专利名称：金属氧化物半导体器件的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种金属氧化物半导体器件的形成方法。
背景技术：
随着半导体技术的不断发展，集成电路集成化程度越来越高，器件的尺寸也不断减小。然而器件尺寸的不断减小导致器件的性能也受到很大的影响。例如，当沟道的长度缩小到50nm之下时，器件开始表现出短沟道效应，包括载流子迁移率下降、阈值电压增大以及漏感应势垒下降(DIBL)等问题。为了减少由于尺寸缩小造成的问题，可以通过应力技术来改善沟道区的应力，从而提高载流子的迁移率，提高器件的性能。具体是通过使金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)的沟道区产生双轴应变或者单轴应变，从而增加沟道区载流子的迁移速率，提高MOSFET的器件响应速度。具体的应变存储技术的原理是通过改变MOS管的栅极下沟道处的硅原子的间距，减小载流子通行所受到的阻碍，也就是相当于减小了电阻，因而半导体器件发热量和能耗都会降低，而运行速度则会得到提升。比如，对于η型MOSFET来说，增大栅极下沟道处的硅原子的间距，对于 ρ型MOSFET来说，减小栅极下沟道处的硅原子的间距。在公开号为CN101330053A的中国专利中公开了一种CMOS器件应力层的形成方法。图1为采用上述专利所提供的方法形成的CMOS器件。如图1所示，在NMOS晶体管001 上形成拉应力层003以增加电子的迁移率，而在PMOS晶体管002上形成压应力层004以增加空穴的迁移率。具体的方法为，先在NMOS晶体管001和PMOS晶体管002表面沉积一层氮化硅薄膜；然后进行退火处理，退火温度在600 800°C之间，形成压应力层004 ；然后利用刻蚀工艺去除NMOS晶体管001表面的压应力层，保留PMOS晶体管002表面的压应力层 004 ；接着继续在NMOS晶体管001和压应力层004表面沉积一层氮化硅薄膜；再进行退火处理，退火温度在800 100(TC之间，形成拉应力层003 ；然后利用刻蚀工艺去除压应力层 004表面的拉应力层，保留NMOS晶体管001表面的拉应力层003。但是，通过上述步骤所得到的PMOS晶体管002在经过后续的活化退火后，性能反而下降。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种能够改善PMOS晶体管性能的金属氧化物半导体器件的形成方法。为解决上述问题，本发明提供一种金属氧化物半导体器件的形成方法，本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法包括提供包含PMOS晶体管和NMOS晶体管的衬底；在所述PMOS晶体管表面形成压应力层，所述压应力层的材料为二氧化硅；在所述NMOS 晶体管表面形成拉应力层。
优选地，在所述PMOS晶体管表面形成压应力层的步骤包括先在所述PMOS晶体管和NMOS晶体管表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层；去除NMOS晶体管表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。优选地，在所述PMOS晶体管和NMOS晶体管表面的拉应力层的表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层；去除所述拉应力层表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。优选地，本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法，包含提供包含 PMOS晶体管和NMOS晶体管的衬底；在所述PMOS晶体管和NMOS晶体管表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层；去除NMOS晶体管表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层；在所述NMOS晶体管表面和压应力层表面形成拉应力层；去除所述压应力层表面的拉应力层，保留NMOS晶体管表面的拉应力层。优选地，本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法，包含提供包含 PMOS晶体管和NMOS晶体管的衬底；在所述NMOS晶体管表面和PMOS晶体管表面形成拉应力层；去除PMOS晶体管表面的拉应力层，保留NMOS晶体管表面的拉应力层；在所述PMOS晶体管和拉应力层表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层；去除所述拉应力层表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。优选地，所述二氧化硅层的退火温度为900 1100°C，退火时间为60 90秒。优选地，所述二氧化硅层的厚度为200 400埃。优选地，所述二氧化硅层的形成方法为化学气相沉积法。优选地，所述NMOS晶体管表面的拉应力层的材料是氮化硅。优选地，所述NMOS晶体管表面的拉应力层的形成步骤包括，利用化学气相沉积法形成氮化硅层；在900 1100°C的温度下对所述氮化硅层进行退火，形成拉应力层。相应地，本发明还提供一种金属氧化物半导体器件，所述器件包含衬底，所述衬底包括NMOS晶体管和PMOS晶体管，所述NMOS晶体管和PMOS晶体管由浅开口隔离结构隔离， 所述NMOS晶体管表面包含拉应力层；所述PMOS晶体管表面包含压应力层，所述压应力层的材料是二氧化硅。优选地，所述拉应力层的材料是氮化硅层。优选地，所述压应力层的厚度为200 400埃。优选地，所述压应力层的形成步骤包括在900 1100°C的温度环境下，对所形成
