專利名稱：制造半導(dǎo)體器件中的晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造半導(dǎo)體襯底的方法，特別涉及制造具有抬高的源和漏區(qū)的晶體管。
集成電路制造技術(shù)一直力求增大電路密度，并因此減小場效應(yīng)晶體管的尺寸和溝道長度。技術(shù)上的改進(jìn)引起了場效應(yīng)晶體管尺寸的減小，器件從長溝道器件(即，一般大于2微米的溝道長度)變?yōu)槎虦系榔骷?即，一般小于2微米的溝道長度)。
由于場效應(yīng)晶體管溝道長度(即，柵寬)變得小于約3微米，所謂的短溝道效應(yīng)開始變得越來越嚴(yán)重。結(jié)果，考慮到這些效應(yīng)，不得不改進(jìn)器件設(shè)計(jì)和相應(yīng)的工藝技術(shù)，以便不斷得到優(yōu)化的器件性能。例如，隨著器件尺寸減小，且電源電壓保持不變，襯底內(nèi)產(chǎn)生的橫向電場增大。如果該電場變得足夠大，則會導(dǎo)致所謂的熱載流子效應(yīng)。如果它們的溝道長度小于2微米，則熱載流子效應(yīng)會引起具有常規(guī)源結(jié)構(gòu)的n型晶體管器件不能接受的性能退化。
克服該問題的優(yōu)選方法是，在源和漏區(qū)之前，相對溝道區(qū)，在襯底內(nèi)提供輕摻雜漏(“LDD”)區(qū)。所提供的LDD區(qū)的摻雜比源和漏區(qū)輕。與沒有LDD的n型晶體管中發(fā)生的溝道上的絕對壓降相反，這有助于由溝道區(qū)中的該漏分擔(dān)壓降。該LDD區(qū)將一些壓降電位吸收到該漏中，所以減輕了熱載流子效應(yīng)。于是可以增大器件的穩(wěn)定性。
然而，由于柵寬進(jìn)一步減小(即更短的溝道長度)，致使常規(guī)晶體管的LDD區(qū)的作用較小。例如，較短的溝道長度要求LDD的長度減小，以確保兩擴(kuò)散區(qū)之間的足夠半導(dǎo)體材料，用以防止柵電壓載止時的傳導(dǎo)。解決這些問題的一個途徑是通過抬高源和漏區(qū)，將源和漏區(qū)的主要部分設(shè)置為從襯底起向外。例如，可以在外延反應(yīng)器內(nèi)，由暴露的單晶源和漏襯底區(qū)選擇性生長薄單晶硅外延層(例如200nm)，并使該層具有足夠高的導(dǎo)電性，摻雜成有效地提供源和漏區(qū)。輕摻雜LDD區(qū)可以設(shè)于襯底內(nèi)直接位于抬高的源和漏下面。于是，不管柵寬是否較小，都可以有效地提供足夠的溝道長度。所得晶體管具有充分減輕的短溝道效應(yīng)。


圖1A至1D是介紹制造具有抬高的漏和源區(qū)的晶體管的常規(guī)方法的剖面圖。參見圖1A，在硅襯底10上形成場氧化隔離結(jié)構(gòu)11，以限定有源和無源區(qū)。在有源區(qū)內(nèi)，在硅襯底10的一部分上形成具有柵氧化膜12、柵極13和掩蔽絕緣膜14的柵結(jié)構(gòu)。通過離子注入步驟，在硅襯底10內(nèi)形成輕摻雜區(qū)15。形成具有氧化膜16a和氮氧化膜16b的雙柵間隔層16(圖1B)。利用不摻雜的化學(xué)汽相淀積工藝，在硅襯底10的暴露部分上選擇性生長外延硅層17(圖1C)。該外延硅層17以比別處的生長速率低的速率在鄰近雙柵間隔層16的位置上生長，而不在別處。結(jié)果，在外延硅層17與雙柵間隔層16相遇的結(jié)合部形成很大的刻面18。在刻面18形成時，在雙柵間隔層16的下面形成了自對準(zhǔn)外延硅毛刺(SESS)19。進(jìn)行離子注入步驟，重?fù)诫s硅層17(圖1D)。然后，進(jìn)行退火步驟，以激活注入到硅層17的離子，從而完全形成源和漏區(qū)。
參見圖2，這樣制造的常規(guī)晶體管會在柵間隔層16下具有與溝道相鄰的一部分輕摻雜區(qū)15，而且該區(qū)延伸到襯底中比希望的深度更深。這是由于進(jìn)行離子注入步驟以摻雜外延硅層17時，與其它區(qū)中的離子相比，通過刻面18注入到硅層17中的離子一般會被更深地推進(jìn)到硅層17中。因此，大的刻面18會造成晶體管的短溝道特性和熱載流子抑制能力的退化。此外，退火工藝期間，大量雜質(zhì)離子會擴(kuò)散到自對準(zhǔn)外延硅毛刺19中，導(dǎo)致喪失在重?fù)诫s硅層17和溝道間界面處具有輕摻雜區(qū)15的某些有益作用。
解決上述問題的一種方法是平面化硅層17，以去掉刻面18，重新構(gòu)造結(jié)結(jié)構(gòu)，從而減輕熱載流子效應(yīng)。然而，在器件縮小到0.13微米以下時，這種方法難以實(shí)施。
