使部分熱載流子注入柵氧化層，導致器件的閾值電壓等參數(shù)發(fā)生漂移，形成較為嚴重的熱載流子注入效應(yīng)(HotCarrier Injection, HCI)。由于電子與空穴的平均自由程不同，電子注入的幾率要比空穴高3個數(shù)量級，因此NMOS晶體管更容易引起熱載流子注入效應(yīng)(HCI)。
現(xiàn)有技術(shù)中通常采用LDD (Lightly Doped Drain,輕摻雜漏注入)離子注入對熱載流子注入效應(yīng)進行優(yōu)化，專利號為US 6004852的美國專利文獻公開一種制作LDD源漏區(qū)的方法，利用減小LDD離子注入的劑量和增大LDD注入能量，獲得較深的LDD結(jié)，減小橫向電場強度，從而減弱熱載流子注入問題。但上述方法并不能改善柵氧化層的TDDB特性，而且還可能導致短溝道效應(yīng)(SCE, Short Channel Effect)等問題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種NMOS晶體管形成方法，通過提高柵氧化層可靠性， 降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)，改善柵氧化層的TDDB特性。
為解決上述問題，本發(fā)明技術(shù)方案提供了一種NMOS晶體管形成方法，包括
提供半導體襯底；
在所述半導體襯底表面形成氧化層，在所述氧化層表面形成多晶硅層；
對所述半導體襯底進行第一離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子；
對所述多晶硅層和氧化層進行刻蝕，分別形成柵電極和柵氧化層，在所述柵氧化層和柵電極兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成輕摻雜源/漏區(qū)；
在所述柵氧化層和柵電極的側(cè)壁表面形成側(cè)墻，在所 述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成重摻雜源/漏區(qū)，形成NMOS晶體管。
可選的，所述第一離子注入為對所述多晶硅層進行氟離子、氮離子注入，使得所述氟離子、氮離子貫穿多晶硅層、氧化硅層，直到注入到所述半導體襯底內(nèi)。
可選的，所述第一離子注入為在形成氧化層之前，直接對半導體襯底進行氟離子、 氮離子注入。
可選的，所述第一離子注入包括兩個步驟直接對半導體襯底進行氟離子和氮離子注入；對多晶硅層進行氟離子和氮離子注入，使得所述氟離子、氮離子貫穿多晶硅層、氧化硅層，直到注入到所述半導體襯底內(nèi)。
可選的，所述第一離子注入的氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為NF3。
可選的，所述即3離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2,離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。
可選的，還包括。在對所述半導體襯底進行第一離子注入之后，對所述半導體襯底進行第一退火處理。
可選的，所述第一退火處理的溫度范圍為600°C 1000°C。
可選的，還包括，在形成所述輕摻雜源/漏區(qū)之后，對所述柵電極兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)進行第二離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子。
可選的，所述第二離子注入的氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為NF3。
可選的，所述NF3離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2,離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。
可選的，還包括，在對所述半導體襯底進行第二離子注入之后，對所述半導體襯底進行第二退火處理。
可選的，所述第二退火處理的溫度范圍為600°C 1000°C。
可選的，還包括，在形成所述重摻雜源/漏區(qū)后，對所述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)進行第三離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子。
可選的，所述第三離子注入的氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為NF3。
可選的，所述NF3離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2,離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。
