CN101908487B

CN101908487B - 袋形注入区的离子注入方法及mos晶体管的制作方法

Info

Publication number: CN101908487B
Application number: CN2009100526459A
Authority: CN
Inventors: 赵猛; 王津洲
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2009-06-05
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2029-06-05
Also published as: CN101908487A

Abstract

一种袋形注入区的离子注入方法及MOS晶体管的制作方法，所述离子注入方法包括：将晶圆以通过晶圆中心且垂直于晶圆的直线为轴、以顺时针方向或逆时针方向旋转初始角度；在初始角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；将晶圆以所述直线为轴旋转一次基本角度，其旋转方向与旋转初始角度的方向相同；在所述基本角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；保持离子注入的方向不变，重复进行形成袋形注入区的离子注入和旋转基本角度的步骤，直至晶圆回到旋转初始角度后的位置。与现有技术相比，本发明优化了现有袋形区离子注入方法和旋转用初始角度的设定，可以进一步降低MOS晶体管的结电容，改善结漏电现象，从而能降低功耗并提高运行速度。

Description

袋形注入区的离子注入方法及MOS晶体管的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制作技术领域，特别涉及一种MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法及MOS晶体管的制作方法。

背景技术

在半导体器件向高密度和小尺寸发展的过程中，金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管是主要的驱动力。而驱动电流和热载流子注入是MOS晶体管设计中最为重要的两个参数。传统设计通过控制栅氧化层、沟道区域、阱区域、源/漏延伸区的掺杂形状、袋形注入(pocket implant)区以及源/漏极注入形状和热预算等等来获得预料的性能。

随着集成电路规模的不断增大和IC工艺的迅速发展，MOS晶体管的沟道长度和宽度不断缩小。MOS器件的沟道长度和宽度不断缩小，源/漏极耗尽区之间过于接近，会导致出现不希望的穿通(punch through)电流，产生了短沟道效应。因此，本领域的技术人员通常采用轻掺杂漏极(lightly doped drain，LDD)结构，形成源/漏延伸区，在源/漏延伸区植入较重的掺杂离子例如砷离子以形成超浅结(ultra-shallow junctions，USJ)，以提高器件的阈值电压Vt并有效控制器件的短沟道效应。并且，对于0.18um以下尺寸的半导体器件，会在源/漏延伸区附近形成包围源/漏延伸区的袋形注入区(pocket/halo)。袋形注入区的存在可以减小耗尽区的耗尽程度，以产生较小的穿透电流。

但是，轻掺杂漏极(lightly doped drain，LDD)结构的掺杂离子种类与半导体衬底或者形成MOSFET区域的掺杂阱的导电类型不同，而袋形注入区域的导电类型与半导体衬底或者形成MOSFET区域的掺杂阱的导电类型相同，因此，在源/漏延伸区和袋形注入区之间会产生PN结，在轻掺杂漏极结构与袋形注入区内的掺杂离子密度都比较高的情况下，产生结漏电。

关于形成袋形注入区的更多细节在中国发明专利申请第200610030636.6号所公开的内容中可以找到。

但是，随着半导体器件尺寸的进一步减小，采用超浅结制作技术，会由于源/漏注入时引起径程末端(end-of-range，EOR)的损伤而产生较大的结电容和结漏电，导致功耗增加和运行速度降低。因此，如何控制MOS晶体管的结电容，使得半导体器件(例如高压晶体管)满足低功耗和高运行速度，成为业界的一大需求。

发明内容

本发明解决的问题是：在半导体器件的制作工艺中，如何改善短沟道效应中结电容和结漏电，避免源/漏区之间发生外溢或穿通以及电学性能恶化的问题。

为解决上述问题，本发明一方面提供一种形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，包括：根据晶圆及其上MOS晶体管的类型，将所述晶圆以通过晶圆中心且垂直于晶圆的直线为轴、以顺时针方向或逆时针方向旋转初始角度；在所述初始角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；将所述晶圆以所述直线为轴旋转一次基本角度，旋转基本角度的方向与旋转初始角度的方向相同；在所述基本角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；保持离子注入的方向不变，重复进行形成袋形注入区的离子注入和旋转基本角度的步骤，直至所述晶圆回到旋转初始角度后的位置。

