CN112582472A - 一种半导体器件及形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种半导体器件及形成方法。在本发明实施例中，通过在隔离层的高度不同的情况下分别采用两次离子注入形成第一防穿透注入区和第二防穿透注入区，在不增大注入能量的情况下，增大防穿透注入区的深度。第一防穿透注入区和第二防穿透注入区能够更好的避免源漏区的离子向沟道区横向扩散，能够调节半导体器件的阈值电压，避免短沟道效应，提高半导体器件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体器件及形成方法。
背景技术
随着半导体制造工艺的不断发展，半导体器件的集成度越来越高，半导体器件的特征尺寸也逐渐缩小。然而，半导体器件的性能还需要提高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体器件及形成方法，以提高半导体器件的性能。
第一方面，本发明实施例提供一种半导体器件的形成方法，所述方法包括：
提供前端器件层，所述前端器件层包括多个分立的鳍部，各所述鳍部之间填充有隔离层；
对各所述鳍部进行离子注入，以在所述鳍部中形成第一防穿透注入区；
回刻蚀所述隔离层，以使所述隔离层的上表面低于所述鳍部的上表面；
对各所述鳍部进行离子注入，以在所述鳍部中形成第二防穿透注入区；
其中，所述第二防穿透注入区位于所述第一防穿透注入区的下方。
进一步地，所述鳍部包括从鳍部顶端向下延伸预定距离的沟道区，所述第一防穿透注入区和所述第二防穿透注入区在所述鳍部的沟道区的下方。
进一步地，所述沟道区为从鳍部顶端向下延伸20纳米-40纳米的区域；所述第一防穿透注入区的深度范围是距离所述鳍部顶端20纳米-50纳米；所述第二防穿透注入区的深度范围是距离所述鳍部顶端30纳米-60纳米。
进一步地，所述离子注入的能量为100Kev-200Kev。
进一步地，所述注入的离子的剂量范围为1E12-5E14。
进一步地，所述注入的离子为碳离子、磷离子、氮离子以及砷离子中的一种或多种。
进一步地，所述方法还包括：
回刻蚀所述隔离层至所述隔离层的上表面与所述沟道区的下表面基本平齐。
第二方面，本发明实施例提供一种半导体器件，所述半导体器件包括：
前端器件层，所述前端器件层包括多个分立的鳍部，各所述鳍部之间填充有隔离层；
第一防穿透注入区和第二防穿透注入区，所述第一防穿透注入区和所述第二防穿透注入区位于所述鳍部中，所述第一防穿透注入区通过在前的第一次离子注入形成和所述第二防穿透注入区在的第二次离子注入形成，所述第一次离子注入的隔离层厚度大于所述第二次离子注入的隔离层厚度；
其中，所述第二防穿透注入区位于所述第一防穿透注入区的下方。
进一步地，所述鳍部包括从鳍部顶端向下延伸预定距离的沟道区，所述第一防穿透注入区和所述第二防穿透注入区在所述鳍部的沟道区的下方。
进一步地，所述沟道区为从鳍部顶端向下延伸20纳米-40纳米的区域；所述第一防穿透注入区的深度范围是距离所述鳍部顶端20纳米-50纳米；所述第二防穿透注入区的深度范围是距离所述鳍部顶端30纳米-60纳米。
在本发明实施例中，通过在隔离层的高度不同的情况下分别采用两次离子注入形成第一防穿透注入区和第二防穿透注入区，在不增大注入能量的情况下，增大防穿透注入区的深度。第一防穿透注入区和第二防穿透注入区能够更好的避免源漏区的离子向沟道区横向扩散，能够调节半导体器件的阈值电压，避免短沟道效应，提高半导体器件的性能。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是本发明实施例的半导体器件的形成方法的流程图；
图2-图8是本发明实施例的半导体器件的形成方法的各步骤形成的结构的示意图；
图9是本发明实施例的半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“层”在其最广泛的意义上被使用，从而包括膜、盖层或类似，并且一个层可以包括多个子层。