的二氧化硅层退火60 90秒，形成二氧化硅压应力层。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明所提供金属氧化物半导体器件的形成方法是在PMOS晶体管表面沉积一层由二氧化硅材料形成的压应力层，所形成的压应力层在后续退火过程中可以保持压应力，从而可以提高PMOS晶体管的性能。
图1是采用现有的金属氧化物半导体器件应力层形成方法形成的金属氧化物半导体器件。图2是本发明的一个实施例中二氧化硅薄膜在退火前、后的应力。图3是本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法的示意性流程图。
图4是本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法的第一个实施例的示意性流程图。图5至图9为本发明所提供的一种金属氧化物半导体器件的形成方法的实施例的示意图。图10是本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法的第二个实施例的示意性流程图。图11为本发明所提供的金属氧化物半导体器件的实施例的示意图。
具体实施例方式由背景技术得知，表面包含由氮化硅材料形成的压应力层的PMOS晶体管在经过活化退火工艺后，PMOS晶体管的性能会下降。本发明的发明人针对上述问题进行了大量的研究，并发现PMOS晶体管表面的由氮化硅材料形成的压应力层在后续的活化退火步骤中会转变为拉应力层，从而影响PMOS晶体管的性能。所述活化退火步骤具体包括退火温度为1000°C以上的尖峰退火步骤和退火温度为1200°C的激光退火步骤。尖峰退火步骤有助于掺杂离子在源极和漏极的扩散，而激光退火步骤可以使掺杂离子进入衬底硅原子的晶格中，从而产生载流子。本发明的发明人还发现，在利用化学气相沉积法沉积氮化硅的步骤中，由于硅烷是反应气体，所以所形成的氮化硅本身的氢含量比较高，氢会加快PMOS晶体管中掺入的硼的扩散和钝化，从而降低PMOS晶体管的性能。为此，本发明的发明人做了大量的实验研究，并在研究中发现二氧化硅薄膜在经过高温退火后可以产生压应力。请参考图2，图2为本发明的发明人经过实验研究得到的不同工艺条件下在硅衬底上形成的二氧化硅层退火前、后的应力，退火温度的范围是900 1100°C，其中，横坐标为样品编号，纵坐标为二氧化硅层的应力，曲线I代表的是退火前的应力，曲线II代表的是退火后的应力。应力值为正代表应力是拉应力，应力值为负则代表应力是压应力。以编号为7的样品为例，利用化学气相沉积法在温度是350-550°C，压强为 300-600mtorr的工艺环境下沉积90s，气流为TEOS和0Ζ0ΝΕ，形成二氧化硅层，并利用光学方法测量所形成的二氧化硅层的应力，测量得到的结果为98. 27MPa，然后在1000°C的温度下退火60s，再测量退火后的二氧化硅层的应力，所测量的结果为-237. 85MPa。由图2可以看出，二氧化硅层退火后应力由拉应力转变为压应力。本发明的发明人进一步提供一种可以提高PMOS晶体管性能的金属氧化物半导体器件的形成方法。本发明所提供的方法可以通过在PMOS晶体管表面形成一层由二氧化硅材料形成的压应力层提高PMOS晶体管的性能。图3为本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法的示意性流程图。本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法包括以下步骤步骤S11，提供包含PMOS晶体管和NMOS晶体管的衬底。步骤S12，在所述PMOS晶体管表面形成压应力层，所述压应力层的材料为二氧化娃。步骤S13，在所述NMOS晶体管表面形成拉应力层。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。
在下面阐述了许多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实现，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下作类似推广，因此本发明不受下面公开的实施方式的限制。其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明的实施例时，为了便于说明，标识器件结构的剖面图不会依一般比例作局部放大，而且所示示意图只是实例，因此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应该包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。图4是本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法的第一个实施例的示意性流程图，包括以下步骤S101，提供包含PMOS晶体管和NMOS晶体管的衬底。