半导体器件及其制造方法技术

一种半导体器件，包括：　　　　半导体衬底；　　　　由氮氧化硅膜制成的并淀积在半导体衬底的部分表面区域上的栅极绝缘膜；　　　　淀积在栅极绝缘膜上的栅极；和　　　　淀积在栅极两侧的源区和漏区，　　　　其中栅极绝缘膜中存在的主要氮原子与氮原子总数的比例为２０％或２０％以下，并且，其中每个主要氮原子的三个键都耦合到硅原子上，连接到主要氮原子的三个硅原子的每个的其余三个键都耦合到其它氮原子。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及采用氮氧化硅膜作为栅极绝缘膜的半导体器件及其制造和评估方法，和形成氮氧化硅膜的工艺条件的评估方法。
技术介绍
随着半导体集成电路器件做得越来越小和越来越高度集成，互补MOS场效应晶体管(CMOSFET)的栅极绝缘膜变得越来越薄。由于栅极绝缘膜做得太薄，注入到p沟道MOSFET的栅极中的硼原子可能穿过栅极绝缘膜并扩散到沟道区中。可以通过采用氮氧化硅作为栅极绝缘膜的材料来防止这种硼扩散(硼泄漏)，其中氮氧化硅是通过将氮引入氧化硅中制成的。在将氮原子引入到氧化硅中时，一般通过采用电阻加热型或灯加热型热处理系统在氨气(NH3)、NO或N2O的气体气氛中进行退火。近来已经提出采用氮等离子体的方法引入更多的氮原子。可以通过提高栅极绝缘膜中的氮密度来增强防止硼泄漏的效果。随着氮密度的升高，栅极绝缘膜的介电常数变得比氧化硅膜的介电常数高。因此，通过增厚栅极绝缘膜可以保持相同的静电电容。这将导致较小的栅极漏电流。由于通过采用电阻加热型或灯加热型的热处理系统引入氮，因此氮密度的分布在氮氧化硅膜和硅衬底之间的界面附近有峰值。由于通过采用氮等离子体引入氮，因此氮密度的分布在氮氧化硅膜的深度方向的中心区域或在比该中心区域更靠近膜表面的区域中有峰值。通过采用氮等离子体，可以提高金属绝缘体半导体FET(MISFET)的电特性(载流子迁移率等)和可靠性，因为可以在不提高栅极绝缘膜和沟道之间的界面附近的氮密度的情况下提高栅极绝缘膜中的氮密度。公知的MISFET的互导(Gm)降低取决于引入氮的方法，其中互导是表示MISFET性能的一个指数。参考相关技术文章如下“Dowmscaling Limitof Equivalent Oxide Thickness In Formation of Ultrathin Gate Dielectric byThermal-Enhanced Remote Plasma Nitridation”by Chien-Hao Chen，IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，MAY 2002，VOL.49，NO.5.P.840-845。日本专利特许公开公报No.平-11-204787公开了能实现高速和高可靠性MISFET的栅极绝缘膜的优选结构。这种栅极绝缘膜由氮氧化硅构成，并且，氮原子只分布在硅衬底和栅极绝缘膜之间的界面附近。在该界面附近，所有氮原子中的每个氮原子耦合到两个硅原子和一个氧原子或耦合到三个硅原子上。等离子体氮化处理难以形成在该公报中公开的栅极绝缘膜。这是因为等离子体氮化处理将氮引入到远离硅衬底和栅极绝缘膜之间的界面的区域中或在栅极绝缘膜的表面附近的区域中的栅极绝缘膜中。如果栅极绝缘膜很薄，难以使氮原子只分布在栅极绝缘膜和硅衬底之间的界面附近。有很多种栅极绝缘膜形成方法。对于早先进入市场的具有良好性能的半导体器件，要求清楚栅极绝缘膜的氮化状态和MISFET性能指数如互导(Gm)之间的关系。