可選的，還包括，在對所述半導體襯底進行第三離子注入之后，對所述半導體襯底進行第三退火處理。
可選的，所述第三退火處理的溫度范圍為600°C 1000°C。
可選的，還包括，在所述半導體襯底內(nèi)形成P型阱區(qū)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
在形成NMOS晶體管的過程中，對所述半導體襯底進行第一離子注入，注入的離子為氟離子和氮離子，使得所述半導體襯底接近表面的位置形成硅氟鍵和硅氮鍵，位于柵極結(jié)構(gòu)下方的硅氟鍵能阻擋溝道區(qū)中的熱載流子注入到柵氧化層，緩解NMOS晶體管的熱載流子注入效應(yīng)，位于柵極結(jié)構(gòu)下方的硅氮鍵能提高柵氧化層的擊穿電壓，提高柵氧化層的 TDDB特性。
進一步的，還包括，對所述柵電極兩側(cè)的半導體襯底進行第二離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子，使得所述柵氧化層邊緣下方和柵氧化層兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成硅氟鍵、硅氮鍵，從而增強了柵氧化層邊緣的抗擊穿能力，有效地降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)，并改善柵氧化層的TDDB特性。
進一步的，所述氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為NF3,利用所述NF3作離子注入的反應(yīng)源物質(zhì)，只需要一種反應(yīng)源物質(zhì)，降低了生產(chǎn)成本，且由于所述NF3中的氟離子和氮離子對柵氧化層的可靠性都有益處，同時沒有其他雜質(zhì)離子注入到半導體襯底內(nèi)，便于控制半導體襯底的摻雜濃度。


圖1為本發(fā)明實施例的NMOS晶體管形成方法的流程示意圖2至圖8為本發(fā)明實施例的NMOS晶體管形成方法的剖面結(jié)構(gòu)示意圖9為半導體襯底內(nèi)摻雜有氟離子的NMOS晶體管和半導體襯底內(nèi)未摻雜有氟離子的NMOS晶體管的測試結(jié)果對比圖10為半導體襯底內(nèi)摻雜有氮離子的NMOS晶體管和半導體襯底內(nèi)未摻雜有氮離子的NMOS晶體管的測試結(jié)果對比圖。
具體實施方式
由于現(xiàn)有技術(shù)中不能同時解決NMOS晶體管的熱載流子注入效應(yīng)和TDDB特性降低的問題，本發(fā)明實施例提供了一種NMOS晶體管形成方法，包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底表面形成氧化層，在所述氧化層表面形成多晶硅層；對所述半導體襯底進行第一離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子；對所述多晶硅層和氧化層進行刻蝕，分別形成柵電極和柵氧化層，在所述柵氧化層和柵電極兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成輕摻雜源/漏區(qū)；在所述柵氧化層和柵電極的側(cè)壁表面形成側(cè)墻，在所述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成重摻雜源/漏區(qū)，形成NMOS晶體管。由于利用所述氟離子在半導體襯底內(nèi)形成的硅氟鍵能抑制熱載流子注入效應(yīng)，利用所述氮離子在半導體襯底內(nèi)形成的硅氮鍵能改善柵氧化層的 TDDB特性，利用本發(fā)明實施例的NMOS晶體管形成方法能有效地降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)，并改善柵氧化層的TDDB特性。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。
本發(fā)明實施例提供一種NMOS晶體管形成方法，具體的流程示意圖請參考圖1，包括
步驟S101，提供半導體襯底；
步驟S102，在所述半導體襯底表面形成氧化層，在所述氧化層表面形成多晶硅層；
步驟S103，對所述半導體襯底進行第一離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子；
步驟S104，刻蝕所述氧化層和多晶硅層，在所述半導體襯底表面形成柵氧化層和位于所述柵氧化層表面的柵電極，在所述柵氧化層和柵電極兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成輕摻雜源/漏區(qū)；
步驟S105，在所述柵氧化層和柵電極的側(cè)壁表面形成側(cè)墻，在所述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成重摻雜源/漏區(qū)，形成NMOS晶體管。
