CN102087962B - 离子扩散及半导体器件形成的方法 - Google Patents

Abstract

一种离子扩散及半导体器件形成的方法。其中离子扩散的方法，包括：向待注入层内注入离子，形成离子注入层；将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。本发明超声波在分子量比空气轻的气体中传输速度远比在空气或氮气中要快，在较短时间内即能使气体振动达到所需的能量。在振动能量的驱使下离子能够快速的达到局部性的均匀扩散，提高半导体器件的性能，并且降低了工艺成本，提高了工艺效率。

Description

离子扩散及半导体器件形成的方法

技术领域

本发明涉及半导体器件的制作方法，尤其涉及离子扩散及半导体器件形成的方法。

背景技术

目前，在半导体衬底内注入离子形成源/漏极或者金属层中注入离子后，需要采用热退火工艺激活离子使离子扩散均匀，并且修复离子注入过程中产生的缺陷。热退火工艺在预定时间内将晶圆快速加热到设定温度，进行短时间快速热处理的方法，热处理时间通常需要几分钟，工艺要求的温度为700～1300℃。

现有在制作MOS晶体管过程中采用热退火工艺激活注入离子如图1至图4所示。参考图1，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100中形成有隔离结构101，隔离结构101之间的区域为有源区102；在有源区102的半导体衬底100中掺杂离子，形成掺杂阱103；在有源区102的半导体衬底100上依次形成栅介质层104与栅极105，所述栅介质层104与栅极105构成栅极结构106。

如图2所示，以栅极结构106为掩模，在半导体衬底100内进行离子注入，在半导体衬底100内形成源/漏极延伸区110；然后，将半导体衬底100放入退火炉内，将温度升高至900℃～1000℃，退火时间为5秒～30秒，使注入的离子在半导体衬底100内扩散均匀。

如图3所示，在栅极结构106两侧形成侧墙112；以侧墙112及栅极结构106为掩模，在栅极结构106两侧的半导体衬底100中进行离子注入，形成源/漏极114。最后，将半导体衬底100放入退火炉内，将温度升高至900℃～1000℃，退火时间为5秒～30秒，进行退火工艺，使注入的离子扩散均匀。

现有在离子注入步骤以后采用热退火工艺使离子扩散均匀，热退火工艺需要在600℃以上的温度下处理，退火时间为1～2分钟，才能使离子充分扩散。离子扩散速率慢，温度高，形成半导体器件的效率降低。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种离子扩散及半导体器件形成的方法，增强退火工艺的局部性以防止离子扩散范围的扩大，降低半导体器件的功能。

为解决上述问题，本发明一种离子扩散的方法，包括：向待注入层内注入离子，形成离子注入层；将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。

可选的，所述气体反应腔内的气体为氦气、氢气或氘气。所述气体反应腔内的温度为0℃～40℃。

可选的，超声波在气体反应腔内的传输速率为970m/s～1350m/s。

可选的，离子扩散时间为1秒～15秒。

本发明还提供一种半导体器件的形成方法，包括：在半导体衬底上依次形成栅介质层与栅极，所述栅介质层与栅极构成栅极结构；以栅极结构为掩模，在栅极两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极延伸区；将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散；在栅极结构两侧形成侧墙后，在栅极结构及侧墙两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极；将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。

可选的，所述气体反应腔内的气体为氦气、氢气或氘气。所述气体反应腔内的温度为0℃～40℃。

可选的，超声波在气体反应腔内的传输速率为970m/s～1350m/s。

可选的，离子扩散时间为1秒～15秒。

可选的，所述源/漏极延伸区或源/漏极导电类型为n型，注入离子是n型离子。所述n型离子为磷离子或砷离子。

可选的，所述源/漏极延伸区或源/漏极导电类型为p型，注入离子是p型离子。所述p型离子为硼离子或氟硼离子。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。超声波在分子较轻的气体中传输速度远比在空气或氮气中要快，在较短时间内即能使气体振动达到所需的能量。在振动能量的驱使下离子能够快速的达到局部性的均匀扩散，提高半导体器件的性能，并且降低了工艺成本，提高了工艺效率。