在本发明的描述中，需要理解的是，贯穿说明书提及用于选择性地去除多晶硅、氮化硅、二氧化硅、金属、光致抗蚀剂、聚酰亚胺或类似材料的半导体制造领域中已知的传统蚀刻技术包括例如湿化学蚀刻、反应离子(等离子体)蚀刻(RIE)、洗涤、湿清洗、预清洗、喷淋清洗、化学机械研磨工艺(Chemical Mechanical Polishing，CMP)以及类似的工艺。这里参照这种工艺的例子对特定的实施例进行描述。然而，本公开以及对于特定沉积技术的参照不应当限于所描述的。在一些例子中，两种这样的技术可以互换。例如，剥离光致抗蚀剂可以包括将样本浸泡在湿化学浴中或可代替地将湿化学品直接喷涂在样本上。
半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。现有常用的半导体器件包括鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor，Fin-FET)。鳍式场效应晶体管包括P型鳍式场效应晶体管和N型鳍式场效应晶体管不同类型的晶体管。
随着晶体管栅极长度的持续缩小，氧化增强扩散(Oxidation EnhancedDiffusion，OED)成为影响硼离子和磷离子扩散的关键因素，由于氧化增强扩散效应，造成了瞬态增强扩散效应(Transient Enhanced Diffusion TED)，而瞬态增强扩散效应不仅造成晶体管的短沟道效应(Short Channel Effects，SCE)，而且影响晶体管沟道迁移率、结电容以及结漏电流。短沟道效应是当金属氧化物场效应晶体管的导电沟道长度降低到十几纳米、甚至几纳米量级时，晶体管出现的一些效应。这些效应主要包括阈值电压随着沟道长度降低而降低、漏致势垒降低、载流子表面散射、速度饱和、离子化和热电子效应。因此，急需一种新的半导体器件的形成方法，来抑制半导体器件制造过程中的瞬态增强扩散效应，进而有效的抑制短沟道效应，提高半导体器件的性能。
在一个对比例的半导体器件的形成方法中，在互补金属氧化物半导体中，利用注入碳基团(Carbon Cluster)形成浅结以控制晶体管的源、漏极内的硼离子的扩散，通过高剂量的注入碳基团以在硅衬底内形成应力。通过在形成源漏区前在源漏区的扩散区注入碳离子，使碳离子吸附源漏区的扩散区中的间隙式缺陷，以达到抑制源漏区中注入的磷离子或硼离子等掺杂离子扩散的效果。
然而，对比例的半导体器件的形成方法，由于注入碳基团的能量过高，会对源漏区的扩散区造成较大的注入损伤，导致形成较高的隧穿漏电流(Tunneling Leakage，TL)。同时，由于鳍式场效应晶体管的立体结构，需要防穿透注入区的位置更深，这就需要注入能量更大，更加容易在注入过程中对半导体器件造成损伤。
有鉴于此，为了提高半导体器件的可靠性。本发明实施例提供了一种半导体器件的形成方法。在本发明实施例中，以形成鳍式场效应晶体管为例进行说明，进一步地，本发明实施例的方法可用于形成14nm工艺节点及以下的鳍式场效应晶体管，例如，可以形成14nm工艺节点或者7nm工艺节点的鳍式场效应晶体管。进一步地，本发明实施例的方法所形成的鳍式场效应晶体管的方法同样也可以用于形成互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)，NAND存储器(NAND Flash Memory)以及静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)等其他半导体器件。
图1是本发明实施例的半导体器件的形成方法的流程图。如图1所示，本发明实施例的半导体器件的形成方法包括如下步骤：
步骤S100、提供前端器件层，所述前端器件层包括多个分立的鳍部，各所述鳍部之间填充有隔离层。
步骤S200、对各所述鳍部进行离子注入，以在所述鳍部中形成第一防穿透注入区。
步骤S300、回刻蚀所述隔离层，以使所述隔离层的上表面低于所述鳍部的上表面。
步骤S400、对各所述鳍部进行离子注入，以在所述鳍部中形成第二防穿透注入区。其中，所述第二防穿透注入区位于所述第一防穿透注入区的下方。
在一种可选的实现方式中，本发明实施例的半导体器件的形成方法还包括：
步骤S500、回刻蚀所述隔离层，以使所述隔离层的上表面与所述沟道区的下表面基本平齐。
