TW506125B - Fully amorphized source/drain for leaky junctions - Google Patents

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TW506125B
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Scott Crowder
Dominic J Schepis
Melanie J Sherony
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Ibm
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Description

06 5
A7 B7 第號專利案々/年4月修正 五、發明説明（） 發明兔座」^ (請先閱讀背面之注意事項再場寫本頁) 本發明廣義上係與半導體元件相關，特別是關於具有 一絕緣體上矽（silicon-on-insulator ; SOI)結構之半導體元 件’ $元件元件能消除該元件元件浮置基體（floating body) 上之電荷。 發明背蚕 具有SOI結構之半導體元件，其絕緣層是埋在一層較 薄的硬層底下，而該矽層通常包含一或數個場效應電晶體 之源極區或汲極區。特別的是，該SOI元件可以分類成兩 個基本結構中之其中一種。第一種結構包含一層薄矽層 (通常為0.5微米或更薄），其位於一厚絕緣層之上，該絕 緣層作為該元件之整體基底。矽覆蓋藍寶石“丨丨化“乂卜 sapphire)元件為此種s〇I元件之一例。第二種結構是絕緣 層包爽在一硬基底及覆蓋其上之梦層之間。以植入氧而形 成分離（separation by implanted oxygen ; SIM0X)之元件及 以晶片連結者為此種結構之例子。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 S 01半導體元件適用於各種應用中。例如，s 〇 I元件 因為能在其背部介面處提供一負偏壓，因此與其塊材石夕相 較而言，其較能抗輻射及較不受阿爾法粒子干擾。因此， s〇i元件常被使用在太空及國防電子儀器中。此外，S0I 元件亦因其中存在厚絕緣體而使其汲極的寄生電容較一 般為小。此元件，這種特性使得其速度較於諸以塊材矽製 成者為更快。另外的一個優點是，以SOI結構形成於互補 第2頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐)
(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 金氧矽場效電晶體中將使該電晶體不會有鎖死（latch_up) 的問通’因此其積集密度高於不具S〇I者。此外，其它的 優點還包括具較佳之隔離性質、具較大的雜訊安全餘裕度 及相當低的閒置電源用量。 雖然SOI元件具有不少的優點，但傳統s〇I元件卻仍 有重大缺點而使其無法完美運作。例如，在傳統S 〇〗結構 中，埋在矽層下之氧化物層（絕緣體）在介電相上與元件之 基底（亦即’底層之碎基材）互相分離。因此，電荷通常會 形成在該元件浮置基體上，而這些電荷並無法由該元件將 之消耗掉。 S. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 美國專利第5,264,721號揭露一種解決此問題之方 法。如第1圖所示，該結構包含一形成在一矽基底丨上之 二氧化矽絕緣層2。在這絕緣層之上為一 p型矽層3，接 著是一絕緣層4及一閘電極5 ^為了抑制元件中之轉折現 象（kink phenomenon)，乃將鋁離子植入矽層之源極區6，， 植入之深度則到達位於矽層3與源極區之間的p _ n接合面 處’其中該處與汲極區7以一通道3 1隔開。該植入的鋁 離子將使源極p-n接合面上形成漏電流，此漏電流將使位 於通道31下之源極區6,及矽層31 •部分之間可能存在之電 位差被消除，因此矽層3丨，就不致被浮置，而上述之轉折 現象亦得以受到抑制。 然而，就某些理由說來，以上之方法並不受到歡迎。 首先，加以光罩曝光的動作可能需要一次以上。第二，所 植入的非傳統物質（鋁）可能會對所生成元件之操作有不利 第3頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐)
