專利名稱：場效應晶體管及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般地涉及制作場效應晶體管，更具體地涉及產生較淺和較陡峭(sharper)的結，同時最大化工藝中的摻雜劑活化，在硅襯底上外延生長硅層之前該工藝增加硅襯底頂表面的氧含量，其中該增加的氧含量基本上將摻雜劑限制在外延硅層內，而不會移動到硅襯底中。
背景技術：
隨著器件被按比例縮小到越來越小的尺寸，在晶體管中需要較淺且較陡峭的結，以控制短溝道效應和串聯電阻。在場效應晶體管(FETs)和其它類似的集成電路設計技術中，減小氧化物厚度(按比例縮小氧化物)的能力變得更加困難。由于按比例縮小氧化物變得更困難，減小結深度以及增加結的陡峭程度變得更加重要。然而，在器件變得更小時，采用離子注入和快速熱退火獲得較淺且較陡峭的結變得更困難。因此，需要產生較淺且較陡峭的結、同時在工藝中最大化摻雜劑活化的新方法和結構，該工藝與目前的制造技術一致。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種形成場效應晶體管的有益方法，該方法產生較淺且較陡峭的結，同時在工藝中最大化摻雜劑活化，該工藝與目前的制造技術一致。更具體地，本發(fā)明增加了硅襯底頂表面的氧含量。在增加氧含量之前，硅襯底的頂表面優(yōu)選地被清潔。硅襯底頂表面的氧含量比硅襯底的其它部分高，但低于將阻止外延生長的量。這使得本發(fā)明可以在硅襯底的頂表面上外延生長硅層。并且，該增加的氧含量基本上將摻雜劑限制在外延硅層內，而不會移動到硅襯底中。
執(zhí)行其它步驟以完成晶體管結構。例如，在硅層中也形成隔離區(qū)。在外延硅層上形成柵疊層，并且摻雜劑被輸送到外延硅層未被柵疊層保護的區(qū)域，從而在外延硅層中形成源和漏區(qū)?？梢酝ㄟ^圖案化外延硅層上的柵導體、并且在柵導體上形成側壁隔層而形成柵疊層。輸送摻雜劑的步驟可以或者包括注入摻雜劑，或者包括擴散摻雜劑。對硅襯底和晶體管退火以活化摻雜劑。
在一種不同的實施方式中，在生長外延層之前形成柵疊層。在該工藝中，本發(fā)明先在硅襯底上形成柵疊層，然后蝕刻硅襯底未被柵疊層保護的頂表面，從而減小柵疊層的底部以下頂表面的高度。蝕刻硅襯底的頂表面的步驟底切(undercut)柵疊層下面的硅襯底，使得柵疊層的一些區(qū)域在硅襯底的頂表面上伸出。因此，在該實施方式中，硅襯底包括延伸穿過外延硅層的柱狀部分，其中該柱狀部分在柵導體下面居中。
然后，本發(fā)明增加硅襯底的頂表面的氧含量。再次，硅襯底的頂表面的氧含量高于硅襯底的其它部分，然而，硅襯底的頂表面的氧含量低于將阻止外延生長的量。如同在前述的實施方式中，然后本發(fā)明可以在硅襯底的頂表面上選擇性地外延生長硅層。
本發(fā)明或者可以在生長外延硅層之后對其摻雜，或者可以生長原位摻雜的外延硅層。并且，本發(fā)明可以生長多個外延硅層。例如，本發(fā)明可以先在硅襯底的頂部上生長原位摻雜的外延硅暈圈層(siliconhalo layer)，然后在外延硅暈圈層上外延生長原位摻雜的外延硅源/漏層。該外延硅暈圈層具有與外延硅源/漏層相反的摻雜。對于原位摻雜的外延，NFETs和PFETs需要被獨立生長，其方法是采用介質層覆蓋其中的每一個，同時在另一類型的FETs上生長原位摻雜的硅。使硅凹進(recessing)、增加硅頂部的氧以及之后對外延的原位摻雜可以被限制在PFETs上，此處摻雜劑的擴散更嚴格(severe)。
因此，本發(fā)明的場效應晶體管是有益的，因為在與硅襯底的其它部分相比較時，硅襯底的頂表面具有增加的氧含量。再次，硅襯底的頂表面的氧含量低于將阻止外延生長的量。源/漏和暈圈摻雜劑基本上被限制在外延硅層內，因為或者在執(zhí)行摻雜的步驟期間，或者在隨后的退火步驟期間，增加的氧含量基本上將摻雜劑限制在外延硅層內，而不會移動到硅襯底中。