在一個實(shí)施例中，一種在襯底中制造具有抬高的漏的晶體管的方法包括在襯底上形成柵結(jié)構(gòu)。提供鄰近所說柵結(jié)構(gòu)一端的第一摻雜區(qū)，第一摻雜區(qū)具有第一摻雜劑濃度水平。在第一摻雜區(qū)上形成第二摻雜區(qū)，第二摻雜區(qū)具有第二摻雜劑濃度水平。在第二摻雜區(qū)上形成第三摻雜區(qū)，第三摻雜區(qū)具有不同于第二摻雜劑濃度水平的第三摻雜劑濃度水平。
圖1A至1D是說明制造晶體管的常規(guī)方法的剖面圖；圖2是圖1D所示部分“A”的放大示圖；圖3A至3D是說明根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的制造晶體管的方法的剖面圖；圖4示出了比較常規(guī)晶體管與根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例制造的晶體管的電聚集現(xiàn)象的曲線圖。
圖3A至3D示出了制造根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的具有抬高的源和漏區(qū)的晶體管的方法。參見圖3A，在硅襯底20上形成場氧化隔離結(jié)構(gòu)21，以限定有源區(qū)和無源區(qū)。形成于有源區(qū)上的柵結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于硅襯底上柵氧化膜22、疊置柵氧化膜上的柵極23、及疊置于柵極上的掩蔽絕緣膜24。
然后，鄰近柵結(jié)構(gòu)的端部，在襯底20中形成中度摻雜區(qū)25。為此，在一個實(shí)施例中，在低能量下進(jìn)行離子注入步驟。例如，為制造NMOS晶體管，以約5Kev至約10keV的低能量，向襯底的要求區(qū)中注入砷離子。離子注入一直進(jìn)行到目標(biāo)區(qū)達(dá)到約1014/cm3至約7×1012/cm3的雜質(zhì)濃度，以形成中度摻雜的區(qū)25。區(qū)25的結(jié)深約為600埃。在不同的實(shí)施方式中，可以用不同的方法。例如，如果在用除砷離子外的離子進(jìn)行離子注入時，需要用不同的能量水平、不同的雜質(zhì)濃度、不同的結(jié)深或它們的組合。
參見圖3B，形成了中度摻雜區(qū)25后，在襯底上依次淀積氧化膜26a和氮化膜26b，每個膜的厚度為約100到約300埃。一般說，希望氧化膜26a形成為100到200埃厚，而氮化膜26b形成為200到300埃厚。此后，選擇地去掉氧化和氮化膜，形成雙柵間隔層26。一般用毯式干法腐蝕選擇性去除這些膜，并形成柵間隔層26。
參見圖3C，形成輕摻雜硅層27首先包括去掉襯底上的自然氧化膜(未示出)。根據(jù)一個實(shí)施例，利用非現(xiàn)場清洗法去掉自然氧化，該方法包括從處理室中取出襯底，并將襯底浸入例如HF等清洗液，并進(jìn)行RCA或UV臭氧清洗。然后，再將襯底放入處理室。在氫氣氛中烘烤襯底，即，在約800到900℃的溫度下，進(jìn)行1-5分鐘的氫烘焙，從而防止在襯底上生長氧化物。控制非現(xiàn)場清洗方法和氫烘焙，用以去掉氮化膜26b下的氧化膜26a的選定部分，從而在氮化膜下形成底切。該底切從柵氧化膜22的一端起停止在約100埃處。
氫烘焙后，在中度摻雜區(qū)25上形成輕摻雜硅層或輕摻雜外延硅層27。在一個實(shí)施例中，通過利用低壓汽相淀積法(“LPCVD”)，在硅襯底20的暴露部分上選擇性生長外延層，形成輕摻雜硅層27。LPCVD工藝的工藝方法包括使約30sccm到約300sccm的二氯硅烷(DCSSiH2Cl2)、約30sccm到約200sccm的HCl和約100sccm到約300sccm磷化氫流入處理室用于摻雜。處理室保持在約10乇到約50乇的壓力下，約750到950℃的溫度下。淀積工藝進(jìn)行約10分鐘，從而提供厚約500到約2000埃的輕摻雜外延硅層27。
如圖3C所示，鄰接雙柵間隔層26生長的外延硅層27低于其它區(qū)。結(jié)果，鄰接雙柵間隔層26，在外延硅層27的表面處形成刻面28。然而，由于本實(shí)施例下，在LPCVD方法期間，輕摻雜外延硅層即自對準(zhǔn)外延硅毛刺29(“SESS”)生長于底切內(nèi)，所以，刻面28比常規(guī)方法下形成的刻面18小許多。首先，由于與常規(guī)SESS的約1/4的氧化物/氮化物厚度比相比，氧化物/氮化物厚度之比增大到高達(dá)約2/3，第二，由于輕摻雜選擇性外延生長可以使所說刻面的生長速率較低，所以，該輕摻雜SESS29有助于減小刻面28的尺寸。一般說，根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的刻面28的尺寸小于100埃。
