專利名稱：利用自對準(zhǔn)后柵極控制前柵極絕緣體上硅mosfet的器件閾值的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件制造，更具體地說，涉及一種制造完全耗盡的互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(COMS)器件的方法，該COMS器件包括與前柵極以及源極/漏極延伸自對準(zhǔn)的后柵極。
背景技術(shù)：
隨著靜態(tài)功率消耗變?yōu)榭偣β实仁降娘@著部分，對于低功率絕緣體上硅(SOI)COMS的設(shè)計(jì)，同時降低供電和閾值電壓而不經(jīng)受性能降低將最終達(dá)到收益下降的極限。為了滿足在電路/系統(tǒng)工作階段期間對高性能以及在電路/系統(tǒng)空閑階段期間對低功率的相反要求，需要動態(tài)閾值電壓控制方案。
對于SOI金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，存在兩種工作模式1)完全耗盡(FD)，以及2)部分耗盡(PD)溝道區(qū)(即主體)。在常規(guī)的強(qiáng)完全耗盡的SOI器件中，硅膜厚度通常小于或等于體器件的耗盡寬度的一半。在前和后界面的表面電勢相互強(qiáng)耦合，并通過前柵極介質(zhì)和掩埋氧化物分別電容性耦合到前柵極和襯底。因此，貫穿硅膜的電勢以及因此電荷取決于前柵極和襯底兩者上的偏壓條件。通過用后柵極代替襯底，該器件變?yōu)殡p柵極器件。
完全耗盡的設(shè)計(jì)是SOI獨(dú)有的設(shè)計(jì)，因?yàn)榍皷艠O和后柵極都具有在硅膜中的電荷控制。在強(qiáng)部分耗盡器件中，襯底的后柵極對前表面電勢沒有影響。在中間情況下，器件名義上部分耗盡，通過施加偏壓可變?yōu)橥耆谋M，因此，仍會發(fā)生前和后表面電勢的耦合。
為了使低功率后柵極型SOI CMOS工作，必須使后柵極電壓最小。這需要使用后柵極介質(zhì)，對于不足50nm的器件，該介質(zhì)的厚度約為3至6nm。不幸地，這樣薄的后柵極介質(zhì)導(dǎo)致柵極至源極/漏極電容的增大；除非使后柵極結(jié)構(gòu)與前柵極和源極/漏極延伸自對準(zhǔn)，從而使該電容最小化，這反過來提高了器件和電路性能。
到目前為止，沒有提供可制造這樣的后柵極型完全耗盡的CMOS器件的合適方法，其中后柵極與器件前柵極以及源極/漏極自對準(zhǔn)?？紤]到上述現(xiàn)有技術(shù)的情況，仍然需要提供包括這樣的在后柵極、前柵極以及源極/漏極之間自對準(zhǔn)的SOI MOSFET。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟提供一結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括載體晶片，位于所述載體晶片上的氧化物層，位于所述氧化物層上的多晶Si后柵極，位于所述多晶Si后柵極上的后柵極介質(zhì)，以及位于所述后柵極介質(zhì)上的含Si層；在部分所述含Si層中形成溝道區(qū)；在所述溝道區(qū)上形成包括前柵極介質(zhì)、前多晶Si柵極和犧牲隔離物的前柵極區(qū)；在所述結(jié)構(gòu)中形成底切淺溝槽隔離區(qū)；去除所述犧牲隔離物，并在所述溝道區(qū)中形成源極/漏極延伸；以及在所述溝道區(qū)的頂部形成柵極隔離物和在所述溝道區(qū)中形成源極/漏極區(qū)，其中所述多晶Si后柵極與所述前多晶Si柵極以及所述源極/漏極延伸自對準(zhǔn)。
優(yōu)選地，通過在多晶Si層中注入摻雜劑并退火所述注入的摻雜劑形成所述多晶Si后柵極，所述多晶Si層在所述后柵極介質(zhì)上形成。
優(yōu)選地，通過熱生長方法或沉積在初始絕緣體上硅(SOI)襯底的所述含Si層上形成所述后柵極介質(zhì)。
優(yōu)選地，所述接合結(jié)構(gòu)還包括深溝槽隔離區(qū)，各深溝槽隔離區(qū)的上表面與所述含Si層的上表面共面。
優(yōu)選地，通過平面化方法減薄所述接合結(jié)構(gòu)的所述含Si層。
