專利名稱：用于使用犧牲的注入層形成非無定形超薄半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體器件處理，并且，更具體地涉及使用犧牲的注入層形成非無定形超薄半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
在硅襯底內(nèi)形成超淺p+和n+摻雜區(qū)是在集成電路內(nèi)使用的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管及其他半導(dǎo)體器件的制造中的決定性步驟。MOS晶體管不斷減少的尺寸要求晶體管的所有橫向和垂直尺寸都縮減。在傳統(tǒng)的按比例縮放方案中，結(jié)的深度與柵長度線性地按比例縮放，該結(jié)形成MOS晶體管的源和漏區(qū)。因此，在目前的半導(dǎo)體制造業(yè)中需要具有適當(dāng)?shù)氐捅砻骐娮璧膒+和n+區(qū)的淺結(jié)。
在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造法中，淺結(jié)可以由離子注入繼之以退火，如快速熱退火(RTA)，而形成。此技術(shù)的可靠性在該技術(shù)中已知可以低至300到400埃的結(jié)深度。制造兼?zhèn)湫∮?00或400埃的結(jié)深度和適當(dāng)?shù)氐捅砻骐娮璧膿诫s區(qū)的任務(wù)是更大的挑戰(zhàn)。完成此任務(wù)對于通過硼的注入和擴(kuò)散特性實(shí)現(xiàn)p-型淺摻雜區(qū)尤其困難。在這方面重要的問題包括控制摻雜劑溝道、減少熱擴(kuò)散、和抑制暫時(shí)增強(qiáng)的擴(kuò)散，特別是在硼和磷的情況下。而且以低的表面電阻的淺區(qū)(即，以高雜質(zhì)濃度)僅能實(shí)現(xiàn)良好的器件性能。按比例縮放已經(jīng)趨向于在保持總摻雜劑水平大體上恒定的同時(shí)降低離子注入能量，并且通過引入快速熱退火和電火花退火，在不顯著地惡化摻雜劑激活水平的情形下降低熱聚積。
傳統(tǒng)的按比例縮放預(yù)計(jì)在300至400埃的結(jié)深度以下變得困難，尤其對于p+結(jié)。制造大電流、低能量離子注入束的技術(shù)困難可以通過利用等離子體摻雜(換句話說稱作等離子體浸入離子注入)來減輕。也已經(jīng)考慮完全避免注入的替換處理工藝。這種工藝的例子包括快速熱汽相摻雜、氣體浸入激光摻雜、和固態(tài)熱擴(kuò)散，如從BSG(硅酸硼玻璃)、PSG(磷硅玻璃)、或ASG(砷硅玻璃)薄膜進(jìn)行。然而，所有這些工藝在可制造性方面面臨著一個(gè)或多個(gè)問題。
在制造超薄絕緣體上硅(SOI)器件(例如，SOI厚度＜100埃)或鰭場效應(yīng)晶體管(FinFETs)(例如，厚度＜200埃)時(shí)，也應(yīng)當(dāng)小心，以便該器件的硅不會由于擴(kuò)展和暈圈注入工藝無定形化。如果一直到掩埋氧化物(BOX)區(qū)的底部硅被無定形化，則在形成多晶硅時(shí)可能″再生長″(在退火之后)。另外，這種再生長也將會產(chǎn)生堆垛層錯(cuò)，從而可能使該器件短路。
在傳統(tǒng)的厚的硅結(jié)構(gòu)中，大劑量注入用來制造低電阻硅源/漏(S/D)擴(kuò)展，并且無定形化的硅從在無定形化前端的硅晶格開始再生長。然而，直接地在超薄硅結(jié)構(gòu)的前述大劑量注入完全使硅層無定形化，導(dǎo)致外延硅不良的固相再生長，因?yàn)椴淮嬖诒Ａ舻哪０濉Ｒ话愕?，該硅再生長成為多晶硅，或多個(gè)晶粒，而不是一個(gè)連續(xù)的晶體。該多晶硅將具有比再生長的單晶硅更高的表面電阻，并且器件將經(jīng)受低Ion。
