CN103972102A - 超浅结的形成方法及半导体器件的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超浅结的形成方法及半导体器件的形成方法，所述超浅结的形成方法，包括：提供一硅衬底，所述硅衬底上形成有栅极结构；在-60℃～-100℃温度下，以栅极结构为掩膜，向所述硅衬底进行第一离子注入，形成非晶化区；向非晶化区进行第二离子注入，形成超浅结。本发明在-60℃～-100℃温度下，抑制了硅衬底的自退火效应，有效的形成非晶化区，抑制了行程末端损伤的生成。又因为第一离子为碳或氟离子，抑制了第二离子的瞬时增强扩散，碳或氟所捕获行程末端损伤及间隙空位的效能依然能够作用于超浅结，这就使得一步低温碳注入可以替代传统的锗和碳的两步注入，缩短了生产工艺流程，节约资源。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制备技术领域，特别涉及一种超浅结的形成方法及半导体器件的形成方法。
背景技术
随着集成电路尺寸缩小的不断演进，结深也随之不断缩小。超浅结(USJ，Ultra Shallow Junction)需要满足器件的微缩以获得更窄的栅极宽度，更薄的电介质厚度以及更浅的结深。
形成超浅结的条件，除了降低注入深度外，首要的是控制沟道效应(Channeling)，其次是控制后续快速退火过程中的杂质扩散。
由于硅衬底自身固有的晶体结构，当注入离子的行进方向正好通向晶体沟道时，注入离子的所遇阻挡较少，注入深度会相应加深且难以控制注入分布曲线。针对控制沟道效应，可以在离子注入前，通过锗(Ge)的注入使硅衬底的表面预非晶化，以降低离子注入的沟道效应。预非晶化注入即锗注入，使硅表面由单晶状态变为非晶状态，并在很浅的范围内形成不激活的浓度分布，因此可以实现浅注入和陡峭的杂质分布。但由于锗离子较重，分子量达到72，对硅晶体的破坏能力比较强，因此会带来一定的行程末端损伤(EOR，EvanglionObservers Regiment)。另外，快速退火过程中伴随着杂质的再扩撒，杂质再扩散容易在两个因素下产生失控，一是行程末端损伤，容易造成瞬时增强扩散(TED，Transient Enhanced Diffusion)；二是快速退火后原子重新排序而产生的间隙空位，一旦间隙空位丧失移动性，将不能再与掺杂的受主元素硼原子交换位置。因此，实际生产中利用碳(C)离子注入克服这个弊端，碳离子捕获行程末端损伤及间隙空位的效能依然能够作用于超浅结。
图1是现有技术中超浅结形成方法流程图。如图1所示，所述超浅结形成方法的步骤包括：
步骤S10，提供一硅衬底，所述硅衬底上形成有栅极结构。
步骤S11，在15℃～18℃下，以所述栅极结构为掩膜在所述硅衬底上进行第一离子注入，使所述硅衬底表面形成预非晶化区，所述第一离子为锗离子。
步骤S12，相同温度下，以所述栅极结构为掩膜向所述预非晶化区进行第二离子注入，在所述硅衬底表面形成一层非常浅的非晶化区，所述第二离子为碳离子，非晶化的目的在于使注入区的晶格处于无序状态，后续注入的离子更加难以扩撒。
步骤S13，以所述栅极结构为掩膜，向所述非晶化区进行第三离子注入，所述第三离子为受主或施主元素，可以为硼(B)或二氟化硼(BF2)，形成超浅结。由于所述非晶化区的存在，降低了离子注入的沟道效应。
步骤S14，快速退火，激活注入所述硅衬底中的杂质。
在实际生产中发现，常温下运用锗和碳两次注入的方法形成所述非晶化区，可以有效减弱瞬时增强扩散效应，消除行程末端损伤，控制结深，形成优异的超浅结。但注入步骤较多，对生产周期造成影响，消耗资源。所以亟需找到一种超浅结的形成方法，缩短生产周期，节省资源。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中超浅结形成工艺繁复、生产周期长、浪费资源的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超浅结的形成方法及半导体器件的形成方法，所述超浅结的形成方法包括：
提供一硅衬底，所述硅衬底上形成有栅极结构；
在-60℃～-100℃温度下，以所述栅极结构为掩膜，向所述硅衬底进行第一离子注入，形成非晶化区；
以所述栅极结构为掩膜，向所述非晶化区进行第二离子注入，形成超浅结。
可选的，所述第一离子为碳离子，所述碳离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。