優(yōu)選地，通過定位所述載體晶片以與所述氧化物層接觸，并進(jìn)行接合步驟，形成所述接合結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述接合步驟包括在約900℃至約1100℃的溫度下加熱約1.5小時至約2.5小時的時間。
優(yōu)選地，在存在惰性氣氛的情況下在約18℃至約27℃的溫度下進(jìn)行所述接合步驟。
優(yōu)選地，通過離子注入和退火形成所述溝道區(qū)。
優(yōu)選地，在所述離子注入之前在所述含Si層上形成犧牲氧化物層。
優(yōu)選地，所述犧牲隔離物的寬度為約50至約100nm。
優(yōu)選地，通過以下步驟形成所述底切淺溝槽隔離區(qū)化學(xué)蝕刻，各向同性反應(yīng)離子蝕刻，氧化和第二各向同性蝕刻。
優(yōu)選地，利用化學(xué)蝕刻劑去除所述犧牲隔離物；通過沉積和蝕刻形成所述柵極隔離物。
優(yōu)選地，通過利用所述柵極隔離物作為注入掩膜離子注入并退火形成所述源極/漏極區(qū)。
優(yōu)選地，通過沉積外延Si或Si層、離子注入和退火，形成所述源極/漏極區(qū)。
優(yōu)選地，所述方法還包括在所述抬升源極/漏極區(qū)上提供硅化物區(qū)。
優(yōu)選地，所述方法還包括在所述結(jié)構(gòu)上形成具有導(dǎo)電填充接觸孔的絕緣層。
因此，本發(fā)明優(yōu)選地提供了SOI CMOS技術(shù)，利用該技術(shù)將多晶硅，即多晶Si后柵極用于控制前柵極器件的閾值電壓，并且nMOS和pMOS后柵極彼此和與所述前柵極無關(guān)地切換。具體地說，本發(fā)明提供了一種制造后柵極型完全耗盡的CMOS器件的方法，其中所述器件的后柵極與所述器件的前柵極以及源極/漏極延伸自對準(zhǔn)。這樣的結(jié)構(gòu)使電容最小，同時提高了器件和電路性能。
利用SIMOX(氧離子注入隔離)或接合SOI晶片、晶片接合和減薄、多晶Si蝕刻、低壓化學(xué)氣相沉積以及化學(xué)機(jī)械拋光，制造本發(fā)明的后柵極型完全耗盡的COMS器件。
具體地說，本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括以下步驟提供一結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括載體晶片，位于所述載體晶片上的氧化物層，位于所述氧化物層上的多晶Si后柵極，位于所述多晶Si后柵極上的后柵極介質(zhì)，以及位于所述后柵極介質(zhì)上的含Si層；在部分所述含Si層中形成溝道區(qū)；在所述溝道區(qū)上形成包括前柵極介質(zhì)、前多晶Si柵極和犧牲隔離物的前柵極區(qū)；在所述結(jié)構(gòu)中形成底切淺溝槽隔離區(qū)；去除所述犧牲隔離物，并在所述溝道區(qū)中形成源極/漏極延伸；以及在所述溝道區(qū)的頂部和所述溝道區(qū)中的源極/漏極區(qū)上形成柵極隔離物，其中所述多晶Si后柵極與所述前多晶Si柵極以及所述源極/漏極延伸自對準(zhǔn)。


現(xiàn)在將參考附圖，僅僅通過實(shí)例說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中圖1(通過截面圖)示出了可在本發(fā)明中采用的初始SOI晶片；圖2(通過截面圖)示出了在SOI襯底的上表面上形成后柵極介質(zhì)后的圖1的結(jié)構(gòu)；圖3(通過截面圖)示出了包括在后柵極介質(zhì)上形成的多晶Si層的圖2的結(jié)構(gòu)；圖4(通過截面圖)示出了在形成隔離區(qū)和后柵極注入并退火后的結(jié)構(gòu)；圖5(通過截面圖)示出了支撐(或載體)晶片與圖4所示的結(jié)構(gòu)的接合；圖6(通過截面圖)示出了在進(jìn)行頂部到底部的倒裝步驟后的圖5的結(jié)構(gòu)；圖7(通過截面圖)示出了在拋光、氧化和蝕刻后形成的結(jié)構(gòu)；圖8(通過截面圖)示出了在器件溝道即主體注入并退火后形成的結(jié)構(gòu)；圖9(通過截面圖)示出了在形成前柵極介質(zhì)后的結(jié)構(gòu)；圖10(通過截面圖)示出了在形成多晶Si柵極導(dǎo)體后的結