為了防止完全的無定形化，一種可能的方法包括在薄SOI頂部上淀積未摻雜的氧化物，其后通過該氧化物注入并進(jìn)入該薄膜。然而，在除去硅中的無定形化時(shí)，在注入步驟之后大部分摻雜劑將留在氧化物中。因此，期望能夠在硅中引入所需濃度的摻雜劑用于擴(kuò)展和暈圈形成，而沒有在工藝中使硅無定形化。

發(fā)明內(nèi)容
上述論述的先有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足通過一種用于形成半導(dǎo)體器件的方法來克服或減輕。在示例性的實(shí)施例中，該方法包括在單晶襯底上方限定犧牲層。以防止單晶襯底基本上無定形化的方式采用摻雜劑物質(zhì)對該犧牲層注入。對該犧牲層退火，以便驅(qū)使所述摻雜劑物質(zhì)從所述犧牲層進(jìn)入所述單晶襯底。


參照示例性的附圖，其中類似的要素以同樣的方式編號，在圖中圖1-11說明按照本發(fā)明的一種實(shí)施方式的用于利用犧牲的注入層形成非無定形、超薄半導(dǎo)體器件的方法的示例性處理順序的截面圖。
具體實(shí)施例方式
近來發(fā)現(xiàn)，在氧化物層內(nèi)注入的砷(As)在小的熱退火聚積時(shí)從該氧化物層中完全擴(kuò)散出來，而不管摻雜劑濃度的主體是否在注入步驟后位于氧化物層內(nèi)。對于BF2摻雜劑也已經(jīng)觀察到類似的現(xiàn)象。例如，如果1keV的砷注入被施加到單晶硅上的35埃的氧化物層，則置于下面的硅基本上沒有無定形化。此外、已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的砷摻雜劑在隨后的退火步驟期間從氧化物層中擴(kuò)散出來。因此、該技術(shù)可被用作用于產(chǎn)生低電阻源/漏(S/D)擴(kuò)展結(jié)的基礎(chǔ)，而不會使硅無定形化。
對于采用S/D擴(kuò)展形成的情形，薄SOI器件也可能在暈圈注入步驟期間被完全地?zé)o定形化。這尤其可能發(fā)生在PFET暈圈注入期間，該注入通常是砷或銻注入。在大約1×1014原子/cm2的劑量下砷開始使硅無定形化，而在大約5×1013原子/cm2，銻(Sb)開始無定形化。此外、砷暈圈注入在高能量例如在50kev下進(jìn)行。如果該劑量超過無定形化閾值，那么獲得的無定形層的深度將是大約500埃，這對于薄SOI器件是不能接受的。隨著器件按比例縮小，情況變得更糟，因?yàn)閷τ谖磥硪淮夹g(shù)，硅厚度將減小，并且暈圈劑量將增大。
因此，為了防止通過暈圈注入無定形化，可以適用利用犧牲的摻雜劑層的相同原理。也就是說暈圈注入可能在薄氧化物層內(nèi)執(zhí)行，其后擴(kuò)散出來。然而，對于這類注入，在氧化物層中產(chǎn)生的注入損害程度可能不足以促進(jìn)隨后的摻雜劑從氧化物中擴(kuò)散出來而進(jìn)入硅。因此，中性損害產(chǎn)生物質(zhì)(例如，如Si、Ge乃至稀有氣體)也可以被注入到氧化物中以產(chǎn)生更大的損害。也可以注入來進(jìn)一步促進(jìn)其從氧化物層擴(kuò)散出來的其他物質(zhì)包括但是不局限于氟(F)和銦(In)。
產(chǎn)生于自氧化物層的暈圈/擴(kuò)展注入的擴(kuò)散的另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是暈圈/擴(kuò)展將會更急劇。特別是，采用該方法獲得的暈圈輪廓與高能量注入的暈圈相比將具有低得多的標(biāo)準(zhǔn)偏差，因?yàn)閬碜宰⑷氲难由鞂⒈幌?。這反過來將減少短溝道效應(yīng)并允許器件更進(jìn)一步的按比例縮放。