可选地，所述晶圆的晶向指数为<100>且为NMOS晶体管，所述初始角度为35±5度或55±5度。

可选地，所述晶圆的晶向指数为<110>且为NMOS晶体管，所述初始角度为25±5度或70±5度。

可选地，所述晶圆的晶向指数为<111>且为NMOS晶体管，所述初始角度为25±5度或65±5度。

可选地，所述晶圆的晶向指数为<100>且为PMOS晶体管，所述初始角度为40±5度。

可选地，所述基本角度为30度、45度、60度、90度或180度。

可选地，所述离子注入的方向为与所述晶圆所在的平面成注入倾角。

可选地，所述注入倾角为60度至90度。

本发明另一方面提供一种MOS晶体管的制作方法，包括：在晶圆上形成栅极结构；在所述栅极结构二侧的晶圆中进行源/漏延伸区注入；将所述晶圆以通过晶圆中心且垂直于晶圆的直线为轴、以顺时针方向或逆时针方向旋转初始角度；在所述初始角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；将所述晶圆以所述直线为轴旋转一次基本角度，旋转基本角度的方向与旋转初始角度的方向相同；在所述基本角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；保持离子注入的方向不变，重复进行形成袋形注入区的离子注入和旋转基本角度的步骤，直至所述晶圆回到旋转初始角度后的位置；在所述栅极结构二侧的晶圆中形成源/漏极。

与现有技术相比，本发明优化了现有袋形区离子注入方法和旋转用初始角度的设定，可以进一步降低MOS晶体管的结电容，改善结漏电现象，从而能降低功耗并提高运行速度。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例制作MOS晶体管的流程图；

图2至图7为根据图1所示的流程制作MOS晶体管的示意图；

图8和图9为初始角度α与制作的MOS晶体管结电容之间的关系图。

具体实施方式

本发明的发明人发现，在进行袋形注入区的离子注入时，设定不同大小的初始旋转角度会影响MOS晶体管的结电容及其性能。

因此在半导体器件制作过程中，可以通过优化用于离子注入的初始旋转角度来进一步降低MOS晶体管的结电容及结漏电，从而降低功耗并提高运行速度，使得所制作出的半导体器件的各性能参数符合预期。

下面结合附图对本发明的内容进行详细说明。

基于上述考虑，在具体实施方式的以下内容中，提供一种MOS晶体管的制作方法，如图1所示，包括步骤：

S101，提供晶圆；

S102，在晶圆上形成栅极结构；

S103，在栅极结构二侧进行源/漏延伸区注入；

S104，将所述晶圆以通过晶圆中心且垂直于晶圆的直线为轴、以顺时针方向或逆时针方向旋转初始角度；

S105，在所述初始角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；

S106，将所述晶圆以所述直线为轴旋转一次基本角度，旋转基本角度的方向与旋转初始角度的方向相同；

S107，在所述基本角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；

S108，重复步骤S106和S107，直至晶圆回到旋转初始角度后的位置；

S109，形成源/漏区。

下面结合附图对上述步骤进行详细说明。

如图2所示，首先执行步骤S101，提供晶圆201。形成晶圆201的材料可以为硅、III-V族或者II-VI族化合物半导体、或者绝缘体上硅(SOI)。在晶圆中形成隔离结构202，所述隔离结构202可以为浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化硅(LOCOS)隔离结构。所述晶圆201中还形成有各种阱(well)结构与衬底表面的栅极沟道层。一般来说，形成阱(well)结构的离子掺杂导电类型与栅极沟道层离子掺杂导电类型相同，密度较栅极沟道层低；离子注入的深度泛围较广，同时需达到大于隔离结构的深度。为了简化，此处仅以一空白晶圆201图示，在此不应限制本发明的保护范围。

接着执行步骤S102，如图3所示，形成栅极结构203。

在形成栅极结构203的过程中，首先，在晶圆201上依序形成栅极介质层204和位于栅极介质层204上的栅极205。

其中，栅极介质层204可以是氧化硅(SiO₂)或氮氧化硅(SiNO)。在65nm以下工艺节点，栅极的特征尺寸很小，栅极介质层204优选高介电常数(高K)材料。所述高K材料包括氧化铪、氧化铪硅、氮氧化铪硅、氧化镧、氧化锆、氧化锆硅、氧化钛、氧化钽、氧化钡锶钛、氧化钡钛、氧化锶钛、氧化铝等。优选地，例如为氧化铪、氧化锆或氧化铝。