在結合下文的描述和附圖考慮時，本發(fā)明的這些和其它方面以及目的將被更好地認識和理解。然而，應當理解下文的描述盡管指出了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式和其大量的具體細節(jié)，卻是以示例說明而非限制的方式給出的?？梢栽诒景l(fā)明的范圍內進行許多變動和修改，而不背離其精神，本發(fā)明包括所有這樣的修改。


從下文參照附圖的詳細描述將更好地理解本發(fā)明，其中圖1是根據本發(fā)明的部分完成的晶體管的截面示意圖；圖2是根據本發(fā)明的部分完成的晶體管的截面示意圖；圖3是根據本發(fā)明的部分完成的晶體管的截面示意圖；圖4是根據本發(fā)明的部分完成的晶體管的截面示意圖；圖5是根據本發(fā)明的部分完成的晶體管的截面示意圖；圖6是根據本發(fā)明的部分完成的晶體管的截面示意圖；圖7是根據本發(fā)明的部分完成的晶體管的截面示意圖；圖8是說明本發(fā)明的一種優(yōu)選方法的流程圖；以及圖9是說明本發(fā)明的一種優(yōu)選方法的流程圖。
具體實施例方式
參照在附圖中說明并在下文的描述中給出細節(jié)的非限制性實施方式更全面地解釋本發(fā)明及其各種特征和有益的細節(jié)。應當注意在附圖中說明的特征沒有必要按比例繪制。省略對公知的部件和處理技術的描述，從而不會不必要地混淆本發(fā)明。本文采用的例子只希望便于理解實施本發(fā)明的方式，并進而使得本領域的技術人員可以實施本發(fā)明。因此，這些例子不應被理解成限制本發(fā)明的范圍。
如上所述，本發(fā)明提出了一種形成場效應晶體管的有益方法，該方法產生較淺且較陡峭的結，同時在與現有制造技術一致的工藝中最大化摻雜劑活化。如圖1所示，本發(fā)明從硅襯底100開始，該硅襯底優(yōu)選是可以被適當摻雜成半導體的單晶硅。該襯底也可以是SOI、SiGe、應變硅或其組合。在柵疊層形成之前的任何時候，溝道區(qū)可以被摻雜。
本發(fā)明增加硅襯底100的頂表面102的氧含量。在增加硅襯底100的頂表面102的氧含量之前，優(yōu)選清潔硅襯底100的頂表面102。可以將硅襯底100的頂表面102考慮成是獨立的層，然而，更好的想法是頂表面102作為硅襯底100內氧含量比硅襯底100的其它區(qū)域高的一個區(qū)域。對于本公開技術的目的，“頂表面”102包括少于襯底100的頂部50％，優(yōu)選少于襯底100的頂部10％，并且可包括少于襯底100的頂部1％。應注意的重要一點是盡管硅襯底100的頂表面102的氧含量高于硅襯底100的其它部分，然而頂表面102內的氧含量低于將阻止外延生長的量。一個真正獨立的氧化層將阻止外延生長步驟在硅襯底100上進行。
獲得增加的氧含量區(qū)的一種方式是在硅襯底100的頂部注入氧離子，然后對襯底退火。例如，氧離子的能量可以在大約0.1keV至大約20keV的范圍內，并且劑量可以在大約1×1015cm-2至1×1017cm-2的范圍內。退火方法可以是快速熱退火(RTA)、脈沖退火、閃光燈退火(flash lamp annealing)、激光退火等。例如，退火溫度可以在大約900℃至大約1400℃的范圍內，而退火時間可以在數微秒至大約一分鐘的范圍內。隨后，例如可以采用濕法化學清潔和HF蝕刻以去除硅表面上的自然氧化物。