在完全耗盡的器件(這發(fā)生在硅厚度減少到低于200-300埃時(shí))，暈圈輪廓在標(biāo)稱的溝道長度完全耗盡。由于耗盡的電荷量取決于硅厚度，因此薄Si器件的閾值電壓對硅厚度敏感。這種情形的發(fā)生是因?yàn)樵谳^厚的硅中比在較薄的硅中暈圈注入設(shè)置更大的劑量。而且，隨著硅變薄，硅厚度橫越晶片(尤其對于300mm的晶片)的變動增加。只要擴(kuò)散距離小于最小的硅厚度，來自注入氧化物的摻雜對硅厚度的閾值敏感度降低。
因此，按照本發(fā)明的一種實(shí)施方式，公開了一種利用犧牲的注入層形成非無定形超薄半導(dǎo)體器件的方法。更具體地，可以執(zhí)行本方法，用于為超薄半導(dǎo)體(例如硅、鍺等)器件制造低電阻的S/D擴(kuò)展區(qū)。本方法進(jìn)一步用于為暈圈注入提供摻雜均勻控制，從而產(chǎn)生改善的電壓閾值(Vt)特性和短溝道效應(yīng)控制。
簡而言之，在標(biāo)準(zhǔn)柵電極形成、隔離物淀積和刻蝕步驟之后，各個(gè)器件的暈圈和擴(kuò)展區(qū)被薄犧牲材料(如通過氧化襯底形成的二氧化硅或其他適當(dāng)?shù)牡矸e或生長材料)覆蓋。然后，在光致抗蝕掩膜和低能量中打開用于摻雜的適當(dāng)?shù)膮^(qū)域，淺離子注入將受控制劑量的摻雜劑引入覆蓋的犧牲薄膜。除去該光掩模并再應(yīng)用于相反類型的摻雜劑(n或p)。然后采用退火程序以驅(qū)使摻雜劑從犧牲層(例如氧化物)進(jìn)入半導(dǎo)體材料。如果要求暈圈注入工藝，則應(yīng)在擴(kuò)展處理之前進(jìn)行。然后可以按照器件復(fù)雜性需要多次執(zhí)行該程序。
現(xiàn)在一般地參看圖1-11，顯示了利用本方法的示例性的處理程序的截面圖。雖然圖中描述在絕緣體上硅襯底上形成FET器件，但將理解該方法也可能被應(yīng)用于其他類型的器件，其中要求注入摻雜劑物質(zhì)到襯底中而沒有在晶體襯底中產(chǎn)生無定形區(qū)。如圖1所示，包括柵電介質(zhì)102和柵104的圖案化的柵疊層100形成在薄的單晶結(jié)構(gòu)襯底106如SOI襯底上。然而，再一次地，襯底106可以是任何適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體材料，例如，諸如硅，鍺或其組合。例如此起始結(jié)構(gòu)可以是SOI器件或FinFET。然后，如圖2所示，在襯底106和柵疊層100上方形成犧牲層108。
如果該襯底106是硅，該犧牲層108可能包括生長(或淀積)到大約15-100埃示例性厚度的薄氧化物層。除了氧化物層，犧牲層108也可以是例如通過在本技術(shù)領(lǐng)域可用的機(jī)制形成的氮化物薄膜、氮氧化合物薄膜或其他電介質(zhì)膜，機(jī)制諸如熱氧化、化學(xué)氣相淀積(CVD)、等離子增強(qiáng)的CVD(PECVD)和高密度等離子體(HDP)CVD。不管所用的材料類型如何，一旦犧牲層材料通過注入用摻雜劑物質(zhì)摻雜，則它將變成用于擴(kuò)散的固體源。
圖3說明暈圈注入進(jìn)入犧牲層108中。對于如此注入，選擇注入能量以便輸送大多數(shù)劑量進(jìn)入犧牲層108中，從而最小化通過犧牲層108注入的劑量以防止半導(dǎo)體襯底106中的晶體損傷。該器件最初被圖案化用于n型或p型注入，然后圖案被反轉(zhuǎn)用于另一個(gè)極性摻雜劑的注入。在犧牲層內(nèi)摻雜劑劑量的濃度在圖3中通過曲線來圖示，曲線反映了峰值摻雜及濃度大約在犧牲層厚度的中間處。
