專利名稱：準(zhǔn)絕緣體上的硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種消除浮體效應(yīng)和減弱自熱效應(yīng)的新型結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)絕緣體上的硅(SOI)金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件的新結(jié)構(gòu)，并給出了采用圖形化注氧隔離(SIMOX)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法。本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是和SOI集成電路中的MOSFET相關(guān)。
為了克服這兩個(gè)SOI器件本身固有的問題，研究者們采取了各種各樣的措施。為了解決浮體效應(yīng)，常用的辦法是將頂層硅用電極引出。但是，這種方法不僅使器件的面積增大，而且會(huì)引入較大的串聯(lián)電阻，從而導(dǎo)致器件性能的退化。為了降低SOI的自熱效應(yīng)，不少研究者提出用熱導(dǎo)率高的材料代替SiO2做掩埋絕緣層，如AlN，類金剛石薄膜等等。這一方法僅能采用鍵合技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，目前還非常不成熟。另外，減小埋氧的厚度也可以降低自熱效應(yīng)，但是即使很薄的埋氧也會(huì)存在較大的界面熱阻，自熱效應(yīng)相對(duì)體硅而言還是比較嚴(yán)重。
解決SOI器件的浮體效應(yīng)和自熱效應(yīng)的最直接辦法是使器件的溝道下方?jīng)]有埋氧，讓溝道與襯底相連，即在常規(guī)的SOI MOSFET溝道下方的埋氧中開一個(gè)窗口。這樣，溝道和襯底是電耦合的，不會(huì)產(chǎn)生由于載流子積累而導(dǎo)致的浮體效應(yīng)；同時(shí)，器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量可以通過埋氧中的窗口經(jīng)硅襯底及時(shí)地耗散出去。采用SIMOX技術(shù)只在器件的源漏下方注氧形成埋氧可以實(shí)現(xiàn)溝道下方?jīng)]有埋氧的目的。但是，由于在SIMOX中，注入的氧經(jīng)高溫退火形成SiO2后體積會(huì)膨脹很大(約2.25倍)，導(dǎo)致埋氧和體硅之間的過渡區(qū)質(zhì)量較差，會(huì)有大量的缺陷存在。S.Bagchi等人(S.Bagchi，Y.Yu，M.Mendicino，et al.，Defect analysis of patterned SOI material，IEEEInternational SOI Conference，1999，pp.121-122)的研究結(jié)果已證實(shí)這個(gè)現(xiàn)象。他們采用SIMOX技術(shù)制備SOI和體硅相結(jié)合的圖形化SOI材料，發(fā)現(xiàn)在埋氧和體硅之間的邊界區(qū)域存在著大量的缺陷，密度高達(dá)108cm-2，缺陷在邊界處延伸2個(gè)微米左右。而埋氧和體硅之間的過渡區(qū)恰恰在器件溝道的邊緣，大量缺陷的存在會(huì)嚴(yán)重地影響器件的性能。
在SIMOX技術(shù)中，SOI材料的質(zhì)量和注入離子的劑量和能量有著密切的關(guān)系。在我們的早期研究中(Meng Chen，Yuehui Yu，Xi Wang，et al.，F(xiàn)abrication of device-grade separation-by-implantation-of-oxygen materials byoptimizing dose-energy match，J.Mater.Res.，17(7)，2002，pp.1634-1643)中發(fā)現(xiàn)，在某一個(gè)注入能量下，存在一個(gè)臨界(最優(yōu))劑量，當(dāng)以此劑量注入后所形成的SOI材料的質(zhì)量最好埋氧中硅島和針孔的密度非常低；頂層硅中線位錯(cuò)等缺陷密度也非常低。當(dāng)注入劑量高于這個(gè)最優(yōu)劑量時(shí)，所形成的SOI材料質(zhì)量較差埋氧有大量硅島存在，頂層硅的缺陷密度也顯著上升。當(dāng)注入劑量低于最優(yōu)劑量時(shí)，沒有連續(xù)的埋氧形成，只形成不連續(xù)的SiO2沉淀(或稱之為SiO2島)，其大小從20nm到200nm不等，這些SiO2島與體硅的界面非常陡峭，過渡區(qū)非常小，在SiO2島的周圍沒有缺陷存在。
因此，如果在器件的溝道區(qū)的下方注入低于最優(yōu)劑量的氧離子，而在器件的源區(qū)和漏區(qū)的下方注入最優(yōu)劑量的氧離子，就可以在器件的源漏區(qū)形成連續(xù)的埋氧，而在溝道區(qū)形成非連續(xù)的埋氧。由于溝道區(qū)與原漏區(qū)注入的氧離子劑量相差不大，可以明顯改善S.Bagchi等人研究中SOI和體硅過渡區(qū)的質(zhì)量。同時(shí)，由于溝道下方的埋氧是非連續(xù)的，溝道和硅襯底之間部分相連，可以消除浮體效應(yīng)和明顯減弱自熱效應(yīng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提出一種實(shí)現(xiàn)這種新型結(jié)構(gòu)器件的方法，即采用SIMOX技術(shù)在器件的溝道區(qū)注入低于最優(yōu)劑量的氧離子；而在源漏區(qū)注入最優(yōu)劑量的氧離子，高溫退火后在溝道區(qū)形成非連續(xù)的埋氧；而在源漏區(qū)形成連續(xù)的埋氧。