(jié)構(gòu)；圖11(通過截面圖)示出了在形成犧牲隔離物后的結(jié)構(gòu)；圖12(通過截面圖)示出了在形成淺溝槽后的結(jié)構(gòu)；圖13(通過截面圖)示出了在溝槽填充、平面化并凹切后的結(jié)構(gòu)；圖14(通過截面圖)示出了在犧牲隔離物去除、源極/漏極延伸并可選的鹵素注入和退火后的結(jié)構(gòu)；圖15(通過截面圖)示出了在形成鄰接多晶Si柵極的柵極隔離物后的結(jié)構(gòu)；圖16(通過截面圖)示出了在形成源極/漏極并形成抬升源極/漏極后的結(jié)構(gòu)；以及圖17(通過截面圖)示出了在進(jìn)行硅化、介質(zhì)沉積和接觸形成之后本發(fā)明的最終結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種制造后柵極型完全耗盡的CMOS器件，其中后柵極控制前柵極的閾值電壓，現(xiàn)在將通過參考結(jié)合本申請的附圖更詳細(xì)說明本發(fā)明。在附圖中，相同和/或?qū)?yīng)的部分用相同標(biāo)號表示。
圖1示出了可在本發(fā)明中采用的初始SOI襯底。在本申請中可互換地使用術(shù)語“SOI襯底”和“SOI晶片”。具體地說，圖1的初始SOI襯底或晶片包括使含硅襯底10與含硅層14電隔離的掩埋氧化物層12。含硅層14是可在其中形成有源器件區(qū)的SOI層。在此所用的術(shù)語“含硅”表示至少包括硅的半導(dǎo)體材料。該含硅半導(dǎo)體材料的示例性實(shí)例包括但不限于Si、SiGe、SiC、SiGeC、Si/Si、Si/SiC或Si/SiGeC。掩埋氧化物區(qū)12可以是如圖1所示的連續(xù)的掩埋氧化物區(qū)，或者可以是不連續(xù)的，即構(gòu)圖的掩埋氧化物區(qū)(未示出)。不連續(xù)的掩埋氧化物區(qū)是由含Si層，即層10和14包圍的不連續(xù)或隔離的區(qū)域或島。
在本發(fā)明的此處，含Si層14用N或P型摻雜劑輕摻雜。在此所用的術(shù)語“輕摻雜”表示摻雜劑濃度為約1E14至約5E15原子/cm3，其中更優(yōu)選約2E15原子/cm3的摻雜劑濃度。
可利用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)SIMOX(氧離子注入隔離)方法形成SOI襯底?？蛇x地，可利用包括例如熱接合和切割方法的其它常規(guī)方法制造SOI襯底材料。
除了上述技術(shù)外，可通過沉積方法以及光刻和蝕刻(當(dāng)制造構(gòu)圖的襯底時采用)形成在本發(fā)明中所采用的初始SOI襯底。具體地說，可以這樣形成初始結(jié)構(gòu)，通過常規(guī)沉積和熱生長方法，在含Si襯底表面上沉積氧化物膜；可選地通過利用常規(guī)光刻和蝕刻構(gòu)圖氧化物膜；以及此后利用包括例如化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體輔助CVD、濺射、蒸發(fā)、化學(xué)溶液沉積或外延Si生長的常規(guī)沉積方法，在氧化物層上形成含Si層。
初始SOI襯底的各層厚度可根據(jù)其制造中所用的方法變化。然而典型地，含Si層14的厚度從約100至約200nm。對于掩埋氧化物層12，其層的厚度可從約100至約400nm。含Si襯底層，即層10的厚度對本發(fā)明來說并不重要。應(yīng)注意，以上提供的厚度范圍是示例性的，決不限制本發(fā)明的范圍。
然后，利用常規(guī)熱生長方法在含Si層14的表面上形成后柵極介質(zhì)16。可選地，可通過常規(guī)沉積方法形成后柵極介質(zhì)16，該沉積方法包括但不限于化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體輔助CVD、化學(xué)溶液沉積、濺射和蒸發(fā)。后柵極介質(zhì)16可包括氧化物、氮化物和/或氮氧化物，優(yōu)選氧化物。后柵極介質(zhì)16的厚度可根據(jù)其制造中所用的技術(shù)變化。然而典型地，后柵極介質(zhì)16的厚度從約1至約10nm。產(chǎn)生的包括后柵極介質(zhì)16的結(jié)構(gòu)示于例如圖2中。在圖2中，以及余下的圖中，為清楚起見，省略了初始SOI晶片的含Si襯底10；除了當(dāng)去除含Si襯底10時，如圖7中的情況。然而含Si襯底10旨在在各圖2-6中存在。為清楚起見，將圖2所示的層14的厚度顯示為比圖1中的層14的原厚度厚。
