CN103035533B - 超浅结半导体场效应晶体管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体技术领域，公开了一种超浅结半导体场效应晶体管的制备方法。本发明中，通过在形成了栅极结构的半导体衬底上，以金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材，采用物理气相沉积PVD法在半导体衬底上淀积混合物薄膜，并对淀积了混合物薄膜的半导体衬底进行加热退火，形成金属硅化物和超浅结；去除半导体衬底表面剩余的混合物薄膜，形成超浅结半导体场效应晶体管。由于采用金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材淀积混合物薄膜，并进行加热退火，同步形成超浅结和超薄金属硅化物，可以应用在14纳米、11纳米及以下技术节点场效应晶体管中。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及超浅结半导体场效应晶体管的制备方法。
背景技术
随着半导体工业的进步，半导体器件的特征尺寸随着工艺技术的革新而越来越小。器件的横向尺寸不断缩小的同时，器件的纵向尺寸也在相应地缩小。特别是进入到65纳米及以下节点，要求源/漏区以及源/漏极延伸区相应地变浅，结深低于100纳米的掺杂结通常被称为超浅结(UltraShallowJunction，简称“USJ”)，超浅结可以更好地改善器件的短沟道效应。随着超浅结越来越浅，超浅结技术面临的主要挑战之一是如何解决降低串联寄生电阻和降低超浅结的结深之间的矛盾。
现有技术中，通常采用离子注入技术来形成超浅结，比如形成金属氧化物半导体MOS晶体管的高掺杂源区与漏区。也就是说，以栅极结构为掩膜，用N型或者P型掺杂杂质注入到半导体衬底中、然后进行退火激活、形成浅的PN结，然后淀积金属薄膜，进行加热退火，形成金属硅化物，并进行湿法刻蚀除去剩余的金属。当晶体管尺寸缩小时，其栅极的长度也会随之变短。随着栅极长度的不断缩短，要求源/漏极以及源/漏极延伸区相应地变浅。目前通常利用超低能离子注入和毫秒级激光退火激活技术来形成超浅结。未来技术节点的半导体场效应晶体管的超浅结结深将小于10纳米。由于超低能离子注入技术本身的巨大挑战和退火激活时一般都会导致一定的杂质扩散，用常规的超低能离子注入和退火激活技术来形成适用于未来技术节点的场效应晶体管面临着巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，使得在半导体场效应晶体管中能同步形成超浅结和超薄金属硅化物，可以应用在14纳米、11纳米及以下技术节点场效应晶体管中。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，包含以下步骤：
A.提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成栅极结构；
B.以栅极结构为掩膜，以金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材，采用物理气相沉积PVD法在所述半导体衬底上淀积混合物薄膜；
C.对所述淀积了混合物薄膜的半导体衬底进行加热退火，形成金属硅化物和超浅结；所述超浅结为PN结，或者金属半导体结；
D.去除所述半导体衬底表面剩余的混合物薄膜，形成所述超浅结半导体场效应晶体管。
本发明的实施方式还提供了一种超浅结半导体场效应晶体管，包含：半导体衬底、栅极结构、超浅结、金属硅化物；
其中，所述栅极结构位于所述半导体衬底上；
所述超浅结和所述金属硅化物在以栅极结构为掩膜，以金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材，采用物理气相沉积PVD法在所述半导体衬底上淀积混合物薄膜之后退火形成；
所述超浅结为PN结，或者金属半导体结。
本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在形成了栅极结构的半导体衬底上，以金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材，采用物理气相沉积PVD法在半导体衬底上淀积混合物薄膜，并对淀积了混合物薄膜的半导体衬底进行加热退火，形成金属硅化物和超浅结；去除半导体衬底表面剩余的混合物薄膜，形成超浅结半导体场效应晶体管。由于采用金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材淀积混合物薄膜，并进行加热退火，同步形成超浅结和超薄金属硅化物，可以应用在14纳米、11纳米及以下技术节点场效应晶体管中。
另外，在所述步骤C中，可以采用微波加热进行退火。在采用微波加热进行退火的步骤中，所述进行微波加热退火所采用的微波加热设备的腔体在加热时采用多模态和多频率的电磁波。
通过采用微波加热退火技术，可以在相对较低的温度下形成金属硅化物和超浅结，使金属硅化物能稳定存在。
