專利名稱：超薄絕緣體基外延硅金屬氧化物半導體晶體管的閾值電壓調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路中閾值電壓的調(diào)節(jié)，更具體涉及SOI襯底上形成的CMOS的電壓調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
絕緣體基外延硅(SOI)器件中頂層硅膜的均勻性的可變化范圍是±5nm。而該變化對厚度大于100nm的頂層硅膜而言較小。而對膜厚小于20nm的頂層硅膜而言該變化約為25％。用熱氧化處理使頂層硅膜變薄時，膜厚可從15nm變成25nm，頂層硅膜的厚度均勻性中25％的變化會導致閾值調(diào)節(jié)困難。
現(xiàn)有技術(shù)的全耗盡型SOI閾值電壓調(diào)節(jié)技術(shù)要求SOI膜均勻摻雜，具有均勻分布的雜質(zhì)濃度，它會引起閾值電壓隨頂層硅膜的厚度線性增大；或SOI中注入規(guī)定的離子以使頂層硅膜中的總雜質(zhì)量恒定，但是，當頂層硅膜變薄時，對有各種厚度的頂層硅膜上總雜質(zhì)濃度的控制更困難。沒有一種方法能均勻調(diào)節(jié)SOI膜中的閾值電壓。用熱氧化處理減薄常規(guī)的SOI膜制成超薄SOI膜。SOI晶片上用熱氧化處理除去的硅量極均勻。結(jié)果，原始SOI膜中任何不均勻性轉(zhuǎn)變成超薄SOI膜。若原始SOI膜的厚度為100m±10nm，將膜減薄至20nm以制成晶片上的膜厚為20m±10nm的SOI膜，這使膜厚變化從10％增大至50％。因而嚴重影響制成的MOS晶體管的閾值電壓。

發(fā)明內(nèi)容
超薄SOIMOS晶體管的閾值電壓調(diào)節(jié)方法包括制備SOI襯底；SOI頂層硅膜的厚度減薄到約10nm至50nm；頂層硅膜上形成吸收層；通過吸收層給頂層硅膜注入離子。
本發(fā)明的目的是，提供一種減小或消除超薄SOIMOS晶體管的閾值電壓的厚度依賴的方法。
提供本發(fā)明的概述和發(fā)明的目的以便于快速理解本發(fā)明。通過以下結(jié)合附圖對發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述，將能更充分理解發(fā)明。


圖1是離子濃度與SOI器件中的深度之間的關(guān)系曲線圖；圖2是頂層硅膜中總電荷與膜厚的關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式
SOI晶體管的閾值電壓VTH的表達式如下 F[1+1Cox(12CSUB+1CBOX+1CSI)]+QSICox[1-12Cst(12CSUB+1CBOX+1CSI)]]]>……………式(1)式中VFB是平坦帶電壓；QSUB是SOI晶片的埋入的氧化物的后界面處的電荷；QSI是SOI晶片的頂層硅膜中的總電荷；CBOX是埋入的氧化物電容；COX是柵氧化物電容。表面溝道形成的閾值表面電位2φF的表達式如下2φF=QSUB(12CSUB+1CBOX+1CSI)(12CSI)≈QSUB(1CBOX)+QSI(12CSI)]]>……………式(2)由于埋入的氧化物厚度1OOnm級，CBOX大大小于CSI，而且大大小于CSUB和COX。因此，閾值電壓大致用下式表示VTH≈VFB+2φF(1+CBOXCOX)+QSICOX(1-CBOX2CSI)]]>……………式(3)由于CSI＞＞CBOX，所以閾值電壓大致用下式表示VTH≈VFB+2φF(1+CBOXCOX)+QSICOX]]>……………式(4)費米電位φF隨雜質(zhì)濃度成對數(shù)增長。因此φF可以認為與SOI晶片中的雜質(zhì)濃度變化無關(guān)，閾值電壓的變化與SOI膜中的總電荷成正比變化。ΔVTH≈ΔQSICXO]]>……………式(5)如上式所示，費米(Fermi)電位和頂層硅膜中的總電荷控制晶體管的閾值電壓。如果頂層硅膜中的雜質(zhì)濃度保持恒定，那么，閾值電壓隨QS1增大，QS1隨頂層硅膜厚度線性增大。如果頂層硅膜中的總電荷保持恒定，那么，頂層硅膜中的雜質(zhì)濃度隨膜厚減小而增大。結(jié)果，費米電位隨頂層硅膜厚度的減小而增大。因此，晶體管的閾值電壓隨頂層硅膜厚度減小而增大。