可选的，所述第一离子为氟离子，所述氟离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14-2e15/cm2。
可选的，所述第二离子为硼离子，所述硼离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。
可选的，所述第二离子为二氟化硼离子，所述二氟化硼离子的注入能量范围为5～15KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。
根据发明的另一面，本发明还提供了一种半导体器件的形成方法，包括：
提供一硅衬底，所述硅衬底上形成有栅极结构；
采用上述超浅结的形成方法中任意一项方法形成超浅结。
可选的，所述第一离子为碳离子，所述碳离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15cm2。
可选的，所述第一离子为氟离子，所述氟离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。
可选的，所述第二离子为硼离子，所述硼离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。
可选的，所述第二离子为二氟化硼离子，所述二氟化硼离子的注入能量范围为5～15KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。
与现有技术相比，本发明在-60℃～-100℃温度下，通过一次性离子注入的方法形成非晶化区，抑制了硅衬底的自退火效应，所以即使较轻的碳离子也可以有效的形成非晶化区，无需进行传统的锗离子的预非晶化注入。另外，本发明在低温条件下进行的注入，对行程末端损伤的生成有很大的抑制作用。又因为注入的是碳或氟离子，碳原子和氟原子在受到热激活时能优先捕获返流的间隙空位，从而抑制第二离子的瞬时增强扩散，碳或氟所捕获的行程末端损伤及间隙空位的效能依然能够作用于超浅结。这就使一步低温碳注入能替代原本的两步锗和碳的注入，缩短了生产工艺流程，节约资源。
附图说明
图1是现有技术中超浅结形成方法流程图；
图2是现有技术中15℃仅进行碳注入的硅衬底表面晶相图；
图3是本发明一实施例中超浅结的形成方法流程图；
图4是本发明一实施例中-60℃仅进行碳注入后的硅衬底表面晶相图；
图5a～5b是本发明一实施例超浅结形成过程的器件剖面结构示意图；
图6是本发明一实施例中半导体器件的形成方法流程图；
图7a～7b是本发明一实施例半导体器件的形成过程的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
发明人经过反复研究发现：因为碳离子本身较轻，原子量只有12，常温下，碳离子没有足够能力在硅衬底表面形成完全非晶化的效果(本发明所述的常温是指15℃～18℃)，即硅衬底的晶格键虽然被打断生成无定形硅(所述无定形硅是硅的非晶化形式)，但由于硅衬底的自退火效应，还有部分碳存在于硅晶格间隙里或夹杂在无定形硅中。图2是现有技术中15℃没有锗注入只有碳注入的硅衬底表面晶相图。如图2所示，所述硅衬底100在15℃情况下，直接进行碳注入，没有进行锗注入，形成非晶化区125。如图2所示，在所述的非晶化区125内即存在非晶化状态的无定型硅121，又夹杂有碳的晶态物质122。可见，常温下，碳离子并没有在所述硅衬底表面形成完全的非晶化区的效果。经研究发现，硅衬底在常温下发生自退火效应，导致硅衬底的不完全的非晶化，若避免自退火效应衬底则可完全非晶化。本发明在-60℃～-100℃温度下，通过一次性离子注入的方法形成非晶化区，抑制了硅衬底的自退火效应，所以即使较轻的碳离子也可以有效的形成非晶化区，无需进行传统的锗离子的预非晶化注入。
如图3所示，本发明提供一种超浅结的形成方法，包括：
步骤S20：提供一硅衬底，所述硅衬底上形成有栅极结构；
步骤S21：在-60℃～-100℃温度下，以所述栅极结构为掩膜，向所述硅衬底进行第一离子注入，形成非晶化区；
步骤S22：在-60℃～-100℃温度下，向所述非晶化区进行第二离子注入，形成超浅结。
在本发明优选方案中，所述第一离子为碳离子或氟离子，较佳实施例中，所述第一离子为碳离子。碳离子和氟离子原子量比较低，碳原子量为14，氟原子量为19，较低原子量意味着所注入的离子对硅衬底的破坏能力比较弱，减少了行程末端损伤。又因为注入的是碳离子或氟离子，碳原子和氟原子在受到热激活时能优先捕获返流的间隙空位，从而抑制第二离子的瞬时增强扩散，所以碳或氟捕获行程末端损伤及间隙空位的效能依然能够作用于超浅结。