如果这个关系清楚了，则可以分析用作MISFETDE栅极绝缘膜的氮氧化硅膜，从而评估MISFET的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种采用氮氧化硅作为栅极绝缘膜材料并且电特性优异的半导体器件及其制造方法。本专利技术的另一目的是提供采用氮氧化硅膜做为栅极绝缘膜材料的半导体器件的电特性的评估方法。本专利技术的又一目的是提供一种判断方法，判断该处理是否能形成用作栅极绝缘膜的氮氧化硅膜。根据本专利技术的一个方案，提供一种半导体器件，包括半导体衬底；由氮氧化硅膜制成的并淀积在半导体衬底的部分表面区域上的栅极绝缘膜；淀积在栅极绝缘膜上的栅极；和淀积在栅极的两侧的源区和漏区，其中栅极绝缘膜中存在的主要(subject)氮原子与氮原子总数的比例为20％或20％以下，并且其中每个主要氮原子的三个键都耦合到硅原子上，连接到主要氮原子的三个硅原子的每个的其余三个键都耦合到其它氮原子。根据本专利技术的另一方案，提供一种半导体器件的制造方法，包括以下步骤在半导体衬底的表面上形成氮氧化硅膜；在氮氧化硅膜上形成用于栅极的导电膜；对导电膜构图以留下栅极；和向栅极两侧的半导体区域中注入杂质，以便形成源区和漏区，其中在形成氮氧化硅膜的步骤中，氮氧化硅膜是在氮氧化硅膜中存在的主要氮原子与氮原子总数的比例为20％或20％以下的条件下形成的，并且，其中每个主要氮原子的三个键都耦合到硅原子上，连接到主要氮原子的三个硅原子的每个的其余三个键都耦合到其它氮原子。氮氧化硅膜中存在的主要氮原子与氮原子总数比例为20％或20％以下时，可以保持半导体器件的电特性良好。根据本专利技术的又一方案，提供一种半导体器件的电特性的评估方法，包括以下步骤在半导体衬底的表面上形成氮氧化硅膜；测量氮氧化硅膜中存在的主要氮原子与氮原子总数的比例，其中每个主要氮原子的三个键都耦合到硅原子上，连接到主要氮原子的三个硅原子的每个的其余三个键都耦合到其它氮原子；和根据测量的比例，评估用该氮氧化硅膜作为栅极绝缘膜的MISFET的特性。在不用测量实际MISFET的情况下，通过该比例就可以评估MISFET的电特性。根据本专利技术的另一方案，提供一种评估半导体器件的特性的方法，包括以下步骤在半导体衬底的表面上形成氮氧化硅膜；通过采用X射线光电子能谱分析法测量氮氧化硅膜中的氮原子的1s轨道上的电子的能谱；将通过X射线光电子能谱分析法获得的峰值分成在比氮原子的1s轨道上的电子能量高的能量一侧的至少两个第一峰值和在比该至少两个第一峰值低的能量一侧的一个第二峰值；计算第二峰值的面积与至少两个第一峰值和第二峰值的总面积的比例；和根据计算的比例评估采用氮氧化硅膜作为栅极绝缘膜的MISFET的特性。可以在不制造实际的MISFET的情况下，通过面积比例就能评估MISFET的电特性。可以通过上述方法分析氮氧化硅膜来判断氮氧化硅膜的处理条件，确定是否该条件是良好的或是不好的。根据本专利技术的另一方案，提供一种半导体器件，包括半导体衬底；由在半导体衬底的部分表面区域上依次淀积的氮氧化硅膜和高介电常数膜的叠层构成的栅极绝缘膜，该高介电常数膜的介电常数比氮氧化硅膜的介电常数高；淀积在栅极绝缘膜上的栅极；和淀积在栅极两侧的源区和漏区，其中通过采用X射线光电子能谱分析法测量栅极绝缘膜中的氮原子的1s轨道上的电子的能谱；和将通过X射线光电子能谱分析法获得的峰值分成比在氮原子的1s轨道上的电子能量高的能量一侧的至少两个第一峰值和在比该至少两个第一峰值低的能量一侧的一个第二峰值，其中第二峰值的面积与至少两个第一峰值和第一峰值的总面积的比例为20％或20％以下。