參見圖3D，進(jìn)行離子注入步驟，在外延硅層27上形成重?fù)诫s區(qū)27a。在一個實(shí)施例中，為制造NMOS晶體管，離子注入步驟包括以約5keV到約10keV的低能量，向外延硅層注入砷離子，深度約300埃。能量水平選擇為使離子不會在外延硅層中推進(jìn)得太遠(yuǎn)，以便該外延硅層的下部保持輕摻雜。該離子注入一直進(jìn)行到目標(biāo)區(qū)達(dá)到約1015/cm3到約5×1015/cm3的雜質(zhì)濃度水平。達(dá)到希望的雜質(zhì)濃度水平后，進(jìn)行預(yù)定時間的退火工藝，激活注入到外延硅層中的離子，形成厚度約為外延硅層1/2的重?fù)诫s區(qū)27a。1/2以下的厚度保持輕摻雜。
在一個實(shí)施例中，可以不用離子注入步驟形成重?fù)诫s區(qū)27a和輕摻雜區(qū)27b。例如，可以通過進(jìn)行第一CVD法生長輕摻雜區(qū)27b，然后，變?yōu)榈诙﨏VD法生長重?fù)诫s區(qū)27a，形成這些區(qū)。
再參見上述實(shí)施例，控制退火工藝，使外延硅層27的上部變?yōu)橹負(fù)诫s，而下部保持輕摻雜。在一個實(shí)施例中，在反應(yīng)爐中進(jìn)行退火工藝時，在約800到約950℃的溫度下，在氮?dú)夥罩?，進(jìn)行約10到30分鐘退火。在另一實(shí)施例中，在快速熱退火爐中進(jìn)行該退火工藝，在約900到約1050℃的溫度下，在含N2的氣氛中進(jìn)行退火約1到30秒，其中溫度以約每秒30到200℃的增幅升高。
由上述工藝，可以形成具有帶結(jié)257的抬高源和漏區(qū)的晶體管。結(jié)257包括依次疊置的中度摻雜區(qū)25、輕摻雜區(qū)27b和重?fù)诫s區(qū)27a。
圖4比較了常規(guī)晶體管和根據(jù)本發(fā)明上述方法形成的晶體管(“新晶體管”)的電聚集現(xiàn)象。x軸示出了從柵的中心起的距離，y軸示出了電場強(qiáng)度。如圖所示，在常規(guī)晶體管和新晶體管中，在柵和漏結(jié)附近都觀察到了電場中的尖峰。然而，新晶體管一般具有幅度低于常規(guī)晶體管的尖峰。結(jié)果，新晶體管更有效地抑制了熱載流子，減小了短溝道閾值電壓滑離。相信這些效果是由于形成輕摻雜的自對準(zhǔn)外延硅毛刺29，并使形成的刻面最小的緣故。
盡管充分介紹了特定實(shí)施例，但可以使用各種改進(jìn)、替代結(jié)構(gòu)和等效結(jié)構(gòu)等。因此，上述介紹和附圖不應(yīng)限制由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1．一種在襯底中制造具有抬高的漏的晶體管的方法，該方法包括在襯底上形成柵結(jié)構(gòu)；鄰近所說柵結(jié)構(gòu)一端提供第一摻雜區(qū)，第一摻雜區(qū)具有第一摻雜劑濃度水平；在第一摻雜區(qū)上形成第二摻雜區(qū)，第二摻雜區(qū)具有第二摻雜劑濃度水平；及在第二摻雜區(qū)上形成第三摻雜區(qū)，第三摻雜區(qū)具有不同于第二摻雜劑濃度水平的第三摻雜劑濃度水平，其中抬高的漏包括第三摻雜區(qū)，第二摻雜劑濃度水平低于第三濃度水平。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一摻雜劑濃度水平高于第二摻雜劑濃度水平，但低于第三摻雜劑濃度水平。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第一摻雜區(qū)形成于襯底內(nèi)，是利用低能量，通過向第一摻雜區(qū)注入離子形成的，第一摻雜劑濃度水平為1E14-5E14，第一摻雜區(qū)具有約500埃的結(jié)深。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，形成第二和第三摻雜區(qū)包括在第一摻雜區(qū)上生長外延硅層，該外延硅層具有上部和下部，上部和下部都具有第二摻雜劑濃度水平；在外延硅層上部內(nèi)，向外延硅層注入離子到特定深度；及將襯底退火，以激活注入的離子，將外延硅層的上部變?yōu)榫哂械谌凉舛人降牡谌龘诫s區(qū)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，還包括形成具有第一絕緣層和不同于第一絕緣層的第二絕緣層的柵間隔層；去掉部分第一層，形成底切；及在底切內(nèi)形成具有第二摻雜劑濃度水平的自對準(zhǔn)外延硅毛刺。