在其厚度約在50nm以下的超薄硅膜的情況下，不可能使頂層硅膜中的總電荷保持恒定。如這里所述的要求用其它方法適當控制閾值電壓。
本發(fā)明方法包括，通過用CVD法在SOI頂層硅膜上形成的這里叫做吸收層的氧化膜或氮化膜，給頂層硅膜注入雜質(zhì)的離子注入步驟。由于頂層硅膜極薄，所以大量注入離子穿過頂層硅膜而沉淀在埋入的氧化物層中。造成極薄的頂層硅膜中注入的總離子量小于晶片的頂層硅層的較厚部分中注入的離子量。QSI在頂層硅膜的較厚部分中較大，而頂層硅膜的較薄部分的雜質(zhì)濃度大于較厚的頂層硅膜中的雜質(zhì)濃度。頂層硅膜的較薄部分的費米電位也大于頂層硅膜的較厚部分的費米電位。因此，晶體管的閾值電壓與頂層硅膜厚度之間的依賴減小。圖1中在10處SOI襯底上頂層硅膜的各個厚度最薄處為A、平均厚度處為B、最厚處為C。曲線12所示的第1離子注入步驟之后，頂層硅膜最厚部分的閾值電壓會太低?？勺⑷肓硗獾碾x子，以提供適當?shù)拈撝惦妷骸Ｓ们€14表示的第2離子注入步驟的投射區(qū)至少等于頂層硅膜最厚部分的厚度，如圖中曲線12所示。第2離子注入步驟，大部分注入的離子沉淀在頂層硅膜的厚的部分中，而只有只少量的離子進入頂層硅膜的較薄部分。
第1注入步驟可包括磷離子注入，劑量約是1×1011cm-2至1×1013cm-2，能級為30kev至60kev，頂層硅膜中生成的雜質(zhì)離子濃度是5×1010至5×1013離子/cm2。另一個第1注入步驟可包括硼離子注入，劑量約為1×1011cm-2至1×1013cm-2，能級為3kev至10kev，頂層硅膜中生成的離子濃度是1×1017至5×1018離子/cm3。
第2注入步驟包括砷離子注入，離子劑量約為5×109cm-2至1×1012cm-2，能級為30kev至70kev，頂層硅膜中生成的離子濃度約是0至5×1011離子/cm2。另一第2注入步驟包括硼離子注入劑量約為5×109cm-2至1×1012cm-2，能級為5kev至15kev，頂層硅膜中生成的離子濃度約是1×109至2×1010離子/cm2。
例如，規(guī)定頂層硅膜的厚度從15nm變至25nm，氧化物吸收層厚20nm，第1注入步驟用硼離子，劑量約為6×1012cm-2，能級約為6kev，頂層硅膜的薄部分中生成的離子濃度是5.6×1012離子/cm2；平均厚度部分中是6×1012離子/cm2，厚的部分中是6.2×1012離子/cm2。第2注入步驟可用硼離子，劑量約是3×1010cm-2，能級我為14kev，頂層硅膜的薄的部分中生成的離子濃度約是1.0×109離子/cm2，平均厚度部分中約是7×109離子/cm2，厚的部分中約是2×1010離子/cm2。
圖2是歸一化電荷與距離的關(guān)系曲線圖。圖2畫出了第1離子注入步驟中頂層硅膜中的總電荷與膜厚的函數(shù)曲線。垂直軸表示歸一化總離子濃度，水平軸表示離表面的距離，以離子注入的投射標準偏差單位(dRp或ΔRp(nm))。曲線與水平軸的交叉點是投射區(qū)。投射區(qū)比氧化或氮化掩模層深的地方，用系列15和17表示正值的曲線與水平軸交叉點，投射區(qū)比掩模層窄的地方，用系列3至11表示負值的曲線與水平軸的交叉點。投射區(qū)與掩模層厚度相同的地方，用系列13表示0值的曲線和水平軸的交叉點。SOI頂層硅膜的上表面在SOI中0電荷(X-軸)處。例如，在dRp＝-1處系列3與X軸交叉。在dRp＝0處系列13與X軸交叉。Y軸是從X軸交叉點測到的以dRp表示的頂層硅膜厚度中的總電荷。
表1列出頂層硅膜中歸一化的電荷，用投射區(qū)和投射標準偏差表示。假設頂層硅膜的最薄和最厚的厚度分別是15nm和25nm。假設柵氧化層厚度是2nm。假設埋入的氧化物厚度是200nm。頂層硅膜的平均厚度是20nm。頂層硅膜的總電荷和平均電荷密度示于表2中。計算MOS晶體管的閾值電壓并列于表3中。第1行表示整個頂層硅膜的恒定雜質(zhì)濃度值N。第2行表示頂層硅膜中與膜厚無關(guān)處的總電荷值Q。頂層硅膜處恒定電荷的閾值電壓變化與頂層硅膜的厚度依賴性大大降低。其中的雜質(zhì)濃度為2×1018cm-2和厚度為20nm的頂層硅膜的閾值電壓是0.2566V，而晶片的最厚和最薄頂層硅膜部分處的閾值電壓分別是0.3491V和0.1641V。閾值電壓變化范圍是±92.5mv。恒定電荷情況下，最厚和最薄膜的閾值電壓分別是離開正常厚度的晶體管的閾值電壓的-5.9mv和-7.6mv。但是，頂層硅膜極薄時，要求頂層硅膜中有恒定電荷，只有用超低能級離子注入才能達到恒定電荷，即，例如20nm厚的頂層硅膜中，用硼離子注入，要求能級低于500ev，用磷離子注入時，要求能級低于1kev。頂層硅膜厚度低于20nm處甚至更低的離子注入能級。