另外，在所述步骤B中，将靶材离化成离子状态，使其产生金属离子和半导体掺杂杂质离子，并在所述半导体衬底上加衬底偏压。所述将靶材离化成离子状态是通过在所述靶材上加第一偏压实现的。
通过将靶材离子化，并通过在半导体衬底上加衬底偏压进行混合物薄膜的淀积，一方面可以使金属离子和半导体掺杂杂质离子以一定的加速度淀积在半导体衬底表面，并扩散一定的深度；另一方面能提高在三维结构上薄膜淀积的均匀性和稳定性。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方式的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法的流程图；
图2A至图2E是本发明第一实施方式的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法的各步骤对应的结构剖面示意图；
图3是本发明第一实施方式的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法中将金属和半导体掺杂杂质的混合物淀积在半导体衬底上的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的第一实施方式涉及一种超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：
步骤101，提供半导体衬底，并在半导体衬底上形成栅极结构，如图2A所示，201为半导体衬底，202为栅极结构。该半导体衬底可以为硅(Si)、锗(Ge)、锗化硅(SiGe)、III-V半导体。栅极结构包含栅极电介质、栅极电极和沿着栅极电极和栅极电介质侧壁的隔离物，形成栅极结构的方法与现有技术一致，在此不再赘述。
步骤102，以栅极结构为掩膜，以金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材，采用物理气相沉积PVD法在半导体衬底上淀积混合物薄膜，如图2B所示，203为混合物薄膜。
物理气相沉积(PVD)是集成电路制造中使用的公知技术。在进行PVD时，所需的涂层材料作为喷射靶材，被沉积到衬底上。如图3所示，是PVD腔体的示意图。将靶材301和形成了栅极结构202的半导体衬底201放置在真空腔体300中，该腔体被抽真空并保持在非常低的压力(例如，小于10毫托)。
在真空腔体300中充满惰性气体303，如氩气，并通过泵送系统(图中未示出)保持腔体内所需的气体压力。使用常规方法，在低压气体中产生辉光放电等离子体，至少部分气体离子化。如果靶材被施加适当的偏压，等离子体中的正离子可以朝向目标加速，导致靶材305从靶电极喷出。部分被喷射的靶材沉积到半导体衬底201上，以形成混合物膜203。
在本实施方式中，靶材是富含金属的混合物，以多晶固体材料的形式存在。该混合物可以由金属粉末和半导体掺杂杂质的粉末混合，并通过热处理或其他处理得到。靶材中的半导体掺杂杂质均匀地分布在金属中。其中，金属和半导体掺杂杂质的混合物中半导体掺杂杂质的含量在0.1％至5％之间。金属可以为为镍Ni、铂Pt、铂Pt，钛Ti，钴Co，钼Mo中的任一种或者它们任意组合形成的合金。半导体掺杂杂质可以为P型掺杂硼(B)、氟化亚硼(BF2)、铟(Indium)中的任一种或者任意组合的混合物；或者N型掺杂磷(P)、砷(As)中的任一种或者任意组合的混合物。
尽管靶材是金属和半导体掺杂杂质的混合物，但PVD法的工艺流程与现有技术一致，在此不再赘述。在淀积混合物薄膜之后，金属离子和半导体掺杂杂质离子会渗透到半导体衬底中，如图2C中的204所示。
步骤103，对淀积了混合物薄膜的半导体衬底进行加热退火，形成金属硅化物和超浅结。
在进行退火时，203混合物薄膜中的金属会和半导体衬底反应形成金属硅化物，同时203混合物薄膜中的半导体掺杂杂质向金属硅化物、金属硅化物与半导体衬底之间的界面、离子扩散区与半导体衬底之间的界面以及半导体衬底中扩散，在形成金属硅化物的同时同步形成超浅结，如图2D所示，205和207为源极或漏极的金属硅化物接触区，206和208为源极或漏极的杂质扩散区。通常情况下，206和208的杂质扩散区和半导体衬底之间形成PN结，而金属硅化物205/207和杂质扩散区206/208之间形成欧姆接触。但是，当形成的206和208的杂质扩散区足够小时(比如说小于1.5纳米)，金属硅化物和半导体衬底之间形成金属半导体接触。