根據(jù)本發(fā)明的下一步，利用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)在后柵極介質(zhì)16的上暴露表面上形成多晶Si層18。在此所用的術(shù)語“低壓”表示在約5托或更低的壓力下進(jìn)行的CVD方法。形成的多晶Si層18可具有任何厚度，但典型地多晶Si層18的厚度從約100至約200nm。產(chǎn)生的包括多晶Si層18的結(jié)構(gòu)示于例如圖3中。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可在本發(fā)明的此處在多晶Si層18上形成可選的襯墊氮化物(未示出)。
圖4示出了在圖3所示的結(jié)構(gòu)中形成深溝槽隔離區(qū)20后形成的結(jié)構(gòu)。如圖所示，穿過多晶Si層18和后柵極介質(zhì)16，在含Si層14上或中停止，形成深溝槽隔離區(qū)20。應(yīng)注意，深溝槽隔離區(qū)的實(shí)際數(shù)量可超過圖中所示的數(shù)量。
通過利用常規(guī)光刻和蝕刻形成深溝槽隔離區(qū)20。形成隔離區(qū)的溝槽所用的光刻步驟包括以下步驟對多晶Si層18(或可選的襯墊氮化物)的暴露表面施加光致抗蝕劑(未示出)，曝光光致抗蝕劑至輻照圖形，以及利用常規(guī)抗蝕劑顯影液將圖形顯影至曝光的光致抗蝕劑。可在一個或多個蝕刻步驟中進(jìn)行的蝕刻步驟包括利用常規(guī)干法蝕刻方法，例如反應(yīng)離子蝕刻、等離子體蝕刻或離子束蝕刻；化學(xué)濕法蝕刻；或其組合。蝕刻步驟在結(jié)構(gòu)中形成深溝槽，隨后將用絕緣材料填充該深溝槽。該深溝槽隔離區(qū)20典型地具有約140nm或更大的溝槽深度。
形成深溝槽后，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行可選的氧化處理，該氧化處理在暴露的由含Si材料構(gòu)成的溝槽側(cè)壁上形成薄襯里(未單獨(dú)標(biāo)出)。利用常規(guī)沉積方法例如CVD或等離子體輔助CVD，用介質(zhì)材料例如TEOS(原硅酸四乙酯)填充該溝槽(具有或不具有襯里)，此后利用常規(guī)平面化方法，例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)或研磨平面化該結(jié)構(gòu)，在可選襯墊氮化物或多晶Si層18的上表面上停止。在填充溝槽之后，但在平面化之前，可進(jìn)行可選的致密化步驟。在其中存在襯墊氮化物的實(shí)例中，利用化學(xué)蝕刻劑，例如熱磷酸，在本發(fā)明的此處去除可選襯墊氮化物。
圖4還示出了后柵極22的存在，后柵極22位于在兩個相鄰深溝槽隔離區(qū)之間的部分多晶Si層18中。通過離子注入和退火形成后柵極22。對于NMOS器件，通過在多晶Si層中離子注入N型，或更優(yōu)選P型摻雜劑，形成后柵極22。對于PMOS器件，在多晶Si層18中離子注入P型，或更優(yōu)選N型摻雜劑。
利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的常規(guī)技術(shù)，進(jìn)行離子注入(在圖4中用箭頭23表示)，而在將擴(kuò)散和激活摻雜劑區(qū)的條件下進(jìn)行退火。具體地說，在約800℃或更高的溫度下在例如Ar、N2或He的惰性氣氛中進(jìn)行退火約5秒或更長的時間。
圖5示出了在圖4所示的包括深溝槽隔離區(qū)20和多晶Si層18(現(xiàn)在是后柵極22)的結(jié)構(gòu)的上表面上形成氧化物層24之后形成的結(jié)構(gòu)，已將處理(或載體)晶片26接合到前面形成的氧化物層24的上表面。
