CN1209800C - 一种制备空洞层上的硅场效应晶体管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制备SON型场效应晶体管的新方法，包含以下步骤：(1)形成有源区；(2)利用氦或者氢氦联合注入经退火在有源区下面形成空洞层；(3)制备栅介质、栅电极、源漏扩展区、侧墙；(4)离子注入对源漏进行掺杂；(5)使源漏区体积膨胀填充源漏下方的空洞层；(6)完成后续步骤，直至SON器件制作完毕。本发明的制备方法中，利用了氦或者氢氦注入形成空洞技术和材料体积膨胀技术来自然形成SON器件结构，工艺简便，易于实现电路集成。同时可以和常规CMOS工艺完全兼容，便于移植到工业生产上，降低工艺复杂度，提高生产效率。
Description
技术领域：
本发明属于CMOS超大规模集成电路制造技术领域，尤其涉及空洞层上的硅(Silicon-On-Nothing，简称SON)场效应晶体管(MOSFET)的制备方法。
背景技术：
CMOS超大规模集成电路技术的发展要求MOSFET器件尺寸不断缩小，短沟效应(比如漏致势垒降低)造成器件的亚阈区泄漏电流增加，引起电路静态功耗增加，开关比减小。
针对器件亚阈区泄漏电流增加的问题，文献中已经提出了一些新结构器件来予以改善。根据ITRS2002年的预测，超薄体SOI，FinFET，垂直沟道器件，平面双栅器件是解决短沟效应的可替代结构。从工艺的兼容性和集成简便程度来看，超薄体SOI器件是目前最有可能实现工业化生产的器件结构。
超薄体SOI器件的结构特点是器件制备在三明治结构(硅膜/埋氧/衬底)的顶层硅膜中，其中硅膜的厚度远小于沟道耗尽区宽度。这样的结构使得源漏耗尽区和沟道耗尽区之间的电荷共享减小，能够有效抑制短沟效应；硅膜前后界面电势的耦合使得亚阈值斜率接近理想值。因此，超薄体SOI器件的亚阈区泄漏电流能够得到有效的抑制。
但是，超薄体SOI器件的劣势在于开态电流很小。因为其三明治结构中的埋氧不是热的良导体，器件工作在开态电流状态下时产生的焦耳热不容易散失，导致晶格散射增加，沟道迁移率下降，开态电流下降。同时，晶格热的增加也使得器件的可靠性降低。
因此保持超薄体的良好亚阈值特性和改善其散热性能之间存在着矛盾。文献1(Malgorzata Jurczak，Thomas Skotnicki，M.Paoli，B.Tormen，etc.，“Silicon-on-Nothing(SON)-an Innovative Process for Advanced CMOS”，IEEE Trans.Elec.Dev.，pp.2179，Vol.47，No.11，2000)针对这个矛盾，提出了一种仅仅将沟道区制备在空洞层上的所谓的SON器件结构，如图1所示。这种结构保持器件的超薄沟道在空洞层上，源漏和衬底连接。空洞层起到和超薄体SOI中埋氧的作用，因此可以保持良好的亚阈值特性，同时，源漏和衬底的直接连接为器件的散热提供良好的通路。根据文献2【S.Monfray，T.Skotnicki，Y.Morand，etc.，“First 80nm SON(Silicon-On-Nothing)MOSFETs with perfect morphology and high electrical performance”，IEDM，pp.645，2001】的实验研究，这种结构的性能优于体硅和SOI器件，在关态电流和开态电流之间能够达到良好的平衡。
在文献2【S.Monfray，T.Skotnicki，Y.Morand，etc.，“First 80nm SON(Silicon-On-Nothing)MOSFETs with perfect morphology and high electrical performance”，IEDM，pp.645，2001】中，SON器件的制备方法主要是利用选择性外延技术和横向腐蚀技术。其制备方案如下：
1、利用浅槽隔离技术形成有源区以后，在有源区上选择性外延SiGe层和Si层；
2、然后根据常规CMOS工艺制备直到LDD注入完成；
3、形成Si3N4和TEOS双层侧墙，Si3N4在侧墙内侧；
4、以侧墙为硬掩膜，自对准向下刻蚀源漏区，并保证SiGe层露出截面；
5、利用选择性横向腐蚀技术将SiGe层腐蚀掉，形成一个隐埋在沟道加侧墙下方的空洞层；
6、然后先后利用RTO/HTO二氧化硅和氮化硅填充空洞层；