栅极205可以是包含半导体材料的多层结构，例如硅、锗、金属或其组合。在本发明的一个实施例中，优选地，采用多晶硅来形成栅极205。

然后，在多晶硅栅极205外围形成偏移隔离层206，以便保护栅极205的侧缘。在现有技术中，所述偏移隔离层206的材料可以例如为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中一种或者它们组合构成，优选为氧化硅，可以采用原位氧化的方法形成。

接着执行步骤S103，如图4所示，以偏移隔离层206为掩膜，在栅极结构203二侧的晶圆201中进行离子注入，形成源/漏延伸区207。在所述源/漏延伸区207的导电类型为N型时，进行源/漏延伸区207注入的离子可以选自磷离子或砷离子；在源/漏延伸区207的导电类型为P型时，进行源/漏延伸区207注入的离子可以选自二氟化硼离子、硼离子或铟离子。

进行源/漏延伸区207注入的工艺为：当注入离子是砷离子时，离子注入能量为2KeV至5KeV，离子注入剂量为5×10¹⁴/cm²至2×10¹⁵/cm²；当注入离子是磷离子时，离子注入能量为1KeV至3KeV，离子注入剂量为5×10¹⁴/cm²至2×10¹⁵/cm²。

当注入离子是硼离子时，离子注入能量为0.5KeV至2KeV，离子注入剂量为5×10¹⁴/cm²至2×10¹⁵/cm²；当注入离子是二氟化硼离子时，离子注入能量为1KeV至4KeV，离子注入剂量为5×10¹⁴/cm²至2×10¹⁵/cm²。

接着执行步骤S104，如图5所示，将晶圆201旋转初始角度α，所述初始角度α小于90度。这里，步骤S104是形成袋形注入区208(参考图6)的第一步。

在步骤S104中，晶圆201的旋转是以通过晶圆201的中心O，且垂直于晶圆201的直线231为轴进行的。也就是说，晶圆201是在平行于其圆形表面的平面内进行旋转的。

步骤S104中旋转的角度可以找到一个参考点。在本实施例中，所述旋转的初始角度是以晶圆201上的缺口(notch)230作为参考点。这个缺口230是晶圆201边缘上用于晶向定位的小凹槽，在用于半导体制作的每一片晶圆上都有这样一个缺口。当然，选定这个缺口230仅仅是为了方便标定旋转的角度，在此不应作为对本发明的范围限制，本领域技术人员知道，在晶圆上选定其他参考点也可以实现本发明的目的。

步骤S104中旋转的方向可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向，这可以根据实际需要进行设定。不过需注意的是，一旦确定了步骤S104的旋转方向(顺时针方向或逆时针方向)，也就决定了后续各步骤中的旋转方向。在以下的实施例中，以采用逆时针方向的旋转为例进行说明。

发明人发现，通过选择合适的初始角度α，能够改变源/漏延伸区和袋形注入区之间的结宽，减小源漏下衬底杂质浓度，进而影响结电容的大小。因此，有效确定初始角度α的大小为本发明的一个关键因素，即通过优化初始角度α度来实现本发明降低结电容的目的，解决现有技术中的问题。

然后执行步骤S105，进行形成袋形注入区208的离子注入。

在现有技术中，袋状注入区208的离子注入是以栅氧化层204和栅极205为掩膜，在晶圆200内形成袋形注入区208。袋状注入区208注入的离子与源/漏延伸区207注入的离子导电类型相反。以N型MOS晶体管为例进行说明，袋状注入区208注入的离子可以选自二氟化硼离子、硼离子或铟离子。以P型MOS晶体管为例进行说明，袋状注入区208注入的离子可以选自磷离子或砷离子。

以在N型MOS晶体管中注入硼离子形成袋形注入区208为例，进行硼离子注入的具体工艺参数可以为：离子注入能量为4KeV至8KeV；离子注入剂量为3×10¹³/cm²至6×10¹³/cm²。发明人发现，虽然上述工艺参数可以实现前述目的，但是，为了更好地形成袋形注入区208，进行硼离子注入的能量优选为5KeV至6KeV，例如5.5KeV；注入剂量优选为4.8×10¹³/cm²。