氧化物層24典型地為通過常規(guī)沉積方法例如CVD或等離子體輔助CVD形成的TEOS層。氧化物層24的厚度可根據(jù)沉積方法的條件和長度變化。然而，典型地，氧化物層24的厚度從約150至約250nm。
處理晶片26(可以是第二SOI晶片)包括含Si襯底100、氧化物層110，以及含Si層120?？蛇x地，處理晶片26可以是體半導(dǎo)體襯底或晶片。術(shù)語“含Si”的意思與上面指出的相同。根據(jù)本發(fā)明的方法，定位處理晶片，以使含Si層120面對前面沉積的氧化物層24。定位處理晶片26后，使兩個結(jié)構(gòu)相互接觸，然后將它們接合在一起。
在一個實(shí)施例中，本發(fā)明的接合步驟包括在約900℃至約1100℃的溫度下加熱兩個晶片約1.5小時至約2.5小時。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，在約1050℃的溫度下持續(xù)約2小時的時間將晶片接合在一起。
在本發(fā)明的另一個實(shí)施例中，利用室溫接合方法進(jìn)行接合步驟。術(shù)語“室溫接合方法”表示在約18℃至約27℃的溫度下，更優(yōu)選約20℃至約25℃的溫度下進(jìn)行的接合方法。典型地在例如He、N2或Ar的惰性氣氛中進(jìn)行室溫接合方法，并且可在接合方法中對該結(jié)構(gòu)施加外部力進(jìn)行輔助。在接合兩個晶片后，倒裝圖5所示的結(jié)構(gòu)，即上面朝下，提供例如圖6所示的結(jié)構(gòu)。
然后，去除初始晶片的含Si襯底10和掩埋氧化物區(qū)12，在含Si層14的表面上停止。然后平面化含Si層14，在深溝槽隔離區(qū)20的表面上停止。在進(jìn)行這些步驟后形成的所得結(jié)構(gòu)示于例如圖7中。具體地說，利用本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法實(shí)現(xiàn)對初始晶片的含Si襯底10和掩埋氧化物層12的去除。例如，可利用單個拋光步驟，例如CMP或研磨，去除初始晶片的含Si襯底10和掩埋氧化物層12，或者可選地，利用不同的且獨(dú)立的去除處理步驟去除各層。在此優(yōu)選不同的且獨(dú)立的去除方法，因?yàn)槠涮峁└鼜?qiáng)的選擇性，并確保去除方法在含Si層14上停止。
當(dāng)在本發(fā)明中采用不同的且獨(dú)立的去除方法時，首先通過利用與氧化物相比具有高的去除含Si材料的選擇性的CMP方法，去除初始晶片的含Si襯底10，在掩埋氧化物層12上停止。然后，可以可選地進(jìn)行氧化方法，以確保在接合晶片的暴露表面上僅剩下氧化物。在去除含Si襯底10，并可選地進(jìn)行氧化步驟后，采用與氧化物相比具有高的去除含硅材料的選擇性的常規(guī)化學(xué)濕法蝕刻方法。例如，在本發(fā)明中可采用HF蝕刻方法，以從接合結(jié)構(gòu)去除掩埋氧化物層12。應(yīng)注意，各種去除方法使初始晶片的含Si層14暴露。然后通過進(jìn)行平面化方法，例如CMP，減薄含Si層14。在進(jìn)行平面化方法后，含Si層14的厚度約為25nm或更小。
圖8示出了在含Si層14和深溝槽區(qū)20的暴露表面上形成犧牲氧化物層28后形成的所得結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^熱氧化方法形成犧牲氧化物層28，或者可選地可通過常規(guī)沉積方法，例如CVD或等離子體輔助的CVD，形成犧牲氧化物層28。犧牲氧化物層28的厚度對于本發(fā)明并不重要，但典型地，犧牲氧化物層28的厚度為約3至約10nm。
在本發(fā)明的此處(見圖8)，在部分含Si層14中典型地注入離子30(N型或P型)。注入的離子類型取決于形成的器件的類型。典型地采用B作為N型摻雜劑，而采用P或As作為P型摻雜劑。注入離子30的區(qū)域變?yōu)橹黧w，即器件的器件溝道32。在形成主體32時，采用利用標(biāo)準(zhǔn)注入條件的掩蔽離子注入方法。在主體注入后，進(jìn)行在惰性氣氛中進(jìn)行的常規(guī)退火方法，以激活主體32內(nèi)的摻雜劑。雖然在激活主體32內(nèi)的摻雜劑時，在本發(fā)明中可采用各種退火溫度和時間，優(yōu)選在約1000℃的溫度下在Ar中退火約5秒。
