CN100587928C - 一种son型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SON型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法，其包含步骤：利用温度为200～250℃的氖离子二次不同能量大束流低温注入，先形成两层气泡带，进行退火处理后在有源区下面形成空洞层；去除浅槽隔离(STI)上的氮化硅侧墙，用常规CMOS工艺制作MOSFET器件。本发明由于采用了低剂量氖离子注入，能产生更高密度的气泡，并采取两次不同能量低温注入形成两层气泡带，退火后这两层气泡带相互作用合并成为高致密度单层空洞，由此形成带有散热通道的超浅结SON器件结构，其工艺简单，成本低廉，其大部分步骤采用常规CMOS工艺完成，便于大规模集成电路工业生产，并且降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及超大规模集成电路制造技术领域，特别涉及的是一种有硅作为散热通道的SON(Silicon-On-Nothing)型金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)器件的制备方法。
背景技术
为了提高集成电路芯片的性能和性能价格比，缩小器件特征尺寸从而提高集成度是一个主要的途径。但随着器件体积的缩小，功耗与漏电流成为最关注的问题。绝缘体上硅SOI(Silicon-On-Insulator)结构因能很好地抑制短沟效应，并提高器件按比例缩小的能力，已成为深亚微米MOS器件的优选结构。
随着SOI技术的不断发展，现有技术文献中电子器件第147卷2000年第11期第2179页，由Malgorzata Jurcazak，Thomas Skotnicki，M.Paoli，B.Tormen等人(SON-一种高级CMOS的创新工艺；Silicon-on-Nothing-anInnovative Process for Advanced CMOS，IEEE Trans.Elec.Dev.，pp.2179，vol47，No 11，2000)提出了一种将沟道区制备在空洞层上的新型SOI器件-SON(Silicon-On-Nothing)器件结构。
SON(Silicon-On-Nothing)是一项由CEA-LETI和ST意法半导体公司为亚90纳米CMOS发展起来的高级技术，SON通过“空洞”结构在沟道下形成局域的绝缘体上硅，采用择优腐蚀薄外延SiGe层，在栅下形成空洞，空洞可以是空气间隙或者填充氧化物。
SON(Silicon-on-Nothing)技术是降低SOI器件短沟等效应的一种方法，与SOl器件相比，SON MOS器件由于埋介质层介电常数的减小，大大减小了埋氧二维电场效应的影响，DIBL效应可以大大降低，而且可以通过控制硅膜厚度和埋介质层厚度，得到很好的短沟特性，可以获得较为陡直的亚阈值斜率，同时可以改善SOI器件的自加热效应，被认为是代替SOI技术的一个首选结构。
制备SON器件最关键的问题是如何制备空洞层。已经有文献报道了用氦(He)离子注入附加退火或者氢-氦(H-He)离子联合注入附加退火的方法制备SON器件。根据2006年国际半导体技术蓝图ITRS(InternationalTechnology Roadmap of Semiconductor)预测，对CMOS或SOI CMOS器件65nm和45nm技术要求离子注入后的超浅结深分别为15nm和9.5nm。
为符合超浅结深的要求，必须减小离子注入能量(1keV以下)。然而，低能量离子注入会增加离子束发散程度，降低生产效率，因此低能离子注入成为一个难题；同时，氦(He)和氢(H)均为质量很轻的离子，离子注入射程较远，很难控制和获得超浅结深。另外，用氦(He)注入单晶硅(Si)形成空腔必须使用很高的剂量(通常大于1016cm-2)，且氦(He)气在中国属于稀缺资源，价格成本较高。故上述现有技术无法真正应用到目前的超大规模集成电路制造工艺中。