如同以前解釋的那樣，在某些情形中，用于暈圈注入的摻雜劑注入劑量可能未對犧牲層108(例如氧化物層)提供足夠的損害。因此，圖4說明附加的注入步驟，其中惰性物質(zhì)(諸如Si或Ge)也被注入到該犧牲層108中。然后，在圖5中，摻雜的犧牲層108被退火以便促進(jìn)摻雜劑物質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入單晶襯底106以產(chǎn)生暈圈區(qū)110。為了適當(dāng)?shù)囟ㄎ粫炄^(qū)110，退火步驟比擴(kuò)展退火時(shí)間更長，溫度更高。
參照圖6，示出了可選的擴(kuò)展隔離物112的形成，該隔離物可以用于實(shí)現(xiàn)以疊加電容和電阻為特征的適當(dāng)器件。隔離物112的厚度將由器件需求決定。然而，對于某些退火程序(例如對于NFET形成)，該隔離物可能不需要。無論如何，擴(kuò)展注入如圖7所示，其中用于暈圈注入擴(kuò)散源的相同犧牲層108也可以用于擴(kuò)展注入。與暈圈注入的情況一樣，采用適合于將大多數(shù)摻雜劑劑量定位在犧牲層108中的能量注入用于擴(kuò)展區(qū)的摻雜劑，優(yōu)選地采用小于大約5×1014原子/cm2的劑量，更深地遷移到置于襯底106的下面的半導(dǎo)體材料中。PFET擴(kuò)展注入被掩蔽以避開NFET區(qū)，反之亦然，從而執(zhí)行兩次注入工藝以提供NFET和PFET擴(kuò)展。然后，如圖8所示，從犧牲層108驅(qū)使該擴(kuò)展摻雜劑材料進(jìn)入襯底106，如114表示的那樣。單個(gè)退火步驟可用于驅(qū)使n和p型擴(kuò)展。
一旦該暈圈和擴(kuò)展注入按照非無定形的方式完成，可以按照常規(guī)處理技術(shù)繼續(xù)器件制造。在圖9中，源/漏隔離物116(例如，由氮化物材料形成)用來分隔源/漏摻雜劑/注入和柵邊緣。這在保持源/漏區(qū)用于電接觸的同時(shí)保持器件受擴(kuò)展和暈圈摻雜輪廓控制。在圖10中，除去犧牲層108的暴露部分，并通過例如選擇性外延生長采用額外的硅(或其它半導(dǎo)體)材料118增厚源/漏區(qū)。這為隨后的硅化物形成提供了一個(gè)區(qū)域，而沒有損失所有的先前注入的摻雜劑。柵104也可以采用額外的摻雜多晶硅材料來增厚，同樣如圖10所示。最后，對于NFET和PFET器件，圖案化S/D注入，然后在形成硅化物區(qū)120之前退火。
正如將理解的那樣，通過形成高度摻雜的、低電阻的S/D擴(kuò)展已經(jīng)克服了上述在超薄半導(dǎo)體構(gòu)造中的傳統(tǒng)器件制造問題(即直接向硅晶體中離子注入)，而沒有無定形化注入的有害效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)用于器件暈圈注入時(shí)，本方法產(chǎn)生更陡峭的摻雜輪廓，比采用傳統(tǒng)的注入摻雜所獲得的短溝道效應(yīng)(SCE)器件特性更佳。通過更精確的暈圈形狀和電阻導(dǎo)致的芯片各個(gè)器件內(nèi)的Vt變化減小，也將增強(qiáng)器件操作。
盡管類似于從諸如摻雜的多晶硅或BSG的固體源進(jìn)行的擴(kuò)散，但利用與薄半導(dǎo)體層直接接觸的薄犧牲層(諸如氧化物層)以便將其中注入的摻雜劑擴(kuò)散到下面的半導(dǎo)體材料中使得在現(xiàn)有的工藝中集成簡單多了。例如，注入位置的掩蔽對于注入相對容易，而對于CVD薄膜相對困難。同樣，摻雜劑的量和擴(kuò)散的深度可以采用注入劑量和退火方法更好地控制。通過除去半導(dǎo)體中的無定形層，該材料保留晶態(tài)，并在通過擴(kuò)散物質(zhì)重?fù)诫s時(shí)將具有低電阻。不采用該方法，超薄器件材料將完全地?zé)o定形化并再生長成為高電阻率、多晶粒的材料，產(chǎn)生不良的器件特性(例如Ion/Ioff比)。