在面积比例为20％或20％以下时，半导体器件的电特性可以保持良好。如上所述，可以通过分析由氮氧化硅膜制成的栅极绝缘膜来评估MISFET的电特性。可以判断氮氧化硅膜形成工艺处理条件的精度。附图说明图1是表示在深度方向的样品栅极绝缘膜的氮密度的曲线图。图2是表示在样品栅极绝缘膜和硅衬底之间的界面处的Gm×Teff之间的关系的曲线图。图3是表示在一个样品栅极绝缘膜中氮原子的1s轨道上的电子能谱和表示被分成多个峰值的检测峰值的结果的曲线图。图4A-4D是表示在栅极绝缘膜中的氮原子的耦合状态的例子的化学结构图；图5是表示Gm×Teff和在样品栅极绝缘膜中NSi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种半导体器件，包括半导体衬底；由氮氧化硅膜制成的并淀积在半导体衬底的部分表面区域上的栅极绝缘膜；淀积在栅极绝缘膜上的栅极；和淀积在栅极两侧的源区和漏区，其中栅极绝缘膜中存在的主要氮原子与氮原子总数的比例为20％或20％以下，并且，其中每个主要氮原子的三个键都耦合到硅原子上，连接到主要氮原子的三个硅原子的每个的其余三个键都耦合到其它氮原子。2.根据权利要求1的半导体器件，其中，栅极绝缘膜的厚度为3nm或更薄。3.一种半导体器件，包括半导体衬底；淀积在半导体衬底上的栅极绝缘膜，该栅极绝缘膜由依次淀积的氮氧化硅膜和高介电常数膜的叠层构成，该高介电常数膜的介电常数比氮氧化硅膜的介电常数高；淀积在栅极绝缘膜上的栅极；和淀积在栅极两侧的源区和漏区，其中栅极绝缘膜中存在的主要氮原子与氮原子总数的比例为20％或20％以下，并且，其中每个主要氮原子的三个键都耦合到硅原子上，连接到主要氮原子的三个硅原子的每个的其余三个键都耦合到其它氮原子。4.一种半导体器件的制造方法，包括以下步骤在半导体衬底的表面上形成氮氧化硅膜；在氮氧化硅膜上形成用于栅极的导电膜；对导电膜进行构图以留下栅极；和向栅极两侧的半导体区域中注入杂质，以便形成源区和漏区，其中在形成氮氧化硅膜的步骤中，氮氧化硅膜是在氮氧化硅膜中存在的主要氮原子与氮原子总数的比例为20％或20％以下的条件下形成的，并且其中每个主要氮原子的三个键都耦合到硅原子上，连接到主要氮原子的三个硅原子的每个的其余三个键都耦合到其它氮原子。5.根据权利要求4的半导体器件的制造方法，其中，形成氮氧化硅膜的步骤包括以下步骤在半导体衬底的表面上形成氧化硅膜；和对氧化硅膜进行氮化处理。6.根据权利要求4的半导体器件的制造方法，其中形成氮氧化硅膜的步骤包括以下步骤在半导体衬底的表面上形成氮化硅膜；和对氮化硅膜进行氧化处理。7.一种半导体器件的电特性的评估方法，包括以下步骤在半导体衬底的表面上形成氮氧化硅膜；测量氮氧化硅膜中存在的主要氮原子与氮原子总数的比例，其中每个主要氮原子的三个键都耦合到硅原子上，连接到主要氮原子的三个硅原子的每个的其余三个键都耦合到其它氮原子；和根据测量的存在比例评估用该氮氧化硅膜作为栅极绝缘膜的MISFET的特性。8.一种半导体器件的特性的评估方法，包括以下步骤在半导体衬底的表面上形成氮氧化硅膜；通过采用X射线光电子能谱分析法测量氮氧化硅膜中的氮原子的1s轨道上的电子的能谱；将通过X射线光电子能谱分析法获得的峰值分开在比氮化...

【专利技术属性】
技术研发人员：堀充明，田村直义，滋野真弓，
申请(专利权)人：富士通株式会社，
类型：发明
国别省市：