表1

表2

表3

用本發(fā)明方法，得出與系列13離子注入相關(guān)的最好結(jié)果，它的標準偏差是8nm。這是用第1離子注入步驟在能級為6kev注入硼離子，或在能級為20kev注入磷離子得到的結(jié)果。有頂層硅膜厚度分別為25nm、20nm和15nm的晶體管所計算出的閾值電壓分別是0.3159V、0.3178V和0.3174V。最厚膜和最薄膜的閾值電壓分別離正常晶體管的閾值電壓為1.9mv和0.4mv，如表3中黑體區(qū)所示。
如圖1中14所示，用附加的深離子注入能進一步提高閾值電壓均勻性。SOI晶片經(jīng)在能級為40kev、雜質(zhì)劑量為2.7×1010cm-2的砷第2離子注入。結(jié)果列在表2和3中的2II行中。有頂層硅膜厚度為25nm、20nm和15nm的MOS晶體管的閾值電壓分別是0.3190V、0.3190V和0.3177V。經(jīng)第2離子注入步驟能提高有頂層硅膜的晶體管的較厚部分的閾值電壓。具有從15nm變到25nm的厚度變化的SOI晶片的閾值電壓變化是1.3mv。本發(fā)明變化方法的優(yōu)點是，閾值電壓調(diào)節(jié)隨頂層硅膜厚度減少而增加。
已公開了超薄SOIMOS晶體管閾值電壓調(diào)節(jié)方法。顯然，在所附權(quán)利要求書界定的發(fā)明范圍內(nèi)還可以進行各種變化和改進。
權(quán)利要求
1.一種超薄SOIMOS晶體管閾值電壓調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟制備SOI襯底；SOI頂層硅膜厚度減薄到10nm至50nm；頂層硅膜上形成吸收層；和通過吸收層給頂層硅膜注入離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述的減薄是熱氧化處理減薄。
3.權(quán)利要求1的方法，其中，所述的形成吸收層包括形成從包括氧化硅和氮化硅材料組中得到的材料的層。
4.權(quán)利要求1的方法，其中，所述注入包括磷離子的第1注入步驟，劑量是1×1011至1×1013cm-2，能級為30kev至60kev。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，所述第1注入步驟包括在頂層硅膜中形成的離子濃度為5×1010至5×1013離子/cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，所述注入包括砷離子的第2注入步驟，劑量是5×109cm-2至1×1012/cm-2，能級是30kev至70kev。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，所述第2注入步驟包括在頂層硅膜中形成的離子濃度為0至5×1011離子/cm2。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，所述注入包括硼離子的第1注入步驟，劑量是1×1011至1×1013cm-2，能級為3kev至10kev。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，所述第1注入步驟包括在頂層硅膜中形成的離子濃度為1×1017至5×1018離子/cm2。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中，所述注入包括硼離子的第2注入步驟，劑量是5×109至1×1012cm-2，能級為5kev至15kev。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中，所述第2注入步驟包括在頂層硅膜中形成的濃度為1×109至2×1010離子/cm2。