或者，可以通過在硅襯底100上生長氧化物的亞單層區(qū)(sub-monolayer region)而增加氧。首先，例如通過濕法化學清潔以去除顆粒和有機物，然后采用HF蝕刻以去除自然氧化，從而清潔硅表面。然后，可以通過各種化學溶液處理硅表面，從而生長氧化物的亞單層區(qū)，例如，通過流動緩慢的氧化溶液，如去離子(DI)水。例如，在表面上的目標氧量可以是大約1×1013至大約3×1014cm-2，優(yōu)選為大約5×1013至大約1.5×1014cm-2。氧的增加也可以通過將晶片放在含氧的環(huán)境中5-24小時、或者在具有受控制的氧或水蒸汽分壓的外延室中處理晶片而實現。
通過如上所述將氧含量的增加限制在低于將形成獨立明顯的層的水平，這使得本發(fā)明能夠在硅襯底100的頂表面102上外延生長硅層200，如圖2所示。例如，外延硅的厚度可以在大約3納米至大約30納米的范圍內。
如圖3所示，可以執(zhí)行其它的步驟以完成晶體管結構。例如，采用傳統(tǒng)上公知的工藝在外延硅層200和硅襯底100中形成隔離區(qū)300。采用傳統(tǒng)上公知的工藝在外延硅層200上形成柵疊層302。柵疊層302可以通過圖案化外延硅層200上的柵導體304并且在柵導體304上形成側壁隔層306而形成。
摻雜劑可以被輸送(箭頭308)到外延硅層200未被柵疊層302保護的區(qū)域中，從而采用傳統(tǒng)上公知的工藝在外延硅層200中形成源和漏區(qū)以及/或者擴展區(qū)(extension)。在柵疊層302下面的外延層200的區(qū)域沒有接收到雜質308。例如，輸送摻雜劑的步驟包括或者注入摻雜劑，或者擴散摻雜劑。例如，砷(As)和磷可以被用于NFET擴展區(qū)或源漏，而硼(B)或銦(In)可以被用于NFET暈圈。例如，硼或BF2可以被用于PFET擴展區(qū)或源漏，而As或P可以被用于PFET暈圈。用于擴展區(qū)和源漏的注入能量例如可以在大約0.1keV至大約20keV的范圍內，其注入劑量例如可以在大約1×1014cm-2至大約1×1016cm-2的范圍內。
選擇本發(fā)明中的能量，使得摻雜劑不注入到氧層102的下面。然后對晶體管退火，以活化摻雜劑。退火方法例如可以是快速熱退火(RTA)、脈沖退火、閃光燈退火、激光退火等。退火溫度例如可以在大約900℃至大約1400℃的范圍內，而退火時間例如可以在數微秒至大約一分鐘的范圍內。如上所述，在隨后的退火步驟期間，增加的氧含量102基本上將摻雜劑限制在外延硅層200內，而不會移動到硅襯底100中，從而結深度由外延硅的厚度限制。因此，本發(fā)明通過控制外延硅的厚度獲得了高活化的超淺結。
在一種不同的實施方式中，如圖4-7所示，在生長外延層602之前形成柵疊層408。在該工藝中，本發(fā)明首先采用公知的工藝在襯底400上形成柵氧化物402。然后本發(fā)明采用公知的工藝圖案化柵氧化物402上方的柵導體404。之后，采用公知的工藝在柵導體404側壁上形成側壁隔層406。然后，采用一種或多種公知的選擇性去除工藝，去除柵氧化物402未被柵導體404或側壁隔層406保護的暴露部分。
在下一處理步驟中，如圖5所示，本發(fā)明執(zhí)行選擇性的硅蝕刻以去除未被柵疊層302保護的硅襯底400頂表面達預定厚度，從而減小在柵疊層408的底部以下的頂表面的高度。在蝕刻硅襯底400的頂表面102的步驟中，有意地使柵疊層408以下的硅襯底400底切，使得柵疊層408的區(qū)域500在硅襯底400的頂表面上伸出。如果柵導體是多晶硅，該步驟也可能稍稍減小柵導體404的高度，但如果需要，這可以通過在柵的頂部使用氮化物或氧化物蓋層來防止。因此，在該實施方式中，硅襯底400包括在柵導體404下面居中的柱狀部分502。