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發獨先赵() 的影響。 尚有其它能消除SOI結構之基體電荷的方法已發·展 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 出來。這些方法都在SOI結構上有意地創造接合面的缺 ’以使電荷漏電至基底，即這些傳統方法都都使其源極 /沒極形成一些，，漏電，，現象。然而，在加以後續製程時（如 回火等）’該源極/汲極區將再度結晶，接合面之漏電又因 此減少。 因此一種使具SOI元件之半導體能產生接合面永久 漏電途徑、且能持續並有效消除該元件基體所生成之電荷 的方法是亟須被提出的。 璧二明概沭： 本發明之目的是提供一種製成一具有S0I結構之半 導體元件的方法，其具有較傳統S〇I元件為佳的性能。 本發明之另一目的是在SOI結構之源極區及汲極區 形成接合面漏電途徑，並且持續及有效率地消耗在該元件 運作中所產生的基體電荷，以達成之前所述之目的。 本發明之另一目的在於達成前述之永久性接合面漏 电途彳至’其方法是利用將非晶型物種植入S 〇丨元件之源極 區及汲極區内，以使該源極區及汲極區能維持其漏電特 徵，此特徵之存在不受任何為產生最終S0I產物而進行的 任何後續製程步驟所影響。 本發明之另一目的在於提供一種前述之能消除基體 電荷、不需要使用數道光罩步驟、使用傳統物種（如矽、 第4頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 506125 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） • 鍺等）而形成一均勻預非晶型層的方法，其中並能因增加 結晶之缺陷而產生漏電效應。 本發明之另一目的在於提供一具有 SOI結構之半導 體元件’其遍浮置基體效應（floating-body effect)有較佳的 阻止效果。 這些與其它本發明目的可藉由一種方法達成，即在 SOI結構中之源極及汲極區植入一種非晶化物種（如矽或 鍺等）至某一預定之深度非晶型，其中植入之深度與濃度 當以能使源極及汲極變成完全非晶化（亦即，非晶型物種 完全植入於源極及汲極的整個厚度範圍中）為原則，以確 保p-ri漏電接合面在該元件之壽命期間内皆有效能，以讓 該元件可消耗基體電荷。因此，本發明之SOI結構雖然以 傳統之技術製，但其在製造上卻較簡化。 本發明之另一優點是其所形成之接合面漏電能減少 所謂的，，轉折效應（kink effect)”。在浮置基體SOI元件中。 在一咩置基體SOI元件中，電荷有在基體中累積的傾向， 這使得臨界電壓下降，因而使汲極電流增加。這種電流的 増加被視作電晶體輸出特性的一個，，轉折”。然而，本發明 藉由在基體中產生漏電，轉折效應因此得以受到抑制，操 作性能也因之提升。 星式簡軍說明： 本發明之上述及其它目的、特徵及優點可由下述詳 一 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ϋ 11 n n n ϋ I i-i Λ§β n n an I n ·1· al· i n B·— JrJ· I n mma9 n n n I n i t- i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 506125
、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 細說明並配合圖示之說明而更得以彰顯，其中上述所概 述之本發明的特定描述可逕行參考詳細說明中的特定實 施例，這些特定實施例則以所附之圖式配合說明。其中： 第1圖為一具有傳統S0J結構之半導體元件之圖示； 第2圖為陳述本發明方法所包含之步驟的流程圖； 第3圖為陳述本發明方法之較佳實施例中所包含步驟的流 程圖， 第4圖說明本發明中用以形成s〇i結構之較佳方法實施 例’其中顯示形成該結構之初始步驟； 第5圖顯示利用本發明之較佳方法實施例所進行之閘極形 成； 第6圖顯示根據本發明之方法而在一矽層上表面形成之捧 雜增大區的形成； 第7圖為本發明中一閘極周邊之填充物的形成； 第8圖為本發明中之在源極及汲極的整個深度範圍中植以 非晶化物種的說明；及 第9圖為根據本發明所形成之具一 s 〇 I結構的半導體元 件。 圖號對照說明: 2 絕緣層 3 碎層 4 絕緣層 5 閘電極 6丨 源極區 7 沒極區 3 1 通道 3Γ 矽層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） — — —— — — —— — — — — — I I l· I I I ^ «HlllIJi I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 506125 A7 __B7 五、發明說明（） 200 碎基底 210 介質材料層 220 230 閘極 240 通道區 250 擴大植入區 260 填充物 265 淺捧雜擴充·區 266 淺摻雜擴充區 270 源極區 280 沒極區 300 矽層之頂面 410 漏電ρ-η接合面 420 中性區 430 擴散區 發明詳細說明： 如第2圖所示，本發明之方法與各種傳統製程技術相 同，即首先在一絕緣層上形成一場效電晶體，因而製成s 〇 j 半導體元件。