12.一種超薄SOIMOS晶體管的閾值電壓調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟制備SOI襯底；SOI頂層硅膜厚度減薄到10nm至50nm；頂層硅膜上形成吸收層，包括形成從包括氧化硅和氮化硅的材料組中得到的材料的層；和通過吸收層給頂層硅膜注入離子，包括第1注入步驟和隨后的第2注入步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述的減薄包括用熱氧化處理減薄。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述第1注入步驟包括注入磷離子，劑量是1×1011至1×1013cm-2，能級為30kev至60kev，在頂層硅膜中形成的磷離子濃度是5×1010至5×1013離子/cm2。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述第2注入步驟包括注入砷離子，劑量是5×109cm-2至1×1012離子/cm-2，能級是30kev至70kev，在頂層硅膜中形成的砷離子濃度是0至5×1011離子/cm2。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述第1注入步驟包括硼離子注入，劑量是1×1011至1×1013cm-2，能級是3kev至10kev，在頂層硅膜中形成的硼離子濃度是1×1017至5×1018離子/cm2。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中，所述第2注入步驟包括硼離子注入，劑量是5×109至1×1012離子/cm-2，能級是5kev至15kev，在頂層硅膜中形成的硼離子濃度是1×109至2×1010離子/cm2。
18.一種超薄SOIMOS晶體管的閾值電壓調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟制備SOI襯底；SOI頂層硅膜厚度減薄到10nm至50nm；頂層硅膜上形成吸收層；和通過吸收層給頂層硅膜注入離子，包括第1注入步驟和隨后的第2注入步驟，其中，所述第1注入步驟包括注入從包括磷離子的注入離子組中得到的離子，劑量是1×1011至1×1013cm-2，能級為30kev至60kev，在頂層硅膜中形成的磷離子濃度是5×1010至5×1013離子/cm2；和注入從包括硼離子的注入離子組中得到的離子，劑量是1×1011至1×1013cm-2，能級為3kev至10kev，在頂層硅膜中形成的硼離子濃度是1×1017至5×1018離子/cm2；其中，所述第2注入步驟包括注入從包括砷離子的注入離子組中得到的離子，劑量是5×109cm-2至1×1012離子/cm-2，能級是30kev至70kev，在頂層硅膜中形成的砷離子濃度是0至5×1011離子/cm2；和注入從包括硼離子的注入離子組中得到的離子，劑量是5×109至1×1012離子/cm-2，能級是5kev至15kev，在頂層硅膜中形成的硼離子濃度是1×109至2×1010離子/cm2。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，所述的形成吸收層包括形成從包括氧化硅和氮化硅的材料組中得到的材料的層。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，所述減薄包括用熱氧化處理減薄。
全文摘要
超薄SOIMOS晶體管的閾值電壓調(diào)節(jié)方法，包括以下步驟制備SOI襯底；SOI頂層硅膜厚度減薄到約10nm至50nm；頂層硅膜上形成吸收層；和通過吸收層給頂層硅膜注入離子。
文檔編號H01L21/8238GK1411042SQ02151469
公開日2003年4月16日 申請日期2002年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月4日
發(fā)明者許勝籐 申請人:夏普公司