7、各向异性刻蚀氮化硅，去掉源漏区上的氮化硅，仅仅保留空洞内的氮化硅；
8、利用HF将RTO/HTO二氧化硅层腐蚀干净，是的源漏扩展区露出；
9、利用选择性外延技术将露出的源漏部分外延上来，形成可引出接触的源漏区；
10、重掺杂形成源漏接触区，以后和常规CMOS工艺一样；
因为在这种工艺中采用了外延技术和选择性侧向腐蚀技术，而这两项技术和常规的CMOS工艺兼容性不好，因此应用于工业生产的集成简便程度和生产效率都比较差。
为了利用SON器件结构良好的电学性能，同时降低工艺复杂度，提高生产效率，提出一种和常规CMOS工艺完全兼容的制备方法是具有很大意义的。
发明内容：
本发明的目的是提供一种制备SON型场效应晶体管的新方法，该方法和常规CMOS工艺兼容，便于移植到工业生产上的器件制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种制备SON型场效应晶体管的方法，包含以下步骤：
(1)形成有源区；
(2)利用氦或者氢氦联合注入经退火在有源区下面形成空洞层；
(3)制备栅介质、栅电极、源漏扩展区、侧墙；
(4)离子注入对源漏进行掺杂；
(5)使源漏区体积膨胀填充源漏下方的空洞层；
(6)完成后续步骤，直至SON器件制作完毕。
所述的一种制备SON器件的方法，步骤(3)中源漏扩展区的制备是利用多晶硅固相扩散方法，可参见中国专利02146376.X，公开号为CN1416168A。
所述的一种制备SON器件的方法，步骤(5)采用的方法可以是：利用大剂量向源漏区注入重离子，将源漏区的硅破坏，造成非晶化区域，非晶化区域造成的体积膨胀可以将源漏下面的空洞层填充，使得空洞层上的硅层和下面的硅衬底直接连接，而栅结构和侧墙下面的空洞因为受到保护而保留下来，于是形成SON器件结构。所述重离子可以为As或者Si。
所述的一种制备SON器件的方法，步骤(5)采用的方法还可以是：在制备源漏接触区的硅化物的时候，使硅化物体积膨胀，吃透源漏下面的空洞，使得源漏接触区和衬底连接，而栅结构和侧墙下面的空洞因为受到保护而保留下来，于是形成SON器件结构。
本发明的制备方法中，利用了氦或者氢氦注入形成空洞技术和材料体积膨胀技术来自然形成SON器件结构，工艺简便，易于实现电路集成。在该方法中，关键技术是步骤(2)和步骤(5)，即氦或者氢氦联合注入形成空洞层技术和体积膨胀填充技术。其他步骤都可以采用常规的CMOS工艺完成，因而可以和常规CMOS工艺完全兼容，便于移植到工业生产上，降低工艺复杂度，提高生产效率。
本发明的方法中，氦或者氢氦联合注入形成空洞技术在半导体材料制备工艺中已经被广泛地应用。本发明进行了一些实验，证明该技术可以有效形成隐埋的空洞层。同时还进行了体积膨胀的实验，证明非晶化引起的体积膨胀确实可以填充源漏下方的空洞层。以下进行阐述。
1、氢氦注入形成空洞层实验
在P型体硅材料衬底上热生长一层2000的二氧化硅，作为屏蔽层先注入H2 +，然后注入He+。将样品在1180℃高温氮气环境中退火。然后去除二氧化硅层。样品的TEM照片显示，在硅层下能够形成连续分布，尺寸均匀，周缘没有应力的空洞层，如图2所示；在该空洞层上还进行了器件制备，电学测试表明，氢氦注入和高温退火过程对于空洞上的硅层的质量没有造成破坏，器件能够保持正常的电学特性，甚至优于常规体硅器件，如图3所示。电子衍射图象图4也表明，氢氦注入以后的硅层质量接近单晶。
2、重离子注入非晶化形成体积膨胀实验
在实验1的基础上，光刻形成一系列的台阶，台阶由多晶硅形成。然后以多晶硅为掩膜，自对准注入大剂量的As和Si，足以使单晶硅晶格被破坏，形成非晶化区域。TEM测试显示，被台阶掩蔽的区域没有受到非晶化的破坏，而露出的区域形成的非晶化引起了硅原子的迁移，使得隐埋的空洞层被明显填充，如图5所示。
硅化物的体积膨胀并没有进行实验验证，但是目前作为一项广泛应用成熟的技术，已经证明硅化物会造成严重的体积膨胀。这说明，体积膨胀技术是可行的。
以上的实验表明本发明提出的方法具有可靠的技术基础，是一种可行的SON器件制备方案。
附图说明：
图1为SON器件结构示意图，图中：
1-栅电极，2-栅介质，3-沟道区，4-侧墙，5-源漏扩展区，
6-源漏接触区，7-空洞层，即位于沟道和源漏扩展区下的局部埋层介质；
8-衬底。
图2为氢氦注入技术形成空洞的TEM照片。其中左侧是放大5万倍的透射电镜照片，右侧是放大8万倍的透射电镜照片。