S102，在所述PMOS晶体管和NMOS晶体管表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层。S103，去除NMOS晶体管表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。S104，在所述NMOS晶体管表面和压应力层表面形成拉应力层。S105，去除压应力层表面的拉应力层，保留NMOS晶体管表面的拉应力层。在该实施例中，在所述PMOS晶体管表面形成压应力层的步骤包括先在所述PMOS晶体管和NMOS晶体管表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层；去除NMOS晶体管表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。参考图5，提供包含PMOS晶体管101和匪OS晶体管102的衬底100。所述衬底100可以选自N型硅基底、P型硅基底、也可以是绝缘层上的硅(SOI)。所述衬底100包含PMOS晶体管101和匪OS晶体管102，PMOS晶体管101和匪OS晶体管102 之间通过浅开口隔离结构103绝缘隔离。参考图6，在所述PMOS晶体管101和NMOS晶体管102表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层104。所述沉积工艺可以选择化学气相沉积工艺、低压气相沉积工艺或者原子层沉积工艺等。沉积的二氧化硅层的厚度为200 400埃。在本发明的一个实施例中，采用化学气相沉积工艺沉积所述的二氧化硅层，可以通过控制沉积时间、气体流量和环境压强等参数控制二氧化硅层的厚度。在形成二氧化硅层之后进行退火步骤，退火温度为900 1100°C，退火时间为60-90秒，退火可以使用各种退火方法，比如卤素灯或者钨灯。由图2可以得知， 退火后形成的应力层是沿横向具有压应力的压应力层104。由二氧化硅形成的压应力层104在后续活化退火步骤中可以保持压应力，从而可以提高PMOS晶体管的性能，此外，现有技术中，压应力层的材料选择的是氮化硅，常用的形成氮化硅的工艺是化学气相沉积法，硅烷是反应气体之一，所以所形成的氮化硅中不可避免地含有氢，由于二氧化硅中不含有氢，所以有效避免了由于氢加快PMOS晶体管中掺入的硼的扩散和钝化，而造成PMOS晶体管的性能降低。此外，本步骤中形成的二氧化硅层对PMOS晶体管形成保护，避免了在后续形成拉应力层105的步骤中，由于所沉积的氮化硅含有氢原子，氢原子扩散进入PMOS晶体管而降低PMOS晶体管的性能。参考图7，去除NMOS晶体管102表面的压应力层104，保留PMOS晶体管101表面的压应力层104。去除NMOS晶体管102表面的压应力层104的步骤包括在PMOS晶体管101和NMOS 晶体管102表面的应力层104表面形成光刻胶；并对所述光刻胶进行图案化处理，形成暴露 NMOS晶体管102表面的压应力层104的光刻胶图形；以所形成光刻胶图形为掩膜刻蚀NMOS晶体管102表面的压应力层104。所述刻蚀可以采用已有的刻蚀工艺，比如等离子体刻蚀工艺。参考图8，在所述NMOS晶体管102表面和压应力层104表面形成拉应力层105。可以采用化学气相沉积工艺、低压气相沉积工艺或者原子层沉积工艺沉积拉应力层105，该应力层的材料可以选择氮化硅。随后进行退火处理，退火温度为900 1100°C。参考图9，去除压应力层104表面的拉应力层105，保留NMOS晶体管102表面的拉应力层105。去除压应力层104表面的拉应力层105的步骤包括在压应力层104和NMOS晶体管102表面的拉力层105表面形成光刻胶；并对所述光刻胶进行图案化处理，形成暴露压应力层104表面的拉应力层105的光刻胶图形；以所形成光刻胶图形为掩膜刻蚀压应力层 104表面的拉应力层105。所述刻蚀可以采用已有的刻蚀工艺，比如等离子体刻蚀工艺。图10是本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法的第二个实施例的示意性流程图，包括以下步骤S201，提供包含PMOS晶体管和NMOS晶体管的衬底。S202，在所述NMOS晶体管表面和PMOS晶体管表面形成拉应力层。S203，去除PMOS晶体管表面的拉应力层，保留NMOS晶体管表面的拉应力层。S204,在所述PMOS晶体管和拉应力层表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层。S205，去除拉应力层表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。在第二实施例中，还可以先在所述NMOS晶体管表面形成拉应力层，然后在所述 PMOS晶体管和拉应力层的表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层；再去除所述拉应力层表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。本发明所提供的第二个实施例的具体实现步骤可以参照第一个实施例的具体实现步骤。比较本发明所提供的金属氧化物半导体器件的形成方法的两个实施例，第一个实施例先在PMOS晶体管表面形成二氧化硅压应力层，所述二氧化硅压应力层可以保护PMOS 晶体管在后续形成拉应力层的步骤中，不受氮化硅中氢的影响，从而进一步提高PMOS晶体管的性能。需要说明的是，本发明所提供的在PMOS晶体管表面沉积二氧化硅层，并对所沉积的二氧化硅层进行退火，形成压应力层的方法，也适用于单独的PMOS晶体管，而不一定是针对CMOS器件中的PMOS晶体管。本发明所提供金属氧化物半导体器件的形成方法是在PMOS晶体管表面沉积一层由二氧化硅材料形成的压应力层，所形成的压应力层在后续退火过程中可以保持压应力， 从而可以提高PMOS晶体管的性能。此外，二氧化硅应力层不含氢从而可以进一步提高PMOS 晶体管的性能。