圖2到圖8為本發(fā)明實施例的NMOS晶體管形成方法的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
請參考圖2，提供半導體襯底100，所述半導體襯底100內(nèi)形成有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu) 110。
所述半導體襯底100為單晶娃襯底、表面形成有外延層的娃襯底、絕緣體上娃襯底其中一種。在本發(fā)明實施例中，所述硅襯底100為單晶硅襯底。所述半導體襯底100內(nèi)還形成有淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)110，所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)110位于相鄰的有源區(qū)之間，使得相鄰的有源區(qū)電隔離。由于所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)的形成方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)，在此不加詳述。
請參考圖3，對所述半導體襯底100進行離子摻雜形成P型阱區(qū)120。由于所述待形成的MOS晶體管為NMOS晶體管，所述阱區(qū)摻雜的離子為P型離子，所述P型離子為硼離子或銦離子。在其他實施例中，在所述半導體襯底100內(nèi)形成P型阱區(qū)120的步驟也可以在形成所述淺溝槽隔離結(jié)構(gòu)110之前進行。
在其他實施例中，當所述半導體襯底為表面形成有外延層的硅襯底或絕緣體上硅襯底，所述外延層和絕緣體上硅襯底為P型摻雜襯底，可以省略所述形成P型阱區(qū)的工藝步驟。
請參考圖4，在所述半導體襯底100表面形成氧化層210，在所述氧化層210表面形成多晶娃層220。
形成所述氧化層210的工藝為熱氧化工藝，形成所述多晶硅層220的工藝為化學氣相沉積工藝。由于熱氧化工藝和化學氣相沉積工藝為本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)，在此不加詳述。為了提高后續(xù)形成的柵電極的導電性能，減小柵電極的電阻，對所述多晶硅層 220進行N型離子摻雜，所述摻雜的離子為磷離子或砷離子。在其他實施例中，對柵電極進行N型離子摻雜的工藝可以與形成源/漏區(qū)的工藝同步進行。
請參考圖5，對所述半導體襯底100進行第一離子注入工藝，所述注入的離子為氟離子和氮離子。
在本實施例中，所述第一離子注入工藝為對所述多晶硅層220進行氟離子、氮離子注入，使得所述氟離子、氮離子貫穿多晶硅層220、氧化硅層210，直到注入到所述半導體襯底100內(nèi)。其中，所述第一離子注入工藝在對所述多晶硅層220進行N型離子摻雜之后進行，所述 氟離子和氮離子注入的深度大于所述氧化層210和多晶硅層220的總厚度，使得所述氟離子和氮離子能注入到所述氧化層210下方的半導體襯底100內(nèi)。所述注入到半導體襯底內(nèi)的氟離子能與半導體襯底接近表面的硅發(fā)生反應(yīng)形成硅氟鍵，最終位于柵極結(jié)構(gòu)下方的硅氟鍵能阻擋溝道區(qū)中的熱載流子注入到柵氧化層，提高柵氧化層的可靠性，緩解 NMOS晶體管的熱載流子注入效應(yīng)，且所述注入到半導體襯底內(nèi)的氮離子能與半導體襯底接近表面的硅發(fā)生反應(yīng)形成硅氮鍵，最終位于柵極結(jié)構(gòu)下方的硅氮鍵能提高柵氧化層的擊穿電壓，提高柵氧化層的可靠性，并提高柵氧化層的TDDB特性。所述氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為NF3，利用所述NF3作離子注入的反應(yīng)源物質(zhì)，只需要一種反應(yīng)源物質(zhì)，降低了生產(chǎn)成本，且由于所述NF3中的氟離子和氮離子對柵氧化層的可靠性都有益處，同時沒有其他雜質(zhì)離子注入到半導體襯底內(nèi)，便于控制半導體襯底的摻雜濃度。其中，所述NF3離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2,離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。
在其他實施例中，所述第一離子注入工藝為在形成氧化層之前，直接對半導體襯底進行氟離子、氮離子注入，在半導體襯底接近表面的位置形成硅氟鍵和硅氮鍵，提高柵氧化層的可靠性，緩解NMOS晶體管的熱載流子注入效應(yīng)，并提高柵氧化層的TDDB特性。