如图6所示，在这里进行硼离子注入的注入角度可以与晶圆201晶圆所在的平面成一定注入倾角β。在本实施例中，进行硼离子注入的注入倾角β可以为60度至90度。

另外，发明人还发现，采用氟化硼离子代替硼离子进行形成袋形注入区208的注入，效果更好。因为氟化硼离子的离子直径较大，更容易嵌入晶圆201的晶格结构中而不穿越晶格结构。当然，在这里，采用硼离子和氟化硼离子都只是优选的实施例，但并不以此为限，本领域技术人员知道，根据现有技术还可以采用其他离子形成袋形注入区208。

接着执行步骤S106，如图7所示，将晶圆201旋转基本角度γ。

与步骤S104相同，步骤S 106中的晶圆201的旋转也是以通过晶圆201的中心231且垂直于晶圆201的直线231为轴、以逆时针方向进行旋转。即，晶圆201是在平行于其圆形表面的平面内进行旋转的。

步骤S106的旋转方向要与步骤S104中的旋转方向完全相同，如果步骤S106与步骤S104的旋转方向相逆的话，将不能实现本发明的目的。即，如果在步骤S104中的旋转是顺时针旋转，则在步骤S106中的旋转也应是顺时针；而如果在步骤S104中旋转是逆时针旋转，则在步骤S106中的旋转也应是逆时针。

基本角度γ优选的角度可以为30度、45度、60度、90度或180度。但是本领域技术人员知道，基本角度γ也可以是其他角度，例如为15度或22.5度等。

将晶圆201旋转基本角度γ的目的是为了在后续再次进行离子注入时，处于晶圆201上不同位置的各个MOS晶体管的源区和漏区所接受的离子更加均匀。

然后执行步骤S107，进行形成袋形注入区208的离子注入。

步骤S107与步骤S105相同。

在步骤S107中进行的硼离子注入也可以与步骤S105中采用相同的注入倾角β，注入倾角β可以为60度至90度。

然后执行步骤S108，重复步骤S106和S107，直至晶圆201回到旋转初始角度α后的位置。

步骤S106至步骤S108就是为了将形成袋形注入区208的离子注入分为多次进行，而且每次注入之前都让晶圆201旋转一定的角度来均匀分配注入的离子。

重复执行步骤S106和S108，直至晶圆201回到旋转第一角度后的位置，即回到如图5所示的位置。在本发明的一个实施例中，晶圆201仅回转一圈即可，也就是说重复步骤S106旋转基本角度γ的总和是360度。因此，在该实施例中，重复步骤S106和S108的次数与基本角度γ的大小相关。例如，当基本角度γ为90度时，只需旋转4次就可以回到旋转第一角度后的位置，而当基本角度γ为45度时需旋转8次才可以回到旋转第一角度后的位置，以此类推。

另外，在本发明的其他实施例中，晶圆201也可以回转多圈，例如为n(n≥2)圈，也就是说重复步骤S106旋转基本角度γ的总和是360*n度。例如，当基本角度γ为90度时，只需旋转4*n次就可以回到旋转第一角度后的位置，而当基本角度γ为45度时需旋转8*n次才可以回到旋转第一角度后的位置，以此类推。

但，值得注意的是，当晶圆201回转多圈时，所述离子注入能量及其剂量都会相应调整，以此使得形成的袋形注入区208仍可符合规范。例如当晶圆201回转两圈时，所述离子注入能量及其剂量相对在晶圆201回转一圈时的情况要相应减半。

最后执行步骤S109，形成源/漏区(图未示)。在形成源/漏区的过程中，还可以有热退火等激活注入离子的步骤。形成源区和漏区的工艺步骤已为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

在本发明之前，未有人发现在进行袋形注入区的离子注入时，选择合适的初始角度α与最终形成的MOS晶体管的结电容之间存在关系，也就更没有对初始角度α进行过优化。而本发明的发明人发现，由于通过改变晶圆的初始角度α，可以改变沟道与离子注入方向在晶圆上投影间的相对角度，同时也改变了离子注入晶圆内的通道路径，因而能有效改变注入到沟道中的袋形离子注入的横向和纵向分布。通过对初始角度α进行优化(选择合适的初始角度α)，可以达到优化杂质分布和最大限度抑制沟道效应的效果，从而明显减小源漏下衬底杂质浓度，有效降低衬底结电容，改善结漏电现象。本发明的发明人正是发现了上述关系，从而通过选择合适的初始角度α，并预先旋转初始角度α来控制所制成的MOS晶体管的结电容。更进一步地，发明人创造性地发现并选择了使得MOS晶体管结电容最小的初始角度。