为了实现SON器件结构在集成电路制造领域的广泛应用，降低工艺难度和成本，提出一种低成本超浅结低剂量离子注入来获得有良好散热通道和高绝缘性能空洞层的SON场效应晶体管，并能与常规CMOS工艺完全兼容的方法是具有非常重要意义的。
现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SON型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法，实现一种低成本超浅结低剂量离子注入来获得有良好散热通道和高绝缘性能空洞层的SON场效应晶体管，并能与常规CMOS工艺完全兼容，便于大规模生产应用。
本发明的技术方案如下：
一种SON型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法，其包含以下步骤：
A、在P型硅衬底上热氧化生成二氧化硅掩蔽层，淀积氮化硅作为化学机械抛光停止层，光刻后形成浅槽隔离绝缘层窗口；
B、淀积填充二氧化硅，化学机械抛光到氮化硅层停止；
C、漂洗氮化硅，得到浅槽隔离绝缘层二氧化硅；
D、在浅槽隔离绝缘层上淀积氮化硅；
E、对淀积的氮化硅层进行大面积回刻，即只在垂直面进行刻蚀，没有水平面的横向刻蚀；
F、利用不同能量的束流为60～200μA cm-2，温度为200～250℃的氖离子进行二次注入，形成两层气泡带，之后进行高温退火处理，同时使所述两层气泡带合并长大，在有源区下面形成单层空洞层；所述高温退火的过程包括：
F1、在快速立式退火炉中，以500℃保温30分钟，退火在含2％～10％氢气的氢气/氮气混合气氛中进行；
F2、以100℃/分升温速率快速升到1100～1200℃，退火在含2％～10％氢气的氢气/氮气混合气氛中进行；
G、去除氮化硅侧墙，用常规CMOS工艺制作MOSFET器件。
所述的制备方法，其中，所述步骤F中是在含氢气和氮气的混合气体中进行高温退火的。
所述的制备方法，其中，所述步骤E还包括以下步骤：
E1、采取回刻工艺对淀积的这层氮化硅层进行大面积刻蚀，形成浅槽隔离绝缘层侧墙；
E2、在浅槽隔离绝缘层侧墙保护下进行氖离子注入，被保护处没有氖离子注入，其下方保留硅作为散热通道。
所述的制备方法，其中，所述步骤F的二次不同能量低温注入中第一次为：氖离子能量为70keV，剂量为2.0×1015/cm2～1.0×1016/cm2，注入温度为200～250℃，束流60～200μA cm-2。
所述的制备方法，其中，所述步骤F的二次不同能量低温注入中第二次为：氖离子能量为27.5keV，剂量为5.0×1015/cm2～5.0×1016/cm2，注入温度为200～250℃，束流60～200μA cm-2。
本发明所提供的一种SON型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法，由于采用氖(Ne)离子能产生更高密度的气泡，并采取两次注入形成两层气泡带，高温退火后这两层气泡带相互作用合并成为单层空洞，由此形成超浅结SON器件结构，其工艺简单，成本低廉，其大部分步骤都可以采用常规CMOS工艺完成，从而便于大规模集成电路工业生产，并且降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明SON型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法中形成浅槽隔离绝缘层(STI)窗口后的剖面示意图；
图2为本发明方法在化学机械抛光(CMP)后的剖面示意图；
图3为本发明方法在漂洗氮化硅后剖面示意图；
图4为本发明方法在淀积氮化硅后的剖面示意图；
图5为本发明方法在对淀积的氮化硅层进行回刻后的剖面示意图；
图6为本发明方法形成空洞层后的剖面示意图；
图7为本发明方法生产完成的场效应管器件剖面示意图。
具体实施方式
以下对本发明的较佳实施例加以详细说明。
本发明的SON(Silicon-On-Nothing)型金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)器件的制备方法中，由于采用了低成本的氖离子两次不同能量注入形成空洞的技术得到高绝缘性能的空洞层，在硅衬底内有散热通道，进而改进SON器件结构的缺陷，同时和常规CMOS工艺完全兼容，工艺简单，便于大规模集成电路工业生产，降低生产成本。