图2-图7是本发明实施例的半导体器件的形成方法的各步骤形成的结构的示意图。
图2是前端器件层的鳍部的立体结构图。图3是前端器件层沿AA’线的剖面示意图。参考图2和图3，在步骤S100中，提供前端器件层10，所述前端器件层包括多个分立的鳍部11，各所述鳍部之间填充有隔离层12。
具体地，在步骤S100中提供的前端器件层10可包括硅单晶衬底、锗单晶衬底或硅锗单晶衬底。可替换地，前端器件层10还可包括绝缘体上硅(SOI)衬底、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)、绝缘体上锗(GeOI)、硅上外延层结构的衬底、化合物前端器件层或合金前端器件层。所述化合物前端器件层包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、或镝化铟，所述合金前端器件层包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、GaInAsP或者它们的组合，所述SOI衬底包括设置在绝缘材料层上的半导体层(例如硅层、锗硅层、碳硅层或锗层)，半导体层中具有源器件和无源器件，所述绝缘材料层保护设置在半导体层上的有源器件和无源器件。在所述前端器件层表面还可以形成若干外延界面层或应变层等结构以提高半导体器件的电学性能。
隔离层12的上表面和所述鳍部11的上表面基本平齐。隔离层12的材料可以为二氧化硅(SiO2)、氮氧化硅(SiON)或碳氧化硅(SiOC)。隔离层12的材料还可以是低K介质材料(介电常数大于或等于2.5且小于3.9)或超低K介质材料(介电常数小于2.5)，在本实施例中，隔离层12的材料为二氧化硅。
所述隔离层12用于相邻鳍部11之间的电隔离。隔离层12可以在后续离子注入工艺中避免掺杂离子注入到前端器件层10中。
参考图4，在步骤S200中，对各所述鳍部11进行离子注入，以在所述鳍部11中形成第一防穿透注入区20。
具体地，所述鳍部11包括从鳍部11顶端向下延伸预定距离的沟道区C，所述第一防穿透注入区20在所述鳍部11的沟道区C的下方。
为了避免形成漏电流，在沟道区的下方形成与源漏区掺杂类型相反的掺杂区，以形成PN结，避免形成漏电流。进一步在沟道区C的下方离子注入与源漏区掺杂类型掺杂离子、碳团簇或者氮团簇，形成第一防穿透注入区20，以减少沟道区下方区域中的缺陷，避免源漏区中的掺杂离子向前端器件层中扩散。
具体地，所述注入的离子为碳离子、磷离子、氮离子、硼离子、铟离子、镓离子以及砷离子中的一种或多种。
在一种可选的实现方式中，所述沟道区C为从鳍部11顶端向下延伸20纳米-40纳米的区域；所述第一防穿透注入区20的深度范围是距离所述鳍部11顶端20纳米-50纳米。
所述离子注入的能量为100Kev-200Kev。所述注入的离子的剂量范围为1E12-5E14。
在一个可选的实现方式中，当形成N型鳍式场效应晶体管时，会在沟道区C两侧的鳍部11中形成N型掺杂的源漏区。在沟道区C的下方形成的第一防穿透注入区中的注入P型掺杂离子，具体地，注入离子可以为硼(B)离子、铟(In)离子和镓(Ga)离子中的一种或几种。第一防穿透注入区中的注入离子还可以包括碳团簇或者氮团簇。离子注入的注入角度为0-5度，注入剂量为5E12atom/cm2-5E14atom/cm2，注入能量为50Kev-200Kev。
在另一个可选的实现方式中，当形成N型鳍式场效应晶体管时，会在沟道区C两侧的鳍部11中形成N型掺杂的源漏区。在沟道区C的下方形成的第一防穿透注入区中的注入N型掺杂离子，具体地，注入离子可以为磷(P)离子、砷(As)离子和锑(Te)离子中的一种或几种。第一防穿透注入区中的注入离子还可以包括碳团簇或者氮团簇。离子注入的注入角度为0-5度，注入剂量为5E12atom/cm2-5E14atom/cm2，注入能量为12Kev-50Kev。
参考图5，在步骤S300中，回刻蚀所述隔离层12，以使所述隔离层12的上表面低于所述鳍部11的上表面。
具体地，所述隔离层12的上表面低于所述鳍部11的上表面10纳米-30纳米。