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中控制退火，使自對準(zhǔn)外延硅毛刺沒有第三摻雜劑濃度水平。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中生長外延硅層期間鄰接?xùn)砰g隔層形成的刻面的尺寸小于100埃。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中第一絕緣膜是氧化膜，第二絕緣膜是氮化膜，第一絕緣膜厚約100埃至約200埃，第二絕緣膜厚約200埃至約300埃。
9．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中底切從柵結(jié)構(gòu)算起橫向約為100埃。
10．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中外延硅層厚約500埃至約2000埃。
11．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，生長外延硅層的步驟包括使約30sccm至約300sccm的DCS、約30sccm至約200sccm的HC1和約100sccm至約300sccm的磷化氫流入處理室；淀積壓力保持在約10乇至約50乇；淀積溫度保持在約750至950℃。
12．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中退火工藝包括將襯底裝入反應(yīng)爐；在爐內(nèi)提供氮?dú)夥?；爐內(nèi)溫度保持在約800至約959℃；及在爐內(nèi)處理襯底約10分鐘至約30分鐘。
13．根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中退火工藝包括將襯底裝入快速熱退火爐；在爐內(nèi)提供氮?dú)夥?；爐內(nèi)溫度保持在約900℃至約1050℃；及在爐內(nèi)處理襯底約1秒至約30秒，其中溫度以每秒約30℃至約200℃的增幅升高。
14．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中第三摻雜劑濃度水平的離子濃度為1E15/CM至5E15/CM，第三摻雜區(qū)厚約為外延層的1/2。
15．一種在襯底中制造具有抬高的源和漏的晶體管的方法，該方法包括在襯底上形成柵結(jié)構(gòu)，以限定柵結(jié)構(gòu)下的溝道；在所說襯底內(nèi)，鄰近所說溝道形成第一摻雜區(qū)，第一摻雜區(qū)具有第一摻雜劑濃度水平；在第一摻雜區(qū)上生長具有上部和下部的外延硅層，所說外延硅層具有第二摻雜劑濃度水平；向外延硅層的上部注入摻雜劑，將該上部的摻雜劑濃度水平提高到高于下部的摻雜劑濃度水平的水平。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括將襯底退火，以激活注入到所說上部的離子，同時不會將注入的離子明顯擴(kuò)散到下部中，以便所說上部具有高于所說下部的第二摻雜劑濃度水平的第三摻雜劑濃度水平。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的方法，還包括鄰接?xùn)沤Y(jié)構(gòu)提供柵間隔層；及在柵間隔層下形成具有第二摻雜劑濃度水平的自對準(zhǔn)外延硅毛刺。
全文摘要
一種在襯底中制造具有抬高的漏的晶體管的方法以下步驟:在襯底上形成柵結(jié)構(gòu);鄰近所說柵結(jié)構(gòu)一端提供第一摻雜區(qū),第一摻雜區(qū)具有第一摻雜劑濃度水平;在第一摻雜區(qū)上形成第二摻雜區(qū),第二摻雜區(qū)具有第二摻雜劑濃度水平:在第二摻雜區(qū)上形成第三摻雜區(qū),第三摻雜區(qū)具有不同于第二摻雜劑濃度水平的第三摻雜劑濃度水平,其中抬高的漏區(qū)包括第三摻雜區(qū),第二摻雜劑濃度水平低于第三濃度水平。
文檔編號H01L29/78GK1284743SQ0010971
公開日2001年2月21日 申請日期2000年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月29日
發(fā)明者李政昊 申請人:現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)株式會社