這些傳統技術包含製成一絕緣層（如二氧化 矽層），然後在該絕緣層上形成一矽層（方塊丨〇 〇及1 〇 〇。 該絕緣層可製成在一矽基底之上，亦可因擁有足夠之厚度 而使其本身能有效當作基底。接著再進行其它的光罩處理一 與沉積步驟，以在矽層之通道頂部產生一閘極區（方塊 102)0 一旦這些基本元件形成之後，本發明方法之方法便可 接著進行，即植入一種非晶型物種於矽層之源極區與汲極 區（万塊103)，其中此植入濃度與深度須足以確使源極區 與汲極區達到完全非晶化直至矽層底部。最後，矽層加以 光罩處理，並加以摻雜而形成.電晶體之源極及汲極，其中 兩極之間並存在一通道（方塊104) 0 第7頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21() χ 297公爱) --- -----------------r--t--------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 506125 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 在方塊1 03中，非晶型物種在植入時以遍及源極及汲 極之整個厚度範圍為佳，亦即從矽層頂面至矽層與其底下 絕緣體之間的界限處。由於源極及汲極係以上述之方式而 變得非晶化/所以後續製程步驟中任何可能會再結晶而形 成晶種層之晶層基底皆被消除。甚且，即使有任何再結晶 發生’其範圍亦將受限而成為不規則結晶區域，因該S0I 結構仍保有能消耗基體電荷的漏電接合面。（熱循環為一 選擇性步驟’本發明中儘量減少該步驟，以避免基體中的 晶體再成長）。因此，本發明所提供之結構比任何傳統方 法更能有效對基體電荷嗲以消耗。 就植入條件而言，植入深度可以根據矽層厚度來調整 離子植入能量的方式加以控制。進一步言，源極區及汲極 區所植入之非晶型物種當以相同者為佳，因為如此將使本 發明進行時無須加以額外的光罩處理步騾。更進一步言， 對源極區及汲極區的植入最好在閘極形成之後同時進 行’如此能使本發明之方法成為一種自行排列程序（self_ aligned process ) 〇 為了達成非晶化之目的，植子之濃度必須恰到好處。 例如’錯非晶型的用量約為5.〇xi〇14/cin2 ，而lxi〇14/cm2 至約1 X 1 0〖5/cm2之用量對形成本發明之非晶區來說亦是 可接受的。以此範圍之濃度所產生的非晶型層在晶種層被 移除時不會再結晶成單晶矽。在植入能量上，約3 〇至4 〇 仟電子伏特的能量適用於非常薄的層膜；而對於較厚者， 名值則為數百仟電子伏特。然而，熟知該項技藝者皆知， 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------^ ^---一------r---^-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 506125 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 該準確之植入條件當視被非晶化之矽膜厚度及造成非晶 化之加入物種而定。 如果該膜夠厚，這時可使用兩種或更多不同的植子， 並可加以不同之植入能量來達成非晶化的目的。例如，植 入能量可分別是50、100、及200仟電子伏特，植入物種 用量則可如前述範圍者’以確保處處都損害層，直至所埋 入之氧化層止。 如先前所強調，藉由植入非晶型物種於源極區及沒極 區的整個厚度範圍中可確保本發明之SOI結構具有永久性 的晶體缺陷，這有助於在源極/汲極區與通道區之間產生永 久性的漏電p-n接合面，即那些不會在後續製程步驟（如 回火）中因源極及汲極區中可能發生的再結晶而消失的接 合面。，這說明了本發明相較於傳統方法搓來已獲致重大 的改良。 傳統方法製成之SOI結構亦具有漏電源極/汲極接合 面’但僅僅是暫時性或效率不彰的。觀諸傳統方法，其缺 陷係形成於源極及通道之間和沒極及通道之間的P_n接合 面’其漏電接合面因此形成。然而，於後續製程步驟（如 退火等）中，源極區與汲極區中當作晶種的單晶基會再度 結晶。因此，如果未能一起消除，則接合面之漏電性將大 幅地減低，基體中所生的電荷因而繼績累積。 本發明不會產生這些缺失。因為，本發明之漏電接合面係 以將非晶型物種植入源極區與汲極區之整個厚度範圍的 方式生成。當源極區及汲極區以此方式加以非晶化後，源 第9貰 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --------------^__w----r---^--------: ·線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 506125