圖9示出了在從結(jié)構(gòu)中去除犧牲氧化物層28，以暴露下面的主體32，即含Si層14，并形成前柵極介質(zhì)34后形成的結(jié)構(gòu)。具體地說，利用常規(guī)濕法蝕刻方法從結(jié)構(gòu)中去除犧牲氧化物層28，在該濕法蝕刻方法中，采用去除氧化物時高度選擇性的化學(xué)蝕刻劑。例如，可將HF用于從結(jié)構(gòu)去除犧牲氧化物層。
然后，至少在包括主體32的暴露的含Si表面上，形成柵極介質(zhì)34。利用常規(guī)熱生長方法，在主體32以及含Si層14的暴露表面上形成柵極介質(zhì)34。用作前柵極介質(zhì)的柵極介質(zhì)34是厚度約1至約5nm的薄層。柵極介質(zhì)34可包括常規(guī)氧化物，例如但不限于SiO2、Al2O3、Ta2O3、TiO2，以及鈣鈦礦型氧化物。
形成柵極介質(zhì)34后，見圖10，在覆蓋主體32的柵極介質(zhì)34上形成多晶硅柵極36(用作前側(cè)柵極)。在形成最終的柵極結(jié)構(gòu)時，通過首先利用常規(guī)沉積方法在柵極介質(zhì)上沉積多晶硅，然后利用光刻和蝕刻，形成由摻雜多晶硅構(gòu)成的多晶Si柵極36。在沉積方法期間原地?fù)诫s多晶硅，或者可選地，可利用常規(guī)離子注入并退火在沉積后摻雜多晶硅柵極。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，可延遲多晶硅柵極摻雜，直到形成源極/漏極區(qū)。在圖10中，示出了在構(gòu)圖步驟之前在多晶硅柵極36的頂面上形成由氮化物或氮氧化物構(gòu)成的硬掩膜38的實(shí)施例。
然后對多晶硅柵極36進(jìn)行柵極再氧化方法，該再氧化能夠在柵極的垂直側(cè)壁周圍，以及，如果不存在硬掩膜38，在柵極的水平頂面上形成氧化物襯里40。在約800℃或更高的溫度下在例如O2或空氣的氧化氣氛中進(jìn)行再氧化約5分鐘或更短的時間。
然后，利用常規(guī)沉積和蝕刻，在多晶Si柵極36的各側(cè)壁周圍形成犧牲隔離物42。犧牲隔離物42包括氮化物、氮氧化物或其組合。得到的包括犧牲隔離物42的結(jié)構(gòu)示于例如圖11中。犧牲隔離物42為寬隔離物，當(dāng)在底部測量時，其寬度為約50至約100nm。要求寬隔離物防止在本發(fā)明的下一步驟中被過多底切。犧牲隔離物42厚于稍后將要形成的柵極隔離物。
然后，利用下面的技術(shù)，在圖11所示的結(jié)構(gòu)中形成淺溝槽44。得到的包括淺溝槽44的結(jié)構(gòu)示于例如圖12中。應(yīng)注意，淺溝槽44的至少一個邊緣45與前面形成的多晶Si柵極36的一個邊緣37對準(zhǔn)。還應(yīng)注意，后柵極22也與多晶Si柵極36的邊緣37自對準(zhǔn)。具體地說，首先通過化學(xué)蝕刻步驟，去除未用犧牲隔離物42和多晶Si柵極36保護(hù)的部分柵極介質(zhì)34，形成圖12所示的結(jié)構(gòu)。該化學(xué)蝕刻步驟利用選擇性去除柵極介質(zhì)34的暴露部分的化學(xué)蝕刻劑，例如稀釋的氫氟酸。該蝕刻步驟暴露出下面的含Si層14。
然后對含Si層14的暴露部分進(jìn)行定時各向同性反應(yīng)離子蝕刻(RIE)步驟，其中采用能夠在后柵極介質(zhì)16上停止的化學(xué)蝕刻劑。然后，對主體32的暴露側(cè)壁部分進(jìn)行快速熱氧化方法。典型地在約800℃的溫度下進(jìn)行該快速熱氧化方法約5至約10秒的時間。該快速熱氧化方法在主體32的側(cè)壁中和側(cè)壁上形成薄(約4nm或更小)氧化物膜46。然后進(jìn)行第二定時各向同性RIE或定時KOH濕法蝕刻，以完成底切并形成淺溝槽44。當(dāng)從該結(jié)構(gòu)的頂面測量時，淺溝槽44的深度約為50nm或更小。
形成淺溝槽44后，用例如TEOS的溝槽介質(zhì)材料填充淺溝槽44，然后平面化并凹切該結(jié)構(gòu)。得到的已進(jìn)行這些處理步驟后形成的結(jié)構(gòu)示于例如圖13中。在圖13中，參考標(biāo)號47表示在本發(fā)明中形成的淺溝槽隔離區(qū)。