本发明SON型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法中，由于气体离子注入硅片中形成空洞层的性能取决于空洞层中的气泡密度，本发明使用氖(Ne)离子能产生更高密度的气泡，并采取两次注入形成两层气泡带，这样高温退火后这两层气泡带相互作用合并成单层空洞；在本发明方法中，关键技术是采用氖离子注入形成两层气泡带，高温退火后得到具有高密度气泡的单层空洞层技术，其他步骤都可以采用常规CMOS工艺完成，从而本发明便于大规模集成电路工业生产，降低生产成本。
本发明的低成本制备SON型场效应晶体管的方法，主要包括以下步骤：
首先在P型硅衬底1上热氧化生成二氧化硅掩蔽层2，淀积氮化硅3作为化学机械抛光(CMP)停止层，光刻后形成浅槽隔离绝缘层(STI)窗口4，如图1所示；然后淀积填充二氧化硅5，并进行化学机械抛光(CMP)至氮化硅层3，如图2所示；然后漂洗氮化硅3，得到浅槽隔离绝缘层(STI)二氧化硅5，如图3所示；在浅槽隔离绝缘层(STI)二氧化硅5上淀积氮化硅6，见图4所示；对淀积的氮化硅层6进行大面积回刻，即只在垂直面进行刻蚀，没有水平面的横向刻蚀，见图5所示，在所述浅槽隔离绝缘层(STI)二氧化硅5之间和表面层的氮化硅层已经被刻蚀掉；然后利用氖离子7进行二次不同能量的大束流低温注入，并在含氢气/氮气(H2/N2)混合气体中进行高温退火，从而在有源区下面形成空洞层8，见图6所示；去除氮化硅侧墙6，然后用常规CMOS工艺制作MOSFET器件即可，本发明的SON MOSFET器件结构见图7所示，其中漏区9和源区10设置在栅电极14两侧，栅电极14表层为氮化硅侧墙12，在栅电极14与漏区9、源区10之间分别为轻掺杂漏(LDD)区11，并在所述栅电极14上形成栅氧介质13。
本发明制备方法中实现了完全自对准技术，各向异性等离子刻蚀对淀积的氮化硅层进行大面积回刻，即只在垂直方向进行刻蚀没有水平的横向刻蚀，形成浅槽隔离绝缘层(STI)侧墙。在STI侧墙保护下进行氖(Ne)离子注入，被保护处氖(Ne)离子无法注入，故其下方不形成空洞，仍保留了硅，由空洞层自加热效应产生的热量可通过STI侧墙下的硅进行散热。由于硅的热导率远比空气和二氧化硅高，其在SON器件内形成了良好的散热通道。
需说明的是，本发明方法中形成空洞层的过程，采取了两次不同能量低温注入、先形成二层气泡带、高温退火后合并长大成单层空洞的方法，其初始能量设定要求注入后能够分别形成二层分离的气泡带，高温退火后第一次高能注入深处的气泡带移动至第二次低能注入形成的气泡带位置，由此合并长大形成单层空洞层。本发明制备方法中，其空洞密度是同等剂量单次注入的空洞密度的100倍，从而极大的改善了空洞层的绝缘性能。
本发明SON型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法的具体实施步骤包括：
A、P型(100)硅片清洗；
B、热氧化生长约10nm厚二氧化硅作为氮化硅应力缓冲层及离子注入掩蔽层；
C、低压化学气相淀积(LPCVD)淀积80～150nm氮化硅；
D、光刻得到STI浅槽隔离绝缘层窗口；
E、采用CF4/O2反应离子刻蚀(RIE)干法刻蚀将曝光处的宽度为40～80nm氮化硅薄膜及硅刻蚀掉，形成深度为大约320～370nm的STI浅槽隔离绝缘层；
F、去除光刻胶，清洗；
G、在STI浅槽的侧壁和底部热生长一层10～20nm的二氧化硅衬垫；
H、CVD淀积0.5～1.0μm厚的二氧化硅填充沟槽；
I、化学机械抛光(CMP)对淀积的二氧化硅层进行研磨抛光的平坦化处理，氮化硅层作为CMP工艺的停止层；
J、用热磷酸腐蚀去除氮化硅；
K、LPCVD淀积10～15nm氮化硅；
L、对淀积的氮化硅层用CF3/O2反应离子刻蚀(RIE)进行大面积回刻，即只在垂直面进行刻蚀，没有水平面的横向刻蚀；
M、Ne-离子两次注入，第一次：能量为70keV，剂量为2.0×1015/cm2～1.0×1016/cm2，注入温度为200～250℃，束流60～200μA·cm-2；