但是當所述第一離子注入工藝為在形成氧化層之前，直接對半導體襯底進行氟離子、氮離子注入時，后續(xù)在所述半導體襯底表面形成所述氧化層，所述氧化層與半導體襯底之間會形成硅氧鍵，所述硅氧鍵可能會破壞部分硅氟鍵、硅氮鍵，使得最終的降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)、改善柵氧化層的TDDB特性的效果降低，因此，在另一實施例中，所述第一離子注入工藝包括兩個步驟直接對半導體襯底100進行氟離子和氮離子注入；對多晶硅層220進行氟離子和氮離子注入，使得所述氟離子、氮離子貫穿多晶硅層220、 氧化硅層210，直到注入到所述半導體襯底100內(nèi)。所述對半導體襯底100進行氟離子和氮離子注入在形成P型阱區(qū)之后進行，所述對多晶硅層220進行氟離子和氮離子注入在對所述多晶硅層220進行N型離子摻雜之后進行。通過兩步離子注入工藝，使得半導體襯底內(nèi)具有足夠的硅氟鍵和硅氮鍵，從而能降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)、改善柵氧化層的TDDB特性。
在對所述半導體襯底100進行第一離子注入之后，對所述半導體襯底進行第一退火處理，使得所述注入到半導體襯底內(nèi)的氟離子、氮離子與半導體襯底中的硅發(fā)生反應(yīng)，形成硅氟鍵和硅氮鍵，所述硅氟鍵和硅氮鍵能有效地降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)，并改善柵氧化層的TDDB特性。所述第一退火處理包括加熱爐退火和快速熱退火，所述第一退火處理的溫度范圍為600°C 1000°C。
請一并參考圖5和圖6，刻蝕部分所述氧化層210和多晶硅層220，在所述半導體襯底100表面形成柵氧化層230和位于所述柵氧化層230表面的柵電極240，在所述柵氧化層230和柵電極240兩側(cè)的半導體襯底100內(nèi)形成輕摻雜源/漏區(qū)131。
形成所述柵氧化層230和柵電極240的具體步驟包括在所述多晶硅層220表面形成光刻膠層(未圖示)，對所述光刻膠層進行曝光顯影形成光刻膠掩膜(未圖示)，所述光刻膠掩膜的位置和大小對應(yīng)于柵電極和柵氧化層的位置和大小；利用所述光刻膠掩膜， 對所述氧化層210和多晶硅層220進行刻蝕，直到暴露出所述半導體襯底100表面，形成柵氧化層230和位于所述柵氧化層230表面的柵電極240。其中，所述氧化層210刻蝕后形成柵氧化層230，所述多晶硅層220刻蝕后形成柵電極240。
形成所述輕摻雜源/漏區(qū)131的具體步驟包括在所述硅襯底100和柵電極240 表面形成光刻膠層(未示出)，對光刻·膠層進行曝光顯影形成光刻膠掩膜(未圖示)，所述光刻膠掩膜的開口對應(yīng)于輕摻雜源/漏區(qū)，利用所述光刻膠掩膜和柵電極240，對所述柵電極240兩側(cè)的半導體襯底100進行N型雜質(zhì)離子注入，形成輕摻雜源/漏區(qū)131，所述注入的離子為磷離子、砷離子其中一種或兩者的組合。
請參考圖7，對所述柵氧化層230和柵電極240兩側(cè)的半導體襯底100進行第二離子注入工藝，所述注入的離子為氟離子和氮離子。
進行第一離子注入工藝后，所述半導體襯底100內(nèi)形成有硅氟鍵、硅氮鍵，所述硅氟鍵能緩解NMOS晶體管熱載流子注入效應(yīng)，所述硅氮鍵能提高柵氧化層的TDDB特性，但是在干法刻蝕形成柵氧化層和柵電極的工藝中，為了能徹底除去所述半導體襯底表面的氧化層,需要對所述半導體襯底100進行過刻蝕，但所述過刻蝕可能會對柵電極240兩側(cè)暴露出的半導體襯底100造成損傷，使得所述暴露出的半導體襯底100內(nèi)形成的硅氟鍵、硅氮鍵斷裂，而且在形成輕摻雜源/漏區(qū)131的過程中，對柵電極240兩側(cè)的半導體襯底100進行N型雜質(zhì)離子注入也會導致硅氟鍵、硅氮鍵斷裂，從而使得柵氧化層230邊緣區(qū)域的降低 NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)、改善柵氧化層的TDDB特性的效果比柵氧化層230中間區(qū)域的要差。此外，在所述柵氧化層230形成的過程中，由于庫伊效應(yīng)(Kooi effect)和柵氧化層230邊緣受到的應(yīng)力作用，使得所述柵氧化層230邊緣的厚度可能比中間的厚度較薄，利用TDDB測試對柵氧化層230的抗擊穿能力進行檢測時，所述柵氧化層230邊緣容易被先擊穿，影響TDDB特性，且所述柵氧化層230邊緣靠近源/漏電極，電場強度較大，熱載流子能量較大，所述熱載流子更容易通過柵氧化層230邊緣注入到柵電極240中，導致閾值電壓漂移、跨導下降、漏電流增加等，嚴重影響器件性能，因此，所述柵氧化層230邊緣更需要提高抗擊穿能力。