暈圈注入用來控制器件Vt和短溝道效應(yīng)。在超薄器件中，該暈圈注入也可能無定形化材料，導(dǎo)致不良的電阻和漏電的結(jié)。通過利用對于暈圈形成從注入的犧牲層進(jìn)行擴(kuò)散的該方法，摻雜輪廓將比注入的情形下更陡峭，并且將更均勻，導(dǎo)致改善的短溝道效應(yīng)。由于制造困難，半導(dǎo)體層的厚度可以變化較大的量(例如在20納米薄膜中±5納米)，這影響器件的Vt控制。利用氧化擴(kuò)散的暈圈將提供與層厚度無關(guān)的暈圈分布，從而改善來自層厚度的器件Vt均勻性。．雖然已經(jīng)參考優(yōu)選的一個(gè)實(shí)施方案或多個(gè)實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域的人員將理解可以進(jìn)行各種變化，并且等價(jià)物可以代替其要素，而不背離本發(fā)明的范圍。另外，對本發(fā)明的教導(dǎo)可以進(jìn)行許多修改以適應(yīng)特定的情形或材料，而不背離其實(shí)質(zhì)的范圍。因此，希望本發(fā)明不限于作為用于執(zhí)行此發(fā)明構(gòu)思的最佳方式公開的特定實(shí)施方式，本發(fā)明將包括落在附加的權(quán)利要求書的范圍中的所有實(shí)施方式。
工業(yè)實(shí)用性本公開在半導(dǎo)體器件處理領(lǐng)域、特別是在通過摻雜劑注入操作形成具有未受損傷的(非無定形化)的硅區(qū)的超薄半導(dǎo)體器件的領(lǐng)域具有工業(yè)實(shí)用性。
權(quán)利要求
1.一種用于形成半導(dǎo)體器件的方法，該方法包括在單晶襯底(106)上方限定犧牲層(108)；以防止所述單晶襯底(106)基本上無定形化的方式采用摻雜劑物質(zhì)對所述犧牲層(108)注入；和對所述犧牲層(108)退火以便驅(qū)使所述摻雜劑物質(zhì)從所述犧牲層(108)進(jìn)入所述單晶襯底(106)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述犧牲層(108)是介質(zhì)層，進(jìn)一步包括以下至少一種氧化物層、氮化物層、和氮氧化合物層。
3.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括形成暈圈注入，其中，除了所述摻雜劑物質(zhì)，在對所述犧牲層(108)退火之前，采用損傷產(chǎn)生物質(zhì)進(jìn)一步對所述犧牲層(108)注入。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述損傷產(chǎn)生物質(zhì)進(jìn)一步包括以下至少一種硅、鍺、銦、氟和稀有氣體。
5.權(quán)利要求3的方法，進(jìn)一步包括利用所述犧牲層(108)形成擴(kuò)展注入。
6.權(quán)利要求5的方法，其中用于所述暈圈注入的退火在比所述擴(kuò)展注入更高的溫度下執(zhí)行更大的持續(xù)時(shí)間。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述犧牲層(108)進(jìn)一步包括形成在硅襯底上方的氧化物層，所述氧化物層被形成為大約15到大約100埃的厚度。