、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 極及汲極之接面的漏電量相當高並會不斷維持，即使在經 k後續製程步驟（如退火等）之後亦然。 本發明以使矽層頂面至底面（亦即損害層之範圍）皆 均勻地進行哔晶化為佳。反t，傳統方法則是將缺陷生成 層置於相當於矽層頂面與底面之間的深度處 '由於在該深 、上及之下所受到的損害程度不同，漏電程度亦隨之不 同；、、：而，本發明在以深度為變數時，所造成的損害結果 疋較均勻的。甚且，藉由對整個層面加以非晶化的做法還 簡化的本發明的製程，因為其不需要將損害層置於一精確 深度上。因此本發明在製程中因具較佳之控制能力而在製 程窗口上較傳統方法者為大。 本發明之方法的一較佳實施例可見於第3圖中的流程 圖’其並與第4圖至第9圖之描述相對應。該方法首先形 成一 SOI結構，結構中包含一層介質材料（如二氧化矽等） 層210形成於一矽基底2〇〇之上；接著在該介質材料層21〇 之上形成一層矽層220(方塊300及第4圖）；然後，形 成一閘極230在該矽層220之上，而該閘極230下之矽層 220覆蓋住於一通道區240之上（方塊310及第5圖）。 其次’擴大植入區250形成在閘極周邊之矽層上表面内（方 塊3 2 0及第6圖），其中閘極的形成有利於使增大植入形 成一種自行排列（self-aligning)。形成填充物260於閘極之 周邊，並位於淺摻雜擴充區265及266(方塊330及第7圖） 之上° 一旦基本SOI結構完成，本方法接著於該元件之源極 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------------r---訂--------- {請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 506125 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 區2 7 0和汲極區2 8 0植入一種非晶型物種，並遍及碎層的 整個厚度範圍中’亦即從碎層之頂面3 0 0全面至底部之絕 緣層2 1 0 (方塊3 4 0及第&圖）。最後，源極植入區及汲極 植入區於是形成（方塊350)。應注意的是，植入的濃度與 深度須足以確使源極區及汲極區從矽膜頂面至底面完全 被非晶化（第9圖）。 以上所述之非晶型物種可為各種習知材料，如鍺、 碎、或可能疋包含這些材料之混合物，如碎與鍺等，使能 產生以較佳的非晶化效果。除此之外，其它離子（特別是 重離子）’也可加以使用，諸如錫、銦、及坤。不過，鍺 與矽是其中較佳的，因為其不會成為摻雜物。 其次’將摻雜物擴散入層220中，以分別在其中形成 源極區230和汲極區240，其中該兩區23 〇,24〇之間並存 有通道區250。源極和汲極區的形成以具有淺摻雜擴充區 260與270(方塊310和第5圖）為佳。所有以上所提及之步 驟可依已揭露之傳統技術操作之，如美國專利第5，6 5 2，4 5 4 號、第5,767,549號、及第6,〇1〇,921號等，在此將這些内 容併入以供作參考。 在第8圖更進一步顯示，填充物能在植入步驟中保護 淺摻雜區。甚且，一硬式光罩也可用以保護閘極區。 本發明之SOI結構在性能上較傳統之S0I結構為優。 在操作上，非晶化源極區23〇及汲極區240能使漏電p-n 接合面410永久形成於源極與通道之間及汲極與通道之 間。這些p-n接合面產生一漏電電流途徑，其能消除基體 第11頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公爱） ----------:! ·------ 訂-------- τ ·線 J丨：^!^· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 506125 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（ 〈7C件部份所累積之電荷，其中該基體相對應於一中性區 (neutral reglon)42〇，其位於通道區之擴散區之下。電 何 < 消除將減少或消除浮·置基體效應，而這種效應會破壞 傳統soi結構之性能。因此，本發明之s〇i結構之操作效 率將得以大幅提升。 總而言之，本發明方法是與傳統方法有別。例如，在 半導體製程中，傳統s〇I製程中進行預非晶化，企圖改良 後續植入動作中底部晶種層中再長出單晶矽之結果。然 而，本發明則藉創造漏電以控制s〇I結構之浮置基體效 應。再者，傳統方法是引入額外物種或摻雜物來產生所需 的漏電。然而，本發明對預非晶化的運用則不同一般，即 將整個碎膜加以非晶&，並且不留下#何的單晶於晶種層 中，因此該晶種層就不能再結晶生成單晶矽、一般製程所 使用之回火程序會導致非晶層結晶，然而本發明與一般傳 統万法者不同，本發明之方法不會產生任何的單晶層，而 增加的結晶缺陷則會提供所需之漏電效應。 熟知該項技藝者在閱讀過以上之揭露後可輕易對之 加以變動及修改，然而本發明之範圍並不僅侷限於以上所 說明之實施例，以上所述之修改及置換都不脫離本發明之 精神範圍。 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請 先 閲 讀 背- 之 注- I：