然后，如圖6所示，本發(fā)明如上所述增加硅襯底400的頂表面600的氧含量。再次，硅襯底400的頂表面600的氧含量高于硅襯底400的其它部分。然而，硅襯底400的頂表面600的氧含量低于將阻止外延生長的量。如同在前面的實施方式中，然后，本發(fā)明以選擇性的方式在硅襯底400的頂表面600上外延生長硅層602。因此，在該實施方式中，硅襯底400包括穿過外延硅層602而延伸的柱狀部分502，其中該柱狀部分502在柵導體404下面居中。本發(fā)明可以或者在生長外延硅層602之后對其摻雜(如箭頭604所示)，或者生長原位摻雜的外延硅層602。
并且，如圖7所示，本發(fā)明可以生長多個外延硅層。例如，本發(fā)明可以先在硅襯底400的頂部上生長外延硅暈圈層700。該暈圈層700可以被沉積為預摻雜(原位摻雜)的層，或者可以在生長之后直接被摻雜。在形成暈圈層之后，可以產生第二富氧層/表面，以進一步限制擴展區(qū)或源/漏的結深度。然后，在外延硅暈圈層700上生長外延硅擴展區(qū)或源/漏層702。再次，該擴展區(qū)或源/漏層702可以被沉積為預摻雜(原位摻雜)的層，或者在生長之后直接被摻雜。外延硅暈圈層700具有與外延硅源/漏層702相反的摻雜。
對于原位摻雜的外延，NFETs和PFETs需要被獨立地生長，其方法是采用保護性的遮擋層覆蓋其中的每一個，同時在另一類型的FETs上選擇性生長原位摻雜的Si。使硅凹進、在硅的頂部增加氧、然后對外延的原位摻雜也可以只在PFETs上執(zhí)行，其中如果需要則摻雜劑擴散更嚴格。
在凹進區(qū)域中生長的外延層也可以包括本征或原位摻雜的Si1-xGex、Si1-x-yGexCy或Si1-xCx。優(yōu)選地在PFETs中生長Si1-xGex，在NFETs中生長Si或Si1-xCx。然而，電路設計者基于各種不同情形中的特殊目的和限制而進行材料的選擇。
本發(fā)明在圖8和9中以流程圖的形式示出。更具體地，在第800項中，本發(fā)明開始是清潔硅襯底的頂表面。之后，在第802項中，增加硅襯底的頂表面的氧含量。在第804項中，也在硅層中形成隔離區(qū)。通過圖案化外延硅層上的柵介質和柵導體可以形成柵疊層(806)，并且在柵導體周圍形成側壁隔層(808)。輸送摻雜劑的步驟(810)可以包括或者注入摻雜劑，或者擴散摻雜劑。作為選擇，外延硅層可以包括原位摻雜的層，并且可以跳過第810項。然后，在第812項中對晶體管退火以活化摻雜劑。
在一種不同的實施方式中，如圖9所示，在生長外延層之前形成柵疊層。在該工藝中，本發(fā)明先在硅襯底上形成柵介質(第900項)。隨后，本發(fā)明圖案化柵導體(第902項)，然后沿柵導體的側面形成側壁隔層(第904項)。然后去除柵介質的暴露部分(第906項)。之后，本發(fā)明蝕刻硅襯底未被柵疊層保護的頂表面(第908項)，從而減小在柵疊層的底部下方襯底頂表面的高度。在第910項中，本發(fā)明增加硅襯底的頂部中的氧含量。之后，在第912項中，本發(fā)明可以如上所述生長單個外延硅層或多個外延硅層。對于多個外延生長，每一個外延層頂部中的氧含量可以在下一次外延生長之前被增加。
因此，本發(fā)明的場效應晶體管是有益的，因為硅襯底的頂表面在與硅襯底的其它部分比較時具有增加的氧含量。再次，硅襯底的頂表面的氧含量低于將阻止外延生長的量。源/漏和暈圈摻雜劑基本上被限制在外延硅層內，因為在隨后的退火步驟中，增加的氧含量基本上將摻雜劑限制在外延硅層內，而不會移動到硅襯底中。因此，本發(fā)明提供了一種形成場效應晶體管的有益方法，該方法產生較淺且較陡峭的結，同時在工藝中最大化摻雜劑活化，該工藝與目前的制造技術一致。
盡管按照優(yōu)選的實施方式已經描述了本發(fā)明，但本領域的技術人員將認識到本發(fā)明可以在權利要求的精神和范圍內以修改的方式而實施。
權利要求