图5a～5b是本发明一实施例超浅结形成过程的器件剖面结构示意图。下面结合附图具体说明超浅结的形成方法。
首先，执行步骤S20，如图5a所示，提供一硅衬底200，所述硅衬底200上形成有栅极结构210。
然后，执行步骤S21，如图5a所示，在-60℃～-100℃温度下，以所述栅极结构210为掩膜，向所述硅衬底200进行第一离子注入，形成非晶化区221。所述第一离子优选为碳离子或氟离子。当选用碳离子时，所述碳离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。当选用氟离子时，所述氟离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14-2e15/cm2。本实施例第一离子较佳的选择碳离子。
接着，执行步骤S22，如图5b所示，相同温度下，以所述栅极结构210为掩膜，向所述非晶化区221进行第二离子注入，形成超浅结220。所述第二离子优选为硼离子或二氟化硼离子。本实施例，第二离子较佳选择二氟化硼离子，所述二氟化硼离子的注入能量范围为5～15KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。若选用硼离子，所述硼离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。
图4是本发明一实施例中-60℃碳注入后的硅衬底表面晶相图。如图4所示，所述硅衬底200在-60℃温度情况下，经过碳离子注入，形成非晶化区221。碳离子注入过程中，碳离子打断了所述硅衬底200的晶格键生成无定形硅222，所述无定形硅222是硅的非晶化型式，即形成了非晶化区221。
根据发明的另一面，提供一种半导体器件的形成方法，如图6所示，包括：
步骤S30：提供一硅衬底，所述硅衬底上形成有栅极结构；
步骤S31：在-60℃～-100℃温度下，以所述栅极结构为掩膜，向所述硅衬底进行第一离子注入，形成非晶化区；
步骤S32：相同温度下，以所述栅极结构为掩膜，向所述非晶化区进行第二离子注入，形成超浅结；
步骤S33：在所述栅极结构两侧形成侧墙；
步骤S34：向所述硅衬底进行深掺杂，形成源极和漏极；
步骤S35：对所述硅衬底进行退火处理，形成半导体器件。
采用这种方法形成的半导体器件，超浅结只用一步注入形成，缩短了生产工艺流程，节约资源。
图7a～7b是本发明一实施例半导体器件的形成过程的器件剖面结构示意图。下面结合图7a～7b说明半导体器件形成方法。
首先，执行步骤S30，如图7a所示，提供一硅衬底300，在所述硅衬底300上形成有栅极结构310。
然后，执行步骤S31，以所述栅极结构310为掩膜，在-60℃～-100℃温度下，向所述硅衬底300进行第一离子注入，形成非晶化区；本发明第一离子的优选方案为碳离子和氟离子，优选方案的较佳实施例中所述第一离子为碳离子。所述碳离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。若所述第一离子为氟离子，所述氟离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14-2e15/cm2。
接着，执行步骤S32，继续参照图7a，相同温度下，以所述栅极结构310为掩膜，对所述非晶状态区进行第二离子注入，形成超浅结320。所述第二离子优选方案为硼离子或二氟化硼离子。本发明较佳实施例第二离子选用二氟化硼离子，所述二氟化硼离子的注入能量范围为5～15KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。若所述第二离子为硼离子，所述硼离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。在-60℃～-100℃温度下，因为温度较低，抑制了硅衬底的自退火效应，所以即使较轻的低分子量的离子源也可以有效的形成非晶化区，防止第二次离子注入后发生沟道效应和杂质扩散。同时，在低温条件下进行的注入，对行程末端损伤的生成有很大的抑制作用。又因为注入的是碳或氟离子，比较轻，减少了行程末端损伤。并且碳原子和氟原子在受到热激活时能优先捕获返流的间隙空位，从而抑制第二离子的瞬时增强扩散。所以碳所捕获行程末端损伤及间隙空位的效能依然能够作用于超浅结。