本發(fā)明是通過下列步驟來實(shí)現(xiàn)這種新結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)SOI MOSFET(1)在半導(dǎo)體襯底中注入低于最優(yōu)劑量的離子；(2)在器件溝道區(qū)光刻生成掩模；(3)在源漏區(qū)第二次注入離子，使源漏區(qū)注入的劑量達(dá)到最優(yōu)劑量；高溫退火后在原漏區(qū)形成連續(xù)埋氧，溝道區(qū)形成不連續(xù)的埋氧；(4)常規(guī)CMOS工藝完成器件制作。
采用劑量和能量的優(yōu)化注入可以制備高質(zhì)量的SOI材料。對(duì)應(yīng)于不同的能量，優(yōu)化的注入劑量也不相同。注入的能量范圍在50keV～200keV，相應(yīng)的最優(yōu)劑量范圍在2.0×1017～7×1017cm-2。步驟(1)中的氧離子注入是第一次注入，其注入劑量要低于最優(yōu)劑量，使高溫退火后形成非連續(xù)的埋氧。注入時(shí)襯底溫度保持在400～700℃。
第一次注入完成后，在器件的溝道區(qū)光刻生成掩模，掩?？梢允荢iO2薄膜，多晶硅薄膜，氮化硅薄膜，金屬薄膜等等，厚度在100～600nm之間以完全阻擋50keV～200keV離子的注入。掩模的刻蝕采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)技術(shù)完成，這樣可以保證掩模的邊界比較陡峭。
由于掩模的存在，在步驟(3)的第二次離子注入過程中，只有器件的源區(qū)和漏區(qū)有離子注入，從而使源漏區(qū)的注入離子總劑量達(dá)到最優(yōu)劑量。由于溝道區(qū)沒有額外的離子注入，經(jīng)過高溫退火后形成的埋氧是不連續(xù)的，而源漏區(qū)的埋氧是連續(xù)的。高溫退火的溫度為1200～1375℃；退火的氣氛為氬氣或氮?dú)?，可以含?.5％～20％的氧氣；退火的時(shí)間為1～24個(gè)小時(shí)。
隨后采用常規(guī)的CMOS工藝完成器件的制作具體包括柵氧化層的生成，溝道區(qū)摻雜，多晶硅柵的生成，源漏摻雜，鋁連線的生成等工藝步驟。這樣，就形成了新結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)SOI MOSFET器件。
由此可見，本發(fā)明提供的準(zhǔn)SOI MOSFET器件是由常規(guī)的體硅MOSFET器件的硅襯底，柵氧化層，多晶硅柵，源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)，以及注氧隔離所形成的在源漏區(qū)下方連續(xù)的埋氧和溝道區(qū)下方非連續(xù)的埋氧構(gòu)成。源漏區(qū)下方連續(xù)埋氧的存在大大減小了器件的源漏寄生電容，提高了器件的速度。由于溝道區(qū)下方的埋氧是不連續(xù)的，溝道和襯底之間是電耦合的，產(chǎn)生的載流子不會(huì)積累在溝道下方，從而消除了浮體效應(yīng)。同時(shí)，器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量可以從溝道下方非連續(xù)埋氧之間的窗口經(jīng)硅襯底及時(shí)地耗散出去。所以，這種新型的準(zhǔn)SOI MOSFET器件在具有SOI器件高速低功耗等各種優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)克服了SOI MOSFET器件兩個(gè)本身所固有的缺點(diǎn)浮體效應(yīng)和自熱效應(yīng)。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體襯底包括硅、鍺、硅鍺合金或GaAs中一種；本發(fā)明所述的注入的離子為O+、O2+、HO+、H2O+、N+或N2+、中的一種以形成掩埋的氧化硅或氮化硅埋層。
圖2為第二次有掩模氧離子注入后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為高溫退火形成埋氧后的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為完成器件后的結(jié)構(gòu)示意圖。
附

圖1至附圖4中，1為硅襯底；2為注入硅襯底中的氧；3為氧離子；4為溝道區(qū)的掩模；5為源漏區(qū)下方連續(xù)的埋氧；6為溝道區(qū)下方非連續(xù)的埋氧；7為柵氧化層(其下面為溝道區(qū)域)；8為多晶硅柵；9為器件的源區(qū)；10為器件的漏區(qū)。
實(shí)施例1在4英寸p型(100)單晶硅片中第一次注入氧離子，注入能量為130keV，注入劑量為2.5×1017cm-2，注入時(shí)襯底溫度為680℃。然后在硅片上沉積500nm厚的SiO2薄膜，在器件的溝道區(qū)光刻生成掩模。接著進(jìn)行第二次氧離子注入，注入能量為130keV，注入劑量為2.0×1017cm-2，注入時(shí)襯底溫度仍為680℃。漂去掩模后進(jìn)行高溫退火處理。在氬氣氛(其中含有1％的氧氣)中經(jīng)1320℃退火5個(gè)小時(shí)。高溫退火后在器件源漏區(qū)形成連續(xù)的埋氧；而在溝道區(qū)形成非連續(xù)的埋氧，即互不相連的SiO2島。最后，采用常規(guī)的CMOS工藝完成器件的制作。