具体地，选择对所述隔离层12的刻蚀速率大于所述鳍部11的刻蚀速率的刻蚀工艺刻蚀所述隔离层12。也就是说，选择对鳍部11的选择比较高的刻蚀工艺刻蚀所述隔离层12。
具体可以采用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺刻蚀所述隔离层12。
在一个可选的实现方式中，采用干法刻蚀工艺进行所述刻蚀，干法刻蚀工艺的工艺参数为：CHF3流量为50sccm-500sccm，O2流量为0sccm-200sccm，腔室压强为2mTorr-100mTorr，提供源功率200W-1000W，提供偏置功率0W-200W。
在另一个可选的实现方式中，可以采用氢氟酸溶液作为刻蚀溶液的湿法刻蚀工艺刻蚀所述隔离层12。
在本步骤中，将隔离层12向下刻蚀预定的深度，以便于后续第二次对鳍部进行离子注入。
参考图6，在步骤S400中，对各所述鳍部11进行离子注入，以在所述鳍部11中形成第二防穿透注入区30。其中，所述第二防穿透注入区30位于所述第一防穿透注入区20的下方。
由于所述隔离层12的上表面低于鳍部的上表面，因此在本步骤的离子注入过程中，鳍部的部分侧壁未被隔离层12所覆盖，注入离子可以通过未被覆盖的鳍部的侧壁的区域进入鳍部中。
如图6所示的鳍部的截面中，由于注入离子会从侧壁表面注入鳍部中，因此，第二防穿透注入区30在鳍部的中间区域的尺寸会小于在鳍部边缘区域的尺寸。
具体地，所述注入的离子为碳离子、磷离子、氮离子、硼离子、铟离子、镓离子以及砷离子中的一种或多种。
具体地，离子注入的注入角度为0-5度，注入剂量为5E12atom/cm2-5E14atom/cm2，注入能量为20Kev-200Kev。
在本步骤中，隔离层12的高度低于鳍部的上表面，在不增大注入能量的情况下，可以使第二防穿透注入区的位置在第一防穿透注入区的下方。能够进一步提高隔离性能，避免源漏区横向扩散，进而抑制短沟道效应。
参考图7，在步骤S500中，回刻蚀所述隔离层12至所述隔离层12的上表面与所述沟道区C的下表面基本平齐。
具体地，刻蚀工艺可以参考步骤S300，在此不再赘述。
参考图8，在后续工艺中，形成横跨鳍部11的栅极结构13。并在栅极结构13的两侧的鳍部11中通过离子注入或外延生长的工艺形成源漏区、形成连接源漏区的电极以及将源漏区电连接到其他半导体结构上的互连结构等，并进行封装，以形成完整的半导体器件。
在本发明实施例中，通过在隔离层的高度不同的情况下分别采用两次离子注入形成第一防穿透注入区和第二防穿透注入区，在不增大注入能量的情况下，增大防穿透注入区的深度。第一防穿透注入区和第二防穿透注入区能够更好的避免源漏区的离子向沟道区横向扩散，能够调节半导体器件的阈值电压，避免短沟道效应，提高半导体器件的性能。
应理解，本发明实施例以进行两次离子注入为例进行说明，在其他可选的实现方式中，也可以采用三次或三次以上的离子注入，以更好的控制防穿透注入区的位置，进一步提高半导体器件的性能。
应理解，本发明实施例的鳍部以矩形为例进行说明，而实际上，鳍部的截面形状可以是其他形状，例如鳍部的截面可以是梯形、三角形或者不规则形状等。
另一方面，本发明实施例还提供一种半导体器件，所述半导体器件包括：前端器件层、第一防穿透注入区和第二防穿透注入区。
所述前端器件层包括多个分立的鳍部，各所述鳍部之间填充有隔离层。
所述第一防穿透注入区和所述第二防穿透注入区位于所述鳍部中，所述第一防穿透注入区通过在前的第一次离子注入形成和所述第二防穿透注入区在的第二次离子注入形成，所述第一次离子注入的隔离层厚度大于所述第二次离子注入的隔离层厚度。其中，所述第二防穿透注入区位于所述第一防穿透注入区的下方。
如图9所示，本发明实施例所述的半导体器件包括：前端器件层10’、第一防穿透注入区20’和第二防穿透注入区30’。
所述前端器件层10’包括多个分立的鳍部11’，各所述鳍部11’之间填充有隔离层12’。
所述鳍部11’包括从鳍部11’顶端向下延伸预定距离的沟道区C’，所述第一防穿透注入区20和所述第二防穿透注入区30’在所述鳍部11’的沟道区C’的下方。
所述沟道区C’为从鳍部11’顶端向下延伸20纳米-40纳米的区域。