图8和图9分别显示了所述初始角度α与制作的MOS晶体管结电容之间的关系图。如图8和图9所示，MOS晶体管的结电容与初始角度α都是相关的。当然，所述初始角度α可以根据所述晶圆及其上MOS晶体管的类型而作不同的选择。例如，对于晶向指数为<100>的晶圆，且在所述晶圆上制作的晶体管为NMOS晶体管时，所述初始角度可以为35±5度或55±5度，例如为35度或55度(如图8所示)；对于晶向指数为<110>的晶圆，且在所述晶圆上制作的晶体管为NMOS晶体管时，所述初始角度可以为25±5度或70±5度，例如为25度或70度(如图8所示)；对于晶向指数为<111>的晶圆，且在所述晶圆上制作的晶体管为NMOS晶体管时，所述初始角度可以为25±5度或65±5度，例如为25度或65度(如图8所示)；对于晶向指数为<100>的晶圆，且在所述晶圆上制作的晶体管为PMOS晶体管时，所述初始角度可以为40±5度，例如为40度(如图9所示)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，其特征在于，包括：

将在栅极结构的二侧通过离子注入形成源/漏延伸区的晶圆以通过晶圆中心且垂直于晶圆的直线为轴、以顺时针方向或逆时针方向旋转初始角度，所述初始角度根据所述晶圆及其上MOS晶体管的类型确定；

在所述初始角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；

将所述晶圆以所述直线为轴旋转一次基本角度，旋转基本角度的方向与旋转初始角度的方向相同；

在所述基本角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；

保持离子注入的方向不变，重复进行形成袋形注入区的离子注入和旋转基本角度的步骤，直至所述晶圆回到旋转初始角度后的位置。

2.如权利要求1所述的形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，其特征在于，所述晶圆的晶向指数为<100>且为NMOS晶体管，所述初始角度为35±5度或55±5度。

3.如权利要求1所述的形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，其特征在于，所述晶圆的晶向指数为<110>且为NMOS晶体管，所述初始角度为25±5度或70±5度。

4.如权利要求1所述的形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，其特征在于，所述晶圆的晶向指数为<111>且为NMOS晶体管，所述初始角度为25±5度或65±5度。

5.如权利要求1所述的形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，其特征在于，所述晶圆的晶向指数为<100>且为PMOS晶体管，所述初始角度为40±5度。

6.如权利要求1所述的形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，其特征在于，所述基本角度为30度、45度、60度、90度或180度。

7.如权利要求1所述的形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，其特征在于，所述离子注入的方向为与所述晶圆所在的平面成注入倾角。

8.如权利要求7所述的形成MOS晶体管袋形注入区的离子注入方法，其特征在于，所述注入倾角为60度至90度。

9.一种MOS晶体管的制作方法，其特征在于，包括：

在晶圆上形成栅极结构；

在所述栅极结构二侧的晶圆中进行源/漏延伸区注入；

将所述晶圆以通过晶圆中心且垂直于晶圆的直线为轴、以顺时针方向或逆时针方向旋转初始角度，所述初始角度根据所述晶圆及其上MOS晶体管的类型确定；

在所述初始角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；

在所述基本角度下，进行形成袋形注入区的离子注入；

保持离子注入的方向不变，重复进行形成袋形注入区的离子注入和旋转基本角度的步骤，直至所述晶圆回到旋转初始角度后的位置；

在所述栅极结构二侧的晶圆中形成源/漏极。

10.如权利要求9所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述晶圆的晶向指数为<100>且为NMOS晶体管，所述初始角度为35±5度或55±5度。

11.如权利要求9所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述晶圆的晶向指数为<110>且为NMOS晶体管，所述初始角度为25±5度或70±5度。

12.如权利要求9所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述晶圆的晶向指数为<111>且为NMOS晶体管，所述初始角度为25±5度或65±5度。

13.如权利要求9所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述晶圆的晶向指数为<100>且为PMOS晶体管，所述初始角度为40±5度。

14.如权利要求9所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述基本角度为30度、45度、60度、90度或180度。

15.如权利要求9所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述离子注入的方向为与所述晶圆所在的平面成注入倾角。

16.如权利要求15所述的MOS晶体管的制作方法，其特征在于，所述注入倾角为60度至90度。