為此，形成輕摻雜源/漏區(qū)131后，還可以對所述柵電極240兩側(cè)的半導體襯底100進行第二離子注入工藝，所述注入的離子為氟離子和氮離子。在本實施例中，所述氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為NF3。所述NF3離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2，離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。所述氟離子能與半導體襯底接近表面的硅發(fā)生反應(yīng)，形成硅氟鍵，所述硅氟鍵能阻擋溝道中的熱載流子注入到柵氧化層，緩解NMOS晶體管熱載流子注入效應(yīng)，所述氮離子能與半導體襯底接近表面的硅發(fā)生反應(yīng)，形成硅氮鍵，所述硅氮鍵能提高柵氧化層的擊穿電壓，提高柵氧化層的TDDB特性。由于所述第二離子注入的氟離子和氮離子注入到柵電極240、柵氧化層230兩側(cè)，使得所述柵氧化層 230邊緣下方和柵氧化層230兩側(cè)的半導體襯底100內(nèi)形成硅氟鍵、硅氮鍵，從而增強了柵氧化層230邊緣的抗擊穿能力，有效地降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)，并改善柵氧化層的TDDB特性。
在對所述柵電極240兩側(cè)的半導體襯底100進行第二離子注入之后，對所述半導體襯底100進行第二退火處理，使得所述注入到半導體襯底100內(nèi)的氟離子、氮離子與半導體襯底100中的硅發(fā)生反應(yīng)，形成硅氟鍵和硅氮鍵。所述第二退火處理包括加熱爐退火和快速熱退火，所述第二退火處理的溫度范圍為600°C 1000°C。
請參考圖8，在所述柵氧化層230和柵電極240兩側(cè)形成側(cè)墻250，在所述側(cè)墻250 兩側(cè)的半導體襯底100內(nèi)形成重摻雜源/漏區(qū)132。
所述側(cè)墻250為氮化硅層、氧化硅層其中的一種或為兩者的疊層結(jié)構(gòu)。形成所述側(cè)墻的方法包括在所述柵電極240、半導體襯底100表面形成介質(zhì)層(未圖示)，所述介質(zhì)層為氮化硅層、氧化硅層其中的一種或為兩者的疊層結(jié)構(gòu)；對所述介質(zhì)層進行回刻蝕，直到暴露出所述半導體襯底100和柵電極240表面，形成側(cè)墻250，所述柵氧化層230、柵電極 240、側(cè)墻250構(gòu)成柵極結(jié)構(gòu)。
形成所述重摻雜源/漏區(qū)132的具體步驟包括在所述硅襯底100和柵電極240表面形成光刻膠層(未示出)，對光刻膠層進行曝光顯影形成光刻膠掩膜(未示出)，所述光刻膠掩膜的開口對應(yīng)于重摻雜源/漏區(qū)，利用所述光刻膠掩膜和側(cè)墻250，對所述側(cè)墻250 兩側(cè)的半導體襯底100進行N型雜質(zhì)離子注入，形成重摻雜源/漏區(qū)132，所述重摻雜源/ 漏區(qū)132的深度大于所述輕摻雜源/漏區(qū)131的深度，所述注入的離子為磷離子、砷離子其中一種或兩者的組合。
由于在形成側(cè)墻和重摻雜源/漏區(qū)的過程中，所述柵氧化層邊緣下方和柵氧化層兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)硅氟鍵和硅氮鍵可能會遭到破壞，在其他實施例中，還包括對所述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底進行第三離子注入工藝，所述注入的離子為氟離子和氮離子，通過在所述柵氧化層邊緣下方和柵氧化層兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)硅氟鍵和硅氮鍵，從而增強了柵氧化層邊緣的抗擊穿能力，有效地降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)，并改善柵氧化層的TDDB特性。所述離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2,離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。在完成所述對所述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底進行第三離子注入之后，對所述半導體襯底進行第三退火處理，所述第三退火處理包括加熱爐退火和快速熱退火，所述第三退火處理的溫度范圍為600°C 1000°C。
請參考圖9，為半導體襯底內(nèi)摻雜有氟離子的NMOS晶體管和半導體襯底內(nèi)未摻雜有氟離子的NMOS晶體管的測試結(jié)果對比圖。所述對比圖中的縱坐標為NMOS晶體管的器件壽命，所述對比圖中的橫坐標為NMOS晶體管中漏極電壓的倒數(shù)(1/Vd)。小三角形表示半導體襯底內(nèi)未摻雜有氟離子的NMOS晶體管，小正方形表示半導體襯底內(nèi)摻雜有氟離子的 NMOS晶體管。當漏極電壓一定時，所述溝道區(qū)的熱載流子能量也一定，所述半導體襯底內(nèi)摻雜有氟離子的NMOS晶體管的器件壽命更長，說明所述半導體襯底內(nèi)摻雜有氟離子的NMOS 晶體管的柵氧化層不容易被熱載流子注入，提高了柵氧化層的可靠性。