訂

Claims (1)

  1. 506125 A8 B8 C8 __P8____ 六、申請專利範圍 1 · 一種製造具有一 s OI結構之半導體元件的方法，該方法 至少包含下列步驟： 形成一層絕緣層：〃 形成一碎層在該絕緣層之上，該發層包本一通道 區，該通道區則形成在一源極區與一汲極區間之間； 形成一閘極區在該矽層上，其中該閘極區、源極繇、 及汲極區構成一場效應電晶體； 植入一種非晶型物種於該矽層之一第一區，該第〆 區即為該電晶體之一源極；及 植入一種非晶物種於該矽層之一第二區，其中該第 二區包含該電晶體之一汲極。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之第一植 入步驟包含植入該非晶化物種於該第一區至一預定深 度，而其中第二植入步驟包含植入該非晶化物種於該第 二區至該預定深度；該預定深度深至足以確使在該元件 經過後續製程步驟之後該源極與汲極仍能至少維持部 份之非晶性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之第一植 入步驟包含將該非晶化物種遍植於該第一區之整個厚 度範圍内，以形成一完全非晶化之源極；其中該第二植 入步驟包含將該非晶化物種遍植於該第二區之整個厚 度範圍内，以形成一完全非晶化之汲極。 __ 第 13 貫______ 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 506125 Α8 Β8 C8 D8 化 晶 非 之 述 上 中 。 其一 ， 之 法中 方其 之砷 述或 所、 項銦 4 、 第錫 圍 、 範梦 ΡΠΊ 、 專錯 請是 申種 如物 六、申請專利範圍 4.如申請專利範圍第3項所述之方法，其中上述之第一區 域之整個深度範圍係從該源極層之一頂表面分佈至該 絕緣層；其中該第二區碱之整個深度範圍從該汲極之一 頂表面至1絕緣層^ ， 6.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之形成一 層碎層之步騾包含在該閘極區之下形成一淺摻雜擴充 區之源極的步驟；並包含在該閘極區之下形成一淺摻雜 擴充區之汲極的步驟；該方法更包括下列步驟： 形成填充物該間極區之周邊，該填充物能防止該非 晶化物種在該植入步驟中植入該源極之該淺摻雜擴充 區與該汲極之該淺摻雜擴充區内。 請 先 閱 讀 背‘ ιέ 之 注- 拳， 項一 再： 填 訂 -線 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 7 ·如申_ 5青專利範圍第1項所述之方法’其中更包含： 於該植入步驟中，形成一罩幕在該閘極區之上，該光 罩可防止該非晶化物種被植入該閘極區中。 8· —種具一 SOI結構之半導體元件，該半導體元件至少包 含： 一絕緣層； 一在該絕緣層上之矽層； 第14ΐ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉Α4規格（21〇><297公釐） 506125 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 二在該矽層内之源極區，該源極區被加以非晶化至 一預定深度； 一在該矽層内之汲極區，該汲極區被非晶化至該預 定深度； „ 一在該矽層内之通道區，其位於該源極區及該汲極 區之間；及 一位於該矽層上之閘極區。 9.如申請專利範圍第8項所述之半導體元件，其中上述之 預定深度足以確使該源極區及該汲極區被完全非晶 化，以產生永久性晶體損害。 1 0.如申請專利範圍第8項所述之半導體元件，其中上述之 預定深度即為該矽層之整個厚度。 1 1 ·如申請專利範圍第8項所述之半導體元件，其中更包括：_ 填充物，位於該閘極區之周邊。 1 2 ·如申請專利範圍第8項所述之半導體元件，其中上述之 源極區在該閘極區之下有一淺摻雜擴充區；且上述之汲 極區在該閘極區之下有一淺摻雜擴充區。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第15頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）
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