所述第一防穿透注入区20’和所述第二防穿透注入区30’位于所述鳍部11’中，所述第一防穿透注入区20’通过在前的第一次离子注入形成和所述第二防穿透注入区30’在的第二次离子注入形成，所述第一次离子注入的隔离层12’厚度大于所述第二次离子注入的隔离层12’厚度。其中，所述第二防穿透注入区30位于所述第一防穿透注入区20的下方。
所述第一防穿透注入区20’的深度范围是距离所述鳍部11’顶端20纳米-50纳米；所述第二防穿透注入区30’的深度范围是距离所述鳍部11’顶端30纳米-60纳米。
在本发明实施例中，通过在隔离层的高度不同的情况下分别采用两次离子注入形成第一防穿透注入区和第二防穿透注入区。第一防穿透注入区和第二防穿透注入区能够更好的避免源漏区的离子向沟道区横向扩散，能够调节半导体器件的阈值电压，避免短沟道效应，提高半导体器件的性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体器件的形成方法，其特征在于，所述方法包括：
提供前端器件层，所述前端器件层包括多个分立的鳍部，各所述鳍部之间填充有隔离层；
对各所述鳍部进行离子注入，以在所述鳍部中形成第一防穿透注入区；
回刻蚀所述隔离层，以使所述隔离层的上表面低于所述鳍部的上表面；
对各所述鳍部进行离子注入，以在所述鳍部中形成第二防穿透注入区；
其中，所述第二防穿透注入区位于所述第一防穿透注入区的下方。
2.根据权利要求1所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述鳍部包括从鳍部顶端向下延伸预定距离的沟道区，所述第一防穿透注入区和所述第二防穿透注入区在所述鳍部的沟道区的下方。
3.根据权利要求2所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述沟道区为从鳍部顶端向下延伸20纳米-40纳米的区域；所述第一防穿透注入区的深度范围是距离所述鳍部顶端20纳米-50纳米；所述第二防穿透注入区的深度范围是距离所述鳍部顶端30纳米-60纳米。
4.根据权利要求1所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述离子注入的能量为100Kev-200Kev。
5.根据权利要求1所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述注入的离子的剂量范围为1E12-5E14。
6.根据权利要求1所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述注入的离子为碳离子、磷离子、氮离子、硼离子、铟离子、镓离子以及砷离子中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的半导体器件的形成方法，其特征在于，所述方法还包括：
回刻蚀所述隔离层至所述隔离层的上表面与所述沟道区的下表面基本平齐。
8.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括：
前端器件层，所述前端器件层包括多个分立的鳍部，各所述鳍部之间填充有隔离层；
第一防穿透注入区和第二防穿透注入区，所述第一防穿透注入区和所述第二防穿透注入区位于所述鳍部中，所述第一防穿透注入区通过在前的第一次离子注入形成和所述第二防穿透注入区在的第二次离子注入形成，所述第一次离子注入的隔离层厚度大于所述第二次离子注入的隔离层厚度；
其中，所述第二防穿透注入区位于所述第一防穿透注入区的下方。
9.根据权利要求8所述的半导体器件，其特征在于，所述鳍部包括从鳍部顶端向下延伸预定距离的沟道区，所述第一防穿透注入区和所述第二防穿透注入区在所述鳍部的沟道区的下方。
10.根据权利要求9所述的半导体器件，其特征在于，所述沟道区为从鳍部顶端向下延伸20纳米-40纳米的区域；所述第一防穿透注入区的深度范围是距离所述鳍部顶端20纳米-50纳米；所述第二防穿透注入区的深度范围是距离所述鳍部顶端30纳米-60纳米。
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