再然后，执行步骤S33，在所述栅极结构310两侧形成侧墙311，如图7b所示。所述侧墙311形成过程包括在所述硅衬底上形成介质层(图中未示出)，形成方式可以为低压化学气相沉积，然后对所述介质层进行回刻，从而在所述栅极结构两侧形成所述侧墙311，所述侧墙311的作用是为保护所述栅极结构310在接下来的深掺杂中免受损伤。
再接着，执行步骤S34，如图7b所示，以所述栅极结构310和所述侧墙311共同作为掩膜，向所述硅衬底300进行深掺杂，形成源极330和漏极340。
最后，执行步骤S35，对所述硅衬底300进行退火处理，形成半导体器件。所述退火处理包括预退火和尖峰退火，尖峰退火温度为950～1100度。
通过本发明的方法形成的半导体器件工艺简单，节约了资源。
综上所述，本发明在-60℃～-100℃温度下，通过一次离子注入的方法，抑制了硅衬底的自退火效应，所以即使较轻的碳离子或氟离子也可以有效的形成非晶化区，另外，在低温条件下进行的注入，对行程末端损伤的生成有很大的抑制作用。因为注入的是碳或氟离子，抑制了第二离子的瞬时增强扩散，所以碳或氟所捕获的行程末端损伤及间隙空位的效能依然能够作用于超浅结。这就使一步低温碳注入，能替代原本的两步锗和碳的组合注入，缩短了生产工艺流程，节约资源。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种超浅结的形成方法，其特征在于，包括：
提供一硅衬底，所述硅衬底上形成有栅极结构；
在-60℃～-100℃温度下，以所述栅极结构为掩膜，向所述硅衬底进行第一离子注入，形成非晶化区；
在-60℃～-100℃温度下，以所述栅极结构为掩膜，向所述非晶化区进行第二离子注入，形成超浅结。
2.如权利要求1所述的超浅结的形成方法，其特征在于，所述第一离子为碳离子，所述碳离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。
3.如权利要求1所述的超浅结的形成方法，其特征在于，所述第一离子为氟离子，所述氟离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14-2e15/cm2。
4.如权利要求1所述的超浅结的形成方法，其特征在于，所述第二离子为硼离子，所述硼离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。
5.如权利要求1所述的超浅结的形成方法，其特征在于，所述第二离子为二氟化硼离子，所述二氟化硼离子的注入能量范围为5～15KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。
6.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，包括：
提供一硅衬底，所述硅衬底上形成有栅极结构；
在-60℃～-100℃温度下，以所述栅极结构为掩膜，向所述硅衬底进行第一离子注入，形成非晶化区；
在-60℃～-100℃温度下，，以所述栅极结构为掩膜，向所述非晶化区进行第二离子注入，形成超浅结；
在所述栅极结构两侧形成侧墙；
向所述硅衬底进行深掺杂，形成源极和漏极；
对所述硅衬底进行退火处理。
7.如权利要求6所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述第一离子为碳离子，所述碳离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。
8.如权利要求6所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述第一离子为氟离子，所述氟离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。
9.如权利要求6所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述第二离子为硼离子，所述硼离子的注入能量范围为2～10KeV，剂量范围为5e14～2e15/cm2。
10.如权利要求6所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述第二离子为二氟化硼离子，所述二氟化硼离子的注入能量范围为5～15KeV，剂量范围为2e15～5e15/cm2。
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