然后利用從該結(jié)構(gòu)選擇性去除犧牲隔離物42(以及，如果存在，可選的硬掩膜38)的化學(xué)蝕刻劑，例如熱磷酸，從圖13所示的結(jié)構(gòu)去除犧牲隔離物42(以及，如果存在，可選的硬掩膜38)。去除犧牲隔離物42后，利用常規(guī)離子注入和退火，在主體32中形成源極/漏極延伸48。也可形成未示出的可選鹵素注入?yún)^(qū)。雖然可利用各種條件進(jìn)行退火，優(yōu)選在約900℃的溫度下在Ar中退火源極/漏極延伸注入5秒的時間。去除犧牲隔離物42并形成源極/漏極延伸48和可選鹵素后的所得結(jié)構(gòu)示于例如圖14中。應(yīng)注意，隔離物48與前和后柵極的邊緣自對準(zhǔn)。
然后在多晶硅柵極36的垂直側(cè)壁周圍形成可包括氮化物、氮氧化物或其組合的隔離物50。通過沉積絕緣材料隨后進(jìn)行蝕刻形成隔離物50。圖15示出了得到的具有在多晶硅柵極36的垂直側(cè)壁周圍形成的隔離物50的結(jié)構(gòu)。
形成隔離物后，利用常規(guī)離子注入和退火工藝，在與各隔離物50鄰接的主體32中形成源極/漏極區(qū)52(見圖16)。因?yàn)樵礃O/漏極延伸48形成部分源極/漏極區(qū)52，也可以說源極/漏極區(qū)52與后柵極22以及前柵極，即多晶Si柵極36自對準(zhǔn)。雖然仍可采用各種退火條件，優(yōu)選在約1000℃的溫度下在Ar中進(jìn)行退火約5秒的時間。
如圖16所示，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)方法在源極/漏極區(qū)52的表面上形成抬升源極/漏極區(qū)54。具體地說，首先利用HF浸漬或其它相關(guān)方法清洗源極/漏極區(qū)52的暴露表面。在清洗步驟后，通過在暴露的源極/漏極區(qū)上沉積外延多晶硅或Si層，并通過離子注入和退火摻雜這樣沉積的外延硅或Si層，形成抬升源極/漏極區(qū)54。應(yīng)注意，在多晶Si柵極36上形成外延硅或Si層(用參考標(biāo)號56表示)。
然后，如圖17所示，可進(jìn)行常規(guī)的BEOL處理步驟，以使圖16所示的器件與外部器件和/或其它可在該結(jié)構(gòu)中存在的器件接觸。BEOL處理步驟包括以下步驟通過利用常規(guī)硅化方法將部分抬升源極/漏極區(qū)54和柵極上的層56轉(zhuǎn)變?yōu)楣杌飬^(qū)58；通過沉積和平面化該結(jié)構(gòu)，形成例如BPSG(硼摻雜磷硅玻璃)的絕緣材料層60；通過光刻和蝕刻在絕緣層60中設(shè)置接觸開口；以及用導(dǎo)電材料62填充接觸開口。采用的導(dǎo)電材料包括但不限于Cu、Al、W、多晶硅以及其它類似的導(dǎo)電材料。應(yīng)注意，延伸到后柵極表面的接觸區(qū)為后柵極接觸，而延伸到源極/漏極區(qū)的接觸區(qū)稱為S/D接觸。
在圖15、16和17的結(jié)構(gòu)中，多晶Si后柵極22能夠控制前柵極，即多晶硅柵極36的閾值電壓，因?yàn)樵谇昂秃蠼缑娴谋砻骐妱菹嗷?qiáng)耦合，并且分別電容耦合到前和后柵極介質(zhì)。因此，貫穿硅膜的電勢，以及相關(guān)的電荷取決于前和后柵極上的偏壓條件。換句話說，注入的后柵極控制前柵極器件的閾值電壓。
應(yīng)注意，本發(fā)明可用于在單個襯底上形成多個完全耗盡的CMOS器件。各完全耗盡的CMOS器件將具有上述特性。
雖然具體示出并關(guān)于其參考實(shí)施例說明了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解，只要不脫離本發(fā)明的范圍，可在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行上述和其它修改。