相应地，本发明还提供一种金属氧化物半导体器件，所述器件包含衬底，所述衬底包括NMOS晶体管和PMOS晶体管，所述NMOS晶体管和PMOS晶体管由浅开口隔离结构隔离， 所述NMOS晶体管表面包含拉应力层，所述PMOS晶体管表面包含压应力层，所述压应力层的材料是二氧化硅。图11为本发明所提供的金属氧化物半导体器件的示意型实施例，请参考图11，本发明所提供的金属氧化物半导体器件包括衬底100，所述衬底100包括NMOS晶体管102和 PMOS晶体管101，所述NMOS晶体管102和PMOS晶体管101由浅开口隔离结构103隔离，所述NMOS晶体管102表面包含拉应力层105，所述PMOS晶体管101表面包含压应力层104。其中，所述拉应力层105的材料选择的是氮化硅；所述压应力层104的材料选择的是二氧化硅，厚度为200 400埃。所述压应力层104的形成步骤包括，利用沉积工艺在衬底表面形成二氧化硅层；在900 1100°C的温度环境下，对所形成的二氧化硅层退火，形成压应力层；去除NMOS晶体管102表面的二氧化硅压应力层104，保留PMOS晶体管101表面的二氧化硅压应力层104。本发明所提供的金属氧化物半导体器件的压应力层的材料选择的是二氧化硅，所述由二氧化硅形成的压应力层在后续退火步骤中可以保持良好的压应力，从而可以提高 PMOS晶体管的性能。此外，二氧化硅应力层不含氢，从而可以进一步提高PMOS晶体管的性能。本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
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权利要求
1.一种金属氧化物半导体器件的形成方法，其特征在于，包含以下步骤提供包含PMOS晶体管和NMOS晶体管的衬底；在所述PMOS晶体管表面形成压应力层，所述压应力层的材料为二氧化硅；在所述NMOS晶体管表面形成拉应力层。
2.依据权利要求1的金属氧化物半导体器件的形成方法，其特征在于，在所述PMOS晶体管表面形成压应力层的步骤包括先在所述PMOS晶体管和NMOS晶体管表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层；去除NMOS晶体管表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。
3.一种金属氧化物半导体器件的形成方法，其特征在于，在所述PMOS晶体管表面形成压应力层的步骤包括在所述PMOS晶体管和NMOS晶体管表面的拉应力层的表面沉积二氧化硅层，并进行退火，形成压应力层；去除所述拉应力层表面的压应力层，保留PMOS晶体管表面的压应力层。
4.依据权利要求1至3中任意一项的金属氧化物半导体器件的形成方法，其特征在于， 所述二氧化硅层的退火温度为900 1100°C，退火时间为60 90秒。
5.依据权利要求1至3中任意一项的金属氧化物半导体器件的形成方法，其特征在于， 所述二氧化硅层的厚度为200 400埃。
6.依据权利要求1的金属氧化物半导体器件的形成方法，其特征在于，所述二氧化硅层的形成方法为化学气相沉积法。
7.依据权利要求1的金属氧化物半导体器件的形成方法，其特征在于，所述NMOS晶体管表面的拉应力层的材料是氮化硅。
8.依据权利要求7的金属氧化物半导体器件的形成方法，其特征在于，所述NMOS晶体管表面的拉应力层的形成步骤包括利用化学气相沉积法形成氮化硅层；在900 1100°C的温度下对所述氮化硅层进行退火，形成拉应力层。
9.一种金属氧化物半导体器件，所述器件包含衬底，所述衬底包括NMOS晶体管和PMOS 晶体管，所述NMOS晶体管和PMOS晶体管由浅开口隔离结构隔离，所述NMOS晶体管表面包含拉应力层，所述PMOS晶体管表面包含压应力层，所述压应力层的材料是二氧化硅。
10.依据权利要求9的金属氧化物半导体器件，其特征在于，所述拉应力层的材料是氮化硅层。
11.依据权利要求9的金属氧化物半导体器件，其特征在于，所述压应力层的厚度为 200 400 埃。
全文摘要
金属氧化物半导体器件的形成方法，包含以下步骤提供包含PMOS晶体管和NMOS晶体管的衬底；在所述PMOS晶体管表面形成压应力层，所述压应力层的材料为二氧化硅；在所述NMOS晶体管表面形成拉应力层。相应地，本发明还提供通过本发明所提供的方法形成的金属氧化物半导体器件。本发明所提供金属氧化物半导体器件的形成方法是在PMOS晶体管表面沉积一层由二氧化硅材料形成的压应力层，所形成的压应力层在后续退火过程中可以保持压应力，从而可以提高PMOS晶体管的性能。
文档编号H01L21/8238GK102468236SQ20101053203
公开日2012年5月23日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者付云飞, 张彬, 荆学珍, 鲍宇 申请人:中芯国际集成电路制造(北京)有限公司