N、Ne-离子两次注入，第二次：能量为27.5keV，剂量为5.0×1015/cm2～5.0×1016/cm2，注入温度为200～250℃，束流60～200μA·cm-2；
O、在快速立式退火炉中，500℃保温30分钟，退火在含2％～10％H2的H2/N2混合气氛中进行；
P、以100℃/分升温速率快速升到1100～1200℃，退火在含2％～10％H2的H2/N2混合气氛中进行，形成空洞层；
Q、热磷酸腐蚀氮化硅侧墙；
后续其余工艺同标准CMOS工艺。
本发明制备方法的优点在于：采用了氖(Ne)离子二次不同能量注入，可以产生高密度的气泡。采取两次注入形成的二层气泡带高温退火后合并成单层空洞层，绝缘性能得到改善。氖(Ne)离子注入可形成稳定的气泡，高温退火后氖(Ne)气仍留在气泡空洞内，从而空洞层在后序工艺中如化学机械抛光(CMP)和金属化后仍然能够承受较高的应力，具有较好的机械稳定性和几何稳定性。而氦(He)或氢(H)离子注入形成空洞层后，后续高温退火处理工艺将使得其从硅体中全部逸出，从而导致空洞层机械稳定性变差。
本发明制备方法可采用相对较高能量离子注入(20keV以上)，以避免氦和氢离子注入形成浅结时低能离子束(10keV～1keV)聚束特性差的缺点；本发明有效的降低了离子注入的剂量，氖(Ne)形成空洞层的临界剂量比氦(He)少一个数量级，而且惰性气体氖(Ne)的成本相对较为低廉，从而提高了生产效率，降低了生产成本。
同时，本发明制备方法还能形成一定的应变硅沟道，提高MOSFET的空穴迁移率，从而芯片运行速度得以提升。本发明制备方法与常规CMOS工艺兼容，便于工艺大规模生产应用。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1、一种SON型金属氧化物半导体场效应管器件的制备方法，其包含以下步骤：
A、在P型硅衬底上热氧化生成二氧化硅掩蔽层，淀积氮化硅作为化学机械抛光停止层，光刻后形成浅槽隔离绝缘层窗口；
B、淀积填充二氧化硅，化学机械抛光到氮化硅层停止；
C、漂洗氮化硅，得到浅槽隔离绝缘层二氧化硅；
D、在浅槽隔离绝缘层上淀积氮化硅；
E、对淀积的氮化硅层进行大面积回刻，即只在垂直面进行刻蚀，没有水平面的横向刻蚀；
F、利用不同能量的束流为60～200μA cm-2、温度为200～250℃的氖离子进行二次注入，形成两层气泡带，之后进行高温退火处理，同时使所述两层气泡带合并长大，在有源区下面形成单层空洞层；所述高温退火的过程包括：
F1、在快速立式退火炉中，以500℃保温30分钟，退火在含2％～10％氢气的氢气/氮气混合气氛中进行；
F2、以100℃/分升温速率快速升到1100～1200℃，退火在含2％～10％氢气的氢气/氮气混合气氛中进行；
G、去除氮化硅侧墙，用常规CMOS工艺制作MOSFET器件。
2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤F中是在含氢气和氮气的混合气体中进行高温退火的。
3、根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤E还包括以下步骤：
E1、采取回刻工艺对淀积的这层氮化硅层进行大面积刻蚀，形成浅槽隔离绝缘层侧墙；
E2、在浅槽隔离绝缘层侧墙保护下进行氖离子注入，被保护处没有氖离子注入，其下方保留硅作为散热通道。
4、根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤F的二次不同能量低温注入中第一次为：氖离子能量为70keV，剂量为2.0×1015/cm2～1.0×1016/cm2，注入温度为200～250℃，束流60～200μAcm-2。
5、根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤F的二次不同能量低温注入中第二次为：氖离子能量为27.5keV，剂量为5.0×1015/cm2～5.0×1016/cm2，注入温度为200～250℃，束流60～200μAcm-2。
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