請參考圖10，為半導體襯底內(nèi)摻雜有氮離子的NMOS晶體管和半導體襯底內(nèi)未摻雜有氮離子的NMOS晶體管的測試結(jié)果對比圖。所述對比圖中的縱坐標為累積分布函數(shù) (cumulative distribution function),所述對比圖中的橫坐標為擊穿柵氧化層所需的時間。小三角形表示半導體襯底內(nèi)未摻雜有氮離子的NMOS晶體管，小正方形表示半導體襯底內(nèi)摻雜有氮離子的NMOS晶體管。從圖中可以很明顯的看出，半導體襯底內(nèi)摻雜有氮離子的 NMOS晶體管擊穿柵氧化層所需的時間比半導體襯底內(nèi)未摻雜有氮離子的NMOS晶體管擊 穿柵氧化層所需的時間長，所述半導體襯底內(nèi)摻雜有氮離子的NMOS晶體管的TDDB特性較佳， 所述注入的氮離子大幅提高了 NMOS晶體管的柵氧化層的抗擊穿能力，提高了柵氧化層的可靠性。
本發(fā)明實施例在形成NMOS晶體管的過程中，對所述半導體襯底進行第一離子注入，注入的離子為氟離子和氮離子，使得所述半導體襯底接近表面的位置形成硅氟鍵和硅氮鍵，位于柵極結(jié)構(gòu)下方的硅氟鍵能阻擋溝道區(qū)中的熱載流子注入到柵氧化層，緩解NMOS 晶體管的熱載流子注入效應(yīng)，位于柵極結(jié)構(gòu)下方的硅氮鍵能提高柵氧化層的擊穿電壓，提高柵氧化層的TDDB特性。
進一步的，還包括，對所述柵電極兩側(cè)的半導體襯底進行第二離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子，使得所述柵氧化層邊緣下方和柵氧化層兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成硅氟鍵、硅氮鍵，從而增強了柵氧化層邊緣的抗擊穿能力，有效地降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)，并改善柵氧化層的TDDB特性。
進一步的，所述氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為NF3,利用所述NF3作離子注入的反應(yīng)源物質(zhì)，只需要一種反應(yīng)源物質(zhì)，降低了生產(chǎn)成本，且由于所述NF3中的氟離子和氮離子對柵氧化層的可靠性都有益處，同時沒有其他雜質(zhì)離子注入到半導體襯底內(nèi)，便于控制半導體襯底的摻雜濃度。
本發(fā)明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種NMOS晶體管形成方法，其特征在于，包括 提供半導體襯底； 在所述半導體襯底表面形成氧化層，在所述氧化層表面形成多晶硅層； 對所述半導體襯底進行第一離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子； 對所述多晶硅層和氧化層進行刻蝕，分別形成柵電極和柵氧化層，在所述柵氧化層和柵電極兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成輕摻雜源/漏區(qū)； 在所述柵氧化層和柵電極的側(cè)壁表面形成側(cè)墻，在所述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成重摻雜源/漏區(qū)，形成NMOS晶體管。
2.如權(quán)利要求1所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第一離子注入為對所述多晶硅層進行氟離子、氮離子注入，使得所述氟離子、氮離子貫穿多晶硅層、氧化硅層，直到注入到所述半導體襯底內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第一離子注入為在形成氧化層之前，直接對半導體襯底進行氟離子、氮離子注入。
4.如權(quán)利要求1所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第一離子注入包括兩個步驟直接對半導體襯底進行氟離子和氮離子注入；對多晶硅層進行氟離子和氮離子注入，使得所述氟離子、氮離子貫穿多晶硅層、氧化硅層，直到注入到所述半導體襯底內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第一離子注入的氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為nf3。
6.如權(quán)利要求5所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述NF3離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2,離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。