图3为在氢氦注入形成的空洞层上制备的MOSFET电学性能和常规体硅MOSFET电学性能的对比。其中(a)为转移曲线对比，(b)为输出曲线对比。
图4为氢氦注入样品的电子衍射照片。
图5为Si离子注入引起的硅原子迁移导致的空洞填充现象。其中A为经过Si离子注入的空洞层，B为没有经过Si离子注入的空洞层，放大倍数为5万倍。
具体实施方式：
按照本发明的技术方案，一个具体的实施方案，在四英寸的硅片上进行，版图与普通MOSFET版图相同，如下：
1.干氧氧化300，LPCVD 1000氮化硅
2.光刻：有源区版
3.RIE刻蚀氮化硅，保留至少250二氧化硅
4.场注入：注入B+，能量为40keV，剂量为5×1014/cm2
5.去胶清洗
6.LOCOS氧化3500
7.1∶20 HF漂二氧化硅，然后用磷酸煮氮化硅
8.漂二氧化硅至有源区脱水
9.LPCVD 2400二氧化硅
10.在N2中840℃退火30分钟，使二氧化硅致密
11.光刻：氢氦注入版，光刻胶厚度超过2μm
12.注入H2 +，能量为60keV，剂量为4×1014/cm2
13.注入He+，能量为40keV，剂量为5×1016/cm2
14.去胶清洗
15.N2气氛中1180℃退火30分钟，形成空洞结构
16.RIE刻蚀二氧化硅，剩下350
17.调阈值注入：注入B+，能量为35keV，剂量为5×1013/cm2
18.漂二氧化硅至有源区脱水
19.干氧氧化300作为栅氧牺牲层，漂去至有源区脱水
20.栅氧化45
21.LPCVD多晶硅2500，注入P+，能量为60keV，剂量为1×1015/cm2
22.LPCVD氮化硅1000，接着LPCVD二氧化硅1000
23.溅射3000金属Cr
24.光刻：电子束标记版
25.湿法腐蚀Cr
26.去胶清洗
27.电子束曝光，光刻栅的细线条部分
28.RIE刻蚀1000二氧化硅，略过刻
29.去电子束胶
30.腐蚀Cr，然后用大量水冲洗
31.光刻：栅的大块部分
32.RIE刻蚀氮化硅1000，略过刻
33.漂二氧化硅，按1000
34.ICP刻蚀多晶硅2500，略过刻
35.去胶清洗
36.LPCVD二氧化硅200
37.RIE刻蚀二氧化硅200
38.LPCVD多晶硅1500
39.注入P+，能量为45keV，剂量为3×1016/cm2
40.RTP：N2气氛下1000℃快速退火8秒钟
41.ICP刻蚀多晶硅1500，刻净
42.煮氮化硅
43.LPCVD二氧化硅1000
44.RIE刻蚀二氧化硅1000，形成侧墙
45.注入Si原子，能量为70keV，剂量为6×1015/cm2，在源漏区填充空洞层
46.注入As+，能量为60keV，剂量为2×1015/cm2
47.N2中1000℃快速退火10秒钟，激活杂质
48.溅射150 Co，680℃退火20秒钟，腐蚀掉剩余的Co后，再用800℃退火20秒钟
49.LPCVD二氧化硅6000
50.光刻：引线空版
51.RIE刻蚀二氧化硅6000，再用BHF湿法腐蚀净，形成引线孔
52.去胶清洗
53.溅射50～700 Ti，1.0～1.2μm AlSi
54.光刻：金属引线版
55.RIE刻蚀Ti/AlSi
56.去胶清洗
57.合金化：N2+H2中430℃下退火30分钟
即制得SON器件。
上述方法中，步骤36-41可以参见中国专利申请02146376.X，公开号为CN1416168A。
Claims (3)
1.一种制备空洞层上的硅场效应晶体管的方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)形成有源区；
(2)利用氦或者氢氦联合注入经退火在有源区下面形成空洞层；
(3)制备栅介质、栅电极、源漏扩展区、侧墙；
(4)离子注入对源漏进行掺杂；
(5)利用大剂量向源漏区注入重离子的方法使源漏区体积膨胀填充源漏下方的空洞层；
(6)完成后续步骤，直至空洞层上的硅器件制作完毕。
2.如权利要求1所述的制备空洞层上的硅场效应晶体管的方法，其特征在于，所述源漏扩展区的制备是利用多晶硅固相扩散方法。
3.如权利要求1所述的制备空洞层上的硅场效应晶体管的方法，其特征在于，所述重离子为As或者Si。
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