进一步，超声波在气体中传输的速度与温度和气体的性质有关，与超声波的振幅、频率、波长无关；其相关的参数为：波速与绝热常数、绝对温度、气体常数的平方根成正比，与气体分子质量的平方根成反比。其中，以氮气和氦气在室温摄氏23度，绝对温度296度为例，声波的传输速率分别为350m/s与1010m/s，在氦气中的传输速度是氮气中的传输速度的2.9倍，在较短时间内即能使气体振动达到所需的能量。在振动能量的驱使下离子能够快速的达到局部性的均匀扩散，提高半导体器件的性能。并且扩散速度加快，降低了工艺成本，提高了工艺效率。

附图说明

图1至图3是现有形成MOS晶体管过程中采用热退火工艺的示意图；

图4是本发明一种离子扩散方法的具体实施方式流程图；

图5是本发明半导体器件形成方法的具体实施方式流程图；

图6是本发明在不同气体反应腔内超声波传输速率的示意图；

图7至图12是本发明形成半导体器件过程中采用离子扩散工艺的实施例示意图。

具体实施方式

本发明离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。超声波在分子较轻的气体中传输速度远比在空气或氮气中要快，在较短时间内即能使气体振动达到所需的能量。在振动能量的驱使下离子能够快速的达到局部性的均匀扩散，提高半导体器件的性能，并且降低了工艺成本，提高了工艺效率。

图4是本发明一种离子扩散方法的具体实施方式流程图。如图4所示，执行步骤S1，向待注入层内注入离子，形成离子注入层。

所述待注入层可以是半导体衬底、金属层或栅极等。通常，在半导体衬底中注入离子的工艺可以是在形成掺杂阱、源/漏极延伸区及源/漏极的步骤中。

执行步骤S2，将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。

所述气体反应腔内的气体为氦气、氢气或氘气。所述气体反应腔内的温度为0℃～40℃。其中，超声波在气体反应腔内的传输速率为970m/s～1350m/s。

作为具体实施例如图6所示，所述气体反应腔内的气体为氦气时，所述气体反应腔内的温度为0℃，超声波在气体反应腔内的速率为970m/s；所述气体反应腔内的温度为23℃，超声波在气体反应腔内的速率为1010m/s；所述气体反应腔内的温度为40℃，超声波在气体反应腔内的速率为1040m/s。所述气体反应腔内的气体为氢气，所述气体反应腔内的温度为0℃，超声波在气体反应腔内的速率为1260m/s；所述气体反应腔内的温度为23℃，超声波在气体反应腔内的速率为1310m/s；所述气体反应腔内的温度为40℃。其中，超声波在气体反应腔内的速率为1350m/s。由于超声波在上述气体内的传输速率快，并且超声波在传输不需要在高温下进行，节省了工艺步骤，提高了制作效率；另外，气体在超声波的作用下产生振动，振动速率由超声波在气体中的传输速率决定，气体的振动促进离子在半导体衬底或其它膜层中的扩散速度。

图5是本发明半导体器件形成方法的具体实施方式流程图。如图5所示，执行步骤S11，在半导体衬底上依次形成栅介质层与栅极，所述栅介质层与栅极构成栅极结构；执行步骤S12，以栅极结构为掩模，在栅极两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极延伸区；执行步骤S13，将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散；执行步骤S14，在栅极结构两侧形成侧墙后，在栅极结构及侧墙两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极；执行步骤S15，将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图7至图12是本发明形成半导体器件过程中采用离子扩散工艺的实施例示意图。如图7所示，提供半导体衬底200，所述半导体衬底200可以为硅或者绝缘体上硅(SOI)。在半导体衬底中形成隔离结构201，所述隔离结构201为浅沟槽隔离(STI)结构或者局部氧化硅(LOCOS)隔离结构。在隔离结构201之间为有源区202，在有源区202的半导体衬底200中掺杂离子，形成掺杂阱203，如果是形成PMOS晶体管，则在半导体衬底200中掺杂n型离子，形成n掺杂阱；而如果是形成NMOS晶体管，则在半导体衬底200中掺杂p型离子，形成p掺杂阱。

在有源区202的半导体衬底200上依次形成栅介质层204与栅极205，所述栅介质层204与栅极205构成栅极结构206。具体形成工艺为：用热氧化法或化学气相沉积法在半导体衬底200上形成栅介质层204；接着用化学气相沉积法或低压等离子体化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积工艺在栅介质层204上形成多晶硅层；在多晶硅层上形成光刻胶层，定义栅极图案；以光刻胶层为掩膜，刻蚀多晶硅层及栅介质层204至露出半导体衬底，形成栅极205；灰化去除光刻胶层。