在本步骤中，可以采用常规的快速热退火(RTP)进行退火，也可以采用微波加热进行退火，其工艺流程与常规的退火流程类似，在相对较低的温度下形成金属硅化物和超浅结，使金属硅化物能稳定存在。此外，在半导体衬底上淀积混合物薄膜时的衬底温度可以在0至300℃之间。根据不同金属硅化物的形成温度和稳定存在的最高温度的不同，退火的温度可以选择在300至800℃之间。在步骤103中，金属和半导体掺杂杂质向半导体衬底扩散，形成金属硅化物；而金属硅化物中含有的半导体掺杂杂质，在退火时，会继续向半导体衬底扩散，形成超浅结。由于金属硅化物的形成温度和稳定存在的温度较低，比如硅化镍(NiSi)、硅化钴(CoSi2)、硅化钛(TiSi2)的稳定存在温度分别是小于600、700、1000℃，因此，在相对较低的温度下形成金属硅化物和超浅结时，可能导致半导体掺杂杂质在半导体衬底中不能充分激活，但是，如果能充分激活，则会形成PN结；而如果不能充分激活，则也可以形成金属半导体结(即肖特基结)；也就是说，在形成超浅结和超薄金属硅化物的过程中，形成的超浅结可以为PN结，或者金属半导体结。
此外，值得一提的是，通过采用微波加热退火技术，可以在相对较低的温度下形成金属硅化物和超浅结，使金属硅化物能稳定存在。此外，衬底上不同物质材料吸收微波能量能力有不同，而且，微波加热和衬底内的缺陷(defect)紧密有关，杂质或其它因素导致的半导体晶格的损伤都可以看作是缺陷，缺陷越多，微波加热效果越大，也就是缺陷能增强微波吸收的能力，针对这一特点，采用微波加热进行退火可以提高加热效率。
此外，值得注意的是，由于混合物薄膜中含有金属和半导体掺杂杂质，所以，在进行微波加热退火时，微波加热设备的腔体在加热时需要提供多模态和多频率的电磁波，微波的中心频率介于1.5GHz至15GHz之间，使欲进行加热的材料得到充分加热。此外，值得说明的是，在进行微波加热时，微波加热设备采用的微波电磁波在5.8GHz附近呈高斯分布，可以以30Hz-50Hz的间隔进行多频率加热，同时在腔体里面这些不同频率的微波同时具有多模态(multi-mode)的特征，这样可以保证微波能量在腔体内部分布的均匀性和一致性，进一步导致对衬底加热时的均匀性和一致性。
步骤104，去除半导体衬底表面剩余的混合物薄膜，形成超浅结半导体场效应晶体管，如图2E所示。在本步骤中，可以采用常规的湿法刻蚀技术去除半导体衬底表面剩余的混合物薄膜，在此不再赘述。
采用上述步骤的制备的超浅结半导体场效应晶体管中，金属硅化物的厚度约为5至20纳米，结深度约为1至15纳米之间，在超浅结的源极/漏极区中的峰值掺杂浓度约为每立方厘米2×1019至2×1020个离子，栅极结构的长度约为7至25纳米。
与现有技术相比，本实施方式通过在形成了栅极结构的半导体衬底上，以金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材，采用物理气相沉积PVD法在半导体衬底上淀积混合物薄膜，并对淀积了混合物薄膜的半导体衬底进行加热退火，形成金属硅化物和超浅结；去除半导体衬底表面剩余的混合物薄膜，形成超浅结半导体场效应晶体管。由于采用金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材淀积混合物薄膜，并进行加热退火，同步形成超浅结和超薄金属硅化物，可以应用在14纳米、11纳米及以下技术节点场效应晶体管中。
本发明的第二实施方式涉及一种超浅结半导体场效应晶体管的制备方法。第二实施方式在第一实施方式基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：在本发明第二实施方式中，采用改进的高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)进行PVD淀积，通过将靶材离子化，并通过在半导体衬底上加衬底偏压进行混合物薄膜的淀积，一方面可以使金属离子和半导体掺杂杂质离子以一定的加速度淀积在半导体衬底表面，并扩散一定的深度；另一方面能提高在三维结构上薄膜淀积的均匀性和稳定性。
具体地说，在步骤102中，将靶材离化成离子状态，使其产生金属离子和半导体掺杂杂质离子，并在半导体衬底上加衬底偏压。其中，将靶材离化成离子状态是通过在靶材上加第一偏压实现的。
此外，第一偏压可以为直流偏压、交流偏压或脉冲偏压中的任一种。第一偏压的大小取决于使用的PVD系统，即PVD系统不同，该第一偏压的大小也相应地有所变化；一般来说，第一偏压的大小为200V～1000V，其中对于交流偏压和脉冲偏压来说，上述大小指的是其有效值。另外，衬底偏压为直流偏压、交流偏压或脉冲偏压中的任一种。衬底偏压的大小是可调的，通过调整衬底偏压的大小，可以调整扩散至半导体衬底表面的金属离子的数量，从而使得最终形成的金属半导体化合物薄膜的厚度可调。一般来说，衬底偏压的大小为200V～1000V，其中对于交流偏压和脉冲偏压来说，上述大小指的是其有效值。
本发明第三实施方式涉及一种超浅结半导体场效应晶体管，如图2E所示，包含：半导体衬底、栅极结构、超浅结、超薄金属硅化物；其中，栅极结构位于半导体衬底上；超浅结和超薄金属硅化物在以栅极结构为掩膜，以金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材，采用物理气相沉积PVD法在半导体衬底上淀积混合物薄膜之后进行退火形成，其中，超浅结为PN结，或者金属半导体结。