8.權(quán)利要求7的方法，其中選擇所述摻雜劑物質(zhì)的注入能量以便將所述摻雜劑物質(zhì)的峰值濃度定位在所述氧化物層的大約中間處。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述單晶襯底進(jìn)一步包括絕緣體上硅(SOI)器件的硅區(qū)，該硅區(qū)具有小于大約100埃的硅厚度。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述單晶襯底進(jìn)一步包括場效應(yīng)晶體管(FET)器件的硅區(qū)，該硅區(qū)具有小于大約200埃的厚度。
11.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在形成在所述單晶襯底(106)上的圖案化的柵疊層(100)上方限定所述犧牲層(108)；通過對所述犧牲層(108)注入和對所述犧牲層(108)退火而形成暈圈注入；和通過對所述犧牲層(108)的額外的注入和退火而形成擴(kuò)展注入。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述犧牲層(108)是介質(zhì)層，該介質(zhì)層進(jìn)一步包括以下至少一種氧化物層、氮化物層、和氮氧化合物層。
13.權(quán)利要求12的方法，其中，在形成所述暈圈注入期間，除了所述摻雜劑物質(zhì)，在對所述犧牲層(108)退火之前，采用損傷產(chǎn)生物質(zhì)進(jìn)一步對所述犧牲層(108)注入。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述損傷產(chǎn)生物質(zhì)進(jìn)一步包括以下至少一種硅、鍺、銦、氟和稀有氣體。
15.利要求13的方法，其中用于所述暈圈注入的退火在比所述擴(kuò)展注入更高的溫度下執(zhí)行更長的持續(xù)時(shí)間。
16.權(quán)利要求12的方法，其中所述犧牲層(108)進(jìn)一步包括形成在硅襯底上方的氧化物層，所述氧化物層被形成為大約15到大約100埃的厚度。
17.利要求16的方法，其中選擇所述摻雜劑物質(zhì)的注入能量以便將所述摻雜劑物質(zhì)的峰值濃度定位在所述氧化物層的大約中間處。
18.權(quán)利要求11的方法，其中所述單晶襯底進(jìn)一步包括絕緣體上硅(SOI)器件的硅區(qū)，該硅區(qū)具有小于大約100埃的硅厚度。
19.權(quán)利要求11的方法，其中所述單晶襯底進(jìn)一步包括場效應(yīng)晶體管(FET)器件的硅區(qū)，該硅區(qū)具有小于大約200埃的厚度。
20.權(quán)利要求11的方法，其中所述摻雜劑物質(zhì)包括以下至少一種砷(As)、磷(P)、銻(Sb)、硼(B)和硼氟(BF2)。
全文摘要
一種用于形成半導(dǎo)體器件的方法，包括在單晶襯底(106)上方限定犧牲層(108)。以防止該單晶襯底(106)基本上無定形化的方式采用摻雜劑物質(zhì)對該犧牲層(108)注入。對該犧牲層(108)退火以便驅(qū)使所述摻雜劑物質(zhì)從所述犧牲層(108)進(jìn)入所述單晶襯底(106)。
文檔編號H01L21/8242GK1879210SQ200380110785
公開日2006年12月13日 申請日期2003年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月4日
發(fā)明者奧馬爾·H·多庫馬西, 保羅·郎西姆 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司