7.如權(quán)利要求1所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，還包括，在對所述半導體襯底進行第一離子注入之后，對所述半導體襯底進行第一退火處理。
8.如權(quán)利要求7所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第一退火處理的溫度范圍為 600 °C~ IOOO0Co
9.如權(quán)利要求1所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，還包括，在形成所述輕摻雜源/漏區(qū)之后，對所述柵電極兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)進行第二離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子。
10.如權(quán)利要求9所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第二離子注入的氟離子和氮離子的反應(yīng)源物質(zhì)為nf3。
11.如權(quán)利要求10所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述NF3離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2,離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。
12.如權(quán)利要求9所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，還包括，在對所述半導體襯底進行第二離子注入之后，對所述半導體襯底進行第二退火處理。
13.如權(quán)利要求12所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第二退火處理的溫度范圍為 600°C~ IOOO0Co
14.如權(quán)利要求1所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，還包括，在形成所述重摻雜源/漏區(qū)后，對所述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)進行第三離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子。
15.如權(quán)利要求14所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第三離子注入的氟離子和氮尚子的反應(yīng)源物質(zhì)為nf3。
16.如權(quán)利要求15所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述NF3離子注入的劑量范圍為lE13atom/cm2 lE17atom/cm2,離子注入的能量范圍為IKeV lOOKeV。
17.如權(quán)利要求14所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，還包括，在對所述半導體襯底進行第三離子注入之后，對所述半導體襯底進行第三退火處理。
18.如權(quán)利要求17所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，所述第三退火處理的溫度范圍為 600°C~ IOOO0Co
19.如權(quán)利要求1所述NMOS晶體管形成方法，其特征在于，還包括，在所述半導體襯底內(nèi)形成P型阱區(qū)。
全文摘要
一種NMOS晶體管形成方法，包括提供半導體襯底；在所述半導體襯底表面形成氧化層，在所述氧化層表面形成多晶硅層；對所述半導體襯底進行第一離子注入，所述注入的離子為氟離子和氮離子；對所述多晶硅層和氧化層進行刻蝕，分別形成柵電極和柵氧化層，在所述柵氧化層和柵電極兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成輕摻雜源/漏區(qū)；在所述柵氧化層和柵電極的側(cè)壁表面形成側(cè)墻，在所述側(cè)墻兩側(cè)的半導體襯底內(nèi)形成重摻雜源/漏區(qū)，形成NMOS晶體管。通過對所述半導體襯底進行氟離子和氮離子注入，提高了NMOS晶體管的柵氧化層的可靠性，降低NMOS晶體管中的熱載流子注入效應(yīng)，改善柵氧化層的TDDB特性。
文檔編號H01L21/336GK103000501SQ20111027631
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者甘正浩, 馮軍宏 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司