由于采用金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材淀积混合物薄膜，并进行加热退火，同步形成超浅结和超薄金属硅化物，可以应用在14纳米、11纳米及以下技术节点场效应晶体管中。比如说，金属硅化物的厚度约为5至20纳米，结深度约为1至15纳米之间，在超浅结的源极/漏极区中的峰值掺杂浓度约为每立方厘米2×1019至2×1020个离子，栅极结构的长度约为7至25纳米。
需要说明的是，金属和半导体掺杂杂质的混合物中半导体掺杂杂质的含量在0.1％至5％之间。金属可以为为镍(Ni)、铂(Pt)、铂(Pt)，钛(Ti)，钴(Co)，钼(Mo)中的任一种或者它们任意组合形成的合金。半导体掺杂杂质可以为P型掺杂硼(B)、氟化亚硼(BF2)、铟(Indium)中的任一种或者任意组合的混合物；或者N型掺杂磷(P)、砷(As)中的任一种或者任意组合的混合物。
不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (14)
1.一种超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
A.提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成栅极结构；
B.以栅极结构为掩膜，以金属和半导体掺杂杂质的混合物做靶材，采用物理气相沉积PVD法在所述半导体衬底上淀积混合物薄膜；
C.对所述淀积了混合物薄膜的半导体衬底进行加热退火，形成金属硅化物和超浅结；所述超浅结为PN结，或者金属半导体结；
D.去除所述半导体衬底表面剩余的混合物薄膜，形成所述超浅结半导体场效应晶体管。
2.根据权利要求1所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤C中，采用快速热退火RTP进行退火；
或者采用微波加热进行退火。
3.根据权利要求2所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在采用微波加热进行退火的步骤中，所述进行微波加热退火所采用的微波加热设备的腔体在加热时采用多模态和多频率的电磁波。
4.根据权利要求3所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在采用微波加热进行退火的步骤中，所述微波的中心频率在1.5GHZ至15GHZ之间；加热时长为1至30分钟。
5.根据权利要求1所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤B中，将靶材离化成离子状态，使其产生金属离子和半导体掺杂杂质离子，并在所述半导体衬底上加衬底偏压。
6.根据权利要求5所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述将靶材离化成离子状态是通过在所述靶材上加第一偏压实现的。
7.根据权利要求6所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述第一偏压为直流偏压、交流偏压或脉冲偏压中的任一种。
8.根据权利要求5所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述衬底偏压为直流偏压、交流偏压或脉冲偏压中的任一种。
9.根据权利要求1至8任一项所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述金属为镍Ni、铂Pt、钛Ti，钴Co，钨W，钼Mo中的任一种或者它们任意组合形成的合金。
10.根据权利要求1至8任一项所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述半导体掺杂杂质为硼B、氟化亚硼BF2、铟Indium中的任一种或者任意组合的混合物；
或者磷P、砷As中的任一种或者任意组合的混合物。
11.根据权利要求1至8任一项所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述金属和半导体掺杂杂质的混合物中半导体掺杂杂质的含量在0.1％至5％之间。
12.根据权利要求1至8任一项所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述半导体衬底为硅Si、锗Ge、锗化硅SiGe、III-V半导体。
13.根据权利要求1至8任一项所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤B中，在所述半导体衬底上淀积混合物薄膜时的衬底温度低于300℃。
14.根据权利要求1至8任一项所述的超浅结半导体场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在所述步骤C中，所述退火的温度为300至800℃。
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