所述栅介质层204的材料可以是氧化硅(SiO₂)或氮氧化硅(SiNO)等。在65nm以下工艺节点，栅极的特征尺寸很小，栅介质层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。特别优选的是氧化铪、氧化锆和氧化铝。栅介质层204的厚度为15埃到60埃。

栅极205还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。所述栅极205的厚度为800埃到3000埃。

如图8所示，以栅极结构206为掩膜，在栅极结构206两侧的半导体衬底200内进行离子210注入，形成源/漏极延伸区208。

本实施例中，在形成PMOS晶体管区域，向半导体衬底200内注入的是p型离子，所述p型离子可以是硼离子或氟硼离子。

在形成NMOS晶体管区域，向半导体衬底200内注入的是n型离子，所述n型离子可以是磷离子或砷离子。

如图9所示，将已经形成有源/漏延伸区208的半导体衬底200放入超声波气体反应腔220内，超声波使气体反应腔220内的气体振动，加快注入离子的扩散速度，并且使形成源/漏延伸区208的离子扩散均匀。其中，气体反应腔220内的气体可以为氦气、氢气或氘气等；气体反应腔220内的温度为0℃～40℃；超声波在气体反应腔220内的速率为970m/s～1350m/s。

然后，参照附图10，在栅极结构206两侧形成侧墙212，所述侧墙的材料可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中一种或者它们组合构成。作为本实施例的一个优化实施方式，所述侧墙为氧化硅-氮化硅-氧化硅共同组成，具体工艺为：在半导体衬底200上以及栅极结构206上用化学气相沉积法或物理气相沉积法依次形成第一氧化硅层、氮化硅层以及第二氧化硅层；然后，采用干法蚀刻的回蚀(etch-back)方法蚀刻第二氧化硅层、氮化硅层以及第一氧化硅层至露出半导体衬底200及栅极205表面，形成侧墙212。

如图11所示，以栅极结构206及侧墙212为掩模，在栅极结构206两侧的半导体衬底200中进行离子注入，形成源/漏极214。

本实施例中，在形成PMOS晶体管区域，向半导体衬底200中注入的是p型离子，如硼离子或氟硼离子等。

本实施例中，在形成NMOS晶体管区域，向半导体衬底200中注入的是n型离子，如磷离子或砷离子等。

如图12所示，将已经形成有源/漏极214的半导体衬底200放入超声波气体反应腔220内，超声波使气体反应腔220内的液体振动，加快注入离子的扩散速度，并且使形成源/漏极214的离子扩散均匀。其中，气体反应腔220内的气体可以为氦气、氢气或氘气；气体反应腔220内的温度为0℃～40℃；超声波在气体反应腔220内的速率为970m/s～1350m/s。

在其它实施例中，在将已形成有源/漏极214的半导体衬底200放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔220内，使离子快速的达到局部性的均匀扩散后，还可以继续进行退火工艺，使离子扩散均匀度达到最佳。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种离子扩散的方法，其特征在于，包括：

向待注入层内注入离子，形成离子注入层；

将离子注入层放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散，所述气体反应腔内的气体为氦气、氢气或氘气，所述气体反应腔内的温度为0℃~40℃，超声波在气体反应腔内的传输速率为970m/s~1350m/s。

2.如权利要求1所述离子扩散的方法，其特征在于，离子扩散时间为1秒~15秒。

3.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，包括：

在半导体衬底上依次形成栅介质层与栅极，所述栅介质层与栅极构成栅极结构；

以栅极结构为掩模，在栅极两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极延伸区；

将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散，所述气体反应腔内的气体为氦气、氢气或氘气，所述气体反应腔内的温度为0℃~40℃，超声波在气体反应腔内的传输速率为970m/s~1350m/s；

在栅极结构两侧形成侧墙后，在栅极结构及侧墙两侧的半导体衬底内进行离子注入，形成源/漏极；

将注入离子的半导体衬底放入含有分子量比空气轻的超声波气体反应腔内，使离子快速的达到均匀扩散。

4.如权利要求3所述半导体器件的形成方法，其特征在于，离子扩散时间为1秒~15秒。

5.如权利要求3所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述源/漏极延伸区或源/漏极导电类型为n型，注入离子是n型离子。

6.如权利要求5所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述n型离子为磷离子或砷离子。

7.如权利要求3所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述源/漏极延伸区或源/漏极导电类型为p型，注入离子是p型离子。

8.如权利要求7所述半导体器件的形成方法，其特征在于，所述p型离子为硼离子或氟硼离子。

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