實(shí)施例2在硅襯底上注入N+，以形成氮化硅埋層，其余同實(shí)施例1。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)絕緣體上的硅金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的結(jié)構(gòu)，包括硅襯底、柵氧化層、多晶硅柵、源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)；其特征在于(1)器件還包括源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)下方的掩埋絕緣層；(2)源區(qū)和漏區(qū)下方的掩埋絕緣層是連續(xù)的，溝道區(qū)下方的掩埋絕緣層是非連續(xù)的。
2.按權(quán)利要求1所述準(zhǔn)SOI MOSFET器件，其特征在于是采用注氧隔離(SIMOX)技術(shù)和CMOS工藝相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)的，具體工藝步驟為(1)在半導(dǎo)體襯底中注入低于最優(yōu)劑量的離子；(2)在器件溝道區(qū)光刻生成掩模；(3)在源漏區(qū)第二次注入離子，使源漏區(qū)注入的總劑量達(dá)到最優(yōu)劑量；高溫退火后在源漏區(qū)下方形成連續(xù)掩埋絕緣層，溝道區(qū)下方形成非連續(xù)的掩埋絕緣層；(4)常規(guī)CMOS工藝完成器件制作。
3.按權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)SOI MOSFET器件的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的半導(dǎo)體襯底包括硅、鍺，硅鍺合金或GaAs中一種。
4.按權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)SOI MOSFET器件的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于注入的離子為O+、O2+、HO+、H2O+、N+或N2+中的一種以形成掩埋的氧化硅或氮化硅埋層。
5.按權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)SOI MOSFET器件的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于溝道區(qū)掩模是SiO2薄膜，多晶硅薄膜，氮化硅薄膜或金屬薄膜，厚度為100～600nm。
6.按權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)SOI MOSFET器件的實(shí)現(xiàn)方法，其特征注入離子的能量范圍在50keV～200keV，相應(yīng)的最優(yōu)劑量范圍在2.0×1017～7×1017cm-2；注入時(shí)襯底溫度保持在400～700℃。
7.按權(quán)利要求2所述的準(zhǔn)SOI MOSFET器件的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于所述的高溫退火的溫度為1200～1375℃；退火氣氛為含有0.5％～20％體積氧氣的氬氣或氮?dú)?；退火的時(shí)間為1～24個(gè)小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種準(zhǔn)絕緣體上的硅(SOI)金屬－氧化物－半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)器件的新結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法。其特征在于源漏區(qū)下方埋氧是連續(xù)的；而溝道區(qū)下方的埋氧是非連續(xù)的。采用注氧隔離技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的工藝過程是(1)在半導(dǎo)體襯底中注入低于最優(yōu)劑量的離子；(2)在器件溝道區(qū)光刻生成掩模；(3)在源漏區(qū)第二次注入離子，使源漏區(qū)注入的總劑量達(dá)到最優(yōu)劑量；高溫退火后在源漏區(qū)下方形成連續(xù)埋氧，溝道區(qū)下方形成非連續(xù)的埋氧；(4)常規(guī)CMOS技術(shù)完成器件制作。由于溝道下方的埋氧是非連續(xù)的，溝道和硅襯底之間電耦合，從而克服了SOI MOSFET器件的浮體效應(yīng)和自熱效應(yīng)二大固有缺點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01L29/786GK1431719SQ0311542
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者董業(yè)民, 王曦, 陳猛, 陳靜, 王湘 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所