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟提供一結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括載體晶片，位于所述載體晶片上的氧化物層，位于所述氧化物層上的多晶Si后柵極，位于所述多晶Si后柵極上的后柵極介質(zhì)，以及位于所述后柵極介質(zhì)上的含Si層；在部分所述含Si層中形成溝道區(qū)；在所述溝道區(qū)上形成包括前柵極介質(zhì)、前多晶Si柵極和犧牲隔離物的前柵極區(qū)；在所述結(jié)構(gòu)中形成底切淺溝槽隔離區(qū)；去除所述犧牲隔離物，并在所述溝道區(qū)中形成源極/漏極延伸；以及在所述溝道區(qū)的頂部形成柵極隔離物和在所述溝道區(qū)中形成源極/漏極區(qū)，其中所述多晶Si后柵極與所述前多晶Si柵極以及所述源極/漏極延伸自對準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過在多晶Si層中注入摻雜劑并退火所述注入的摻雜劑形成所述多晶Si后柵極，所述多晶Si層在所述后柵極介質(zhì)上形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過熱生長方法或沉積在初始絕緣體上硅(SOI)襯底的所述含Si層上形成所述后柵極介質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述接合結(jié)構(gòu)還包括深溝槽隔離區(qū)，各深溝槽隔離區(qū)的上表面與所述含Si層的上表面共面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過平面化方法減薄所述接合結(jié)構(gòu)的所述含Si層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過定位所述載體晶片以與所述氧化物層接觸，并進(jìn)行接合步驟，形成所述接合結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述接合步驟包括在約900℃至約1100℃的溫度下加熱約1.5小時至約2.5小時的時間。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中在存在惰性氣氛的情況下在約18℃至約27℃的溫度下進(jìn)行所述接合步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過離子注入和退火形成所述溝道區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中在所述離子注入之前在所述含Si層上形成犧牲氧化物層；所述犧牲隔離物的寬度為約50至約100nm；通過以下步驟形成所述底切淺溝槽隔離區(qū)化學(xué)蝕刻，各向同性反應(yīng)離子蝕刻，氧化和第二各向同性蝕刻；利用化學(xué)蝕刻劑去除所述犧牲隔離物；通過沉積和蝕刻形成所述柵極隔離物；通過利用所述柵極隔離物作為注入掩膜離子注入并退火形成所述源極/漏極區(qū)；通過沉積外延Si或Si層、離子注入和退火，形成所述源極/漏極區(qū)；還包括在所述抬升源極/漏極區(qū)上的硅化物區(qū)；以及還包括在所述結(jié)構(gòu)上形成具有導(dǎo)電填充接觸孔的絕緣層。
全文摘要
本發(fā)明提供了SOI CMOS技術(shù)，利用該技術(shù)將多晶硅后柵極用于控制前柵極器件的閾值電壓，并且nMOS和pMOS后柵極彼此和與所述前柵極無關(guān)地切換。具體地說，本發(fā)明提供了一種制造后柵極型完全耗盡的CMOS器件的方法，其中所述器件的后柵極與所述器件的前柵極以及源極/漏極延伸自對準(zhǔn)。這樣的結(jié)構(gòu)使電容最小，同時提高了器件和電路性能。利用現(xiàn)有的SIMOX(氧離子注入隔離)或接合SOI晶片、晶片接合和減薄、多晶Si蝕刻、低壓化學(xué)氣相沉積以及化學(xué)機(jī)械拋光，制造本發(fā)明的后柵極型完全耗盡的COMS器件。
文檔編號H01L21/336GK1830090SQ200480021683
公開日2006年9月6日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月13日
發(fā)明者R·登納德, W·亨施, H·哈納菲 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司