1.一種場效應晶體管，包括硅襯底，其中所述硅襯底的頂表面在與所述硅襯底的其它部分比較時具有增加的氧含量，并且其中所述硅襯底的所述頂表面的所述氧含量低于將阻止外延生長的量；在所述硅襯底的所述頂表面上方的外延硅層；以及在所述外延硅層上方的柵疊層。
2.根據權利要求1的場效應晶體管，其中源/漏和暈圈摻雜劑基本上被限制在所述外延硅層內。
3.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所述增加的氧含量將摻雜劑限制在所述外延硅層內，而不會移動到所述硅襯底中。
4.根據權利要求1的場效應晶體管，其中所述外延硅層包括原位摻雜的外延硅層。
5.根據權利要求1的場效應晶體管，還包括所述外延硅層中的源/漏區(qū)。
6.根據權利要求1的場效應晶體管，還包括所述外延硅層和所述硅襯底中的隔離區(qū)。
7.根據權利要求1的場效應晶體管，還包括所述柵導體上的側壁隔層。
8.一種場效應晶體管，包括硅襯底，其中所述硅襯底的頂表面在與所述硅襯底的其它部分比較時具有增加的氧含量，并且其中所述硅襯底的所述頂表面的所述氧含量低于將阻止外延生長的量；在所述硅襯底的所述頂部上的外延硅暈圈層；在所述外延硅暈圈層上的外延硅源/漏層；以及在所述外延硅源/漏層上方的柵疊層。
9.根據權利要求8的場效應晶體管，其中源/漏摻雜劑基本上被限制在所述外延硅源/漏層內。
10.根據權利要求8的場效應晶體管，其中所述增加的氧含量基本上將摻雜劑限制在所述外延硅層內，而不會移動到所述硅襯底中。
11.根據權利要求8的場效應晶體管，其中所述硅襯底包括穿過所述外延硅層和所述外延硅源/漏層而延伸的柱狀部分，其中所述柱狀部分位于所述柵導體的下面。
12.根據權利要求8的場效應晶體管，其中暈圈摻雜劑基本上被限制在所述外延硅暈圈層內。
13.根據權利要求8的場效應晶體管，還包括所述外延硅層和所述硅襯底中的隔離區(qū)。
14.根據權利要求8的場效應晶體管，還包括所述柵導體上的側壁隔層。
15.一種形成場效應晶體管的方法，所述方法包括與硅襯底的其它部分比較，增加硅襯底的頂表面的氧含量，其中所述硅襯底的所述頂表面的所述氧含量低于將阻止外延生長的量；在所述硅襯底的所述頂表面上外延生長外延硅層；在所述外延硅層上形成柵疊層；以及向所述外延硅層未被所述柵疊層保護的區(qū)域中輸送摻雜劑。
16.根據權利要求15的方法，還包括在增加所述硅襯底的所述頂表面的氧含量之前清潔所述硅襯底的所述頂表面。
17.根據權利要求15的方法，還包括在所述外延硅層和所述硅襯底中形成隔離區(qū)。
18.根據權利要求15的方法，其中所述輸送所述摻雜劑的步驟包括注入所述摻雜劑和擴散所述摻雜劑之一。
19.根據權利要求15的方法，還包括對所述晶體管退火以活化所述摻雜劑。
20.根據權利要求15的方法，其中所述形成所述柵疊層的步驟包括圖案化所述外延硅層上的柵疊層；以及在所述柵導體上形成側壁隔層。
21.根據權利要求15的方法，其中所述輸送所述摻雜劑的步驟避免將所述摻雜劑輸送到所述硅襯底。
22.一種形成場效應晶體管的方法，所述方法包括在硅襯底上形成柵疊層；蝕刻所述硅襯底未被所述柵疊層保護的頂表面，從而減小所述柵疊層底部下面的所述頂表面的高度；與硅襯底的其它部分比較，增加所述硅襯底的所述頂表面的氧含量，其中所述硅襯底的所述頂表面的所述氧含量低于將阻止外延生長的量；以及在所述硅襯底的所述頂表面上外延生長外延硅層。
23.根據權利要求22的方法，其中所述生長所述外延硅層的步驟包括生長原位摻雜的外延硅層。
24.根據權利要求22的方法，其中所述生長所述外延硅層的步驟包括在所述硅襯底的所述頂部上外延生長原位摻雜的外延硅暈圈層；以及在所述外延硅暈圈層上外延生長原位摻雜的外延硅源/漏層。
25.根據權利要求24的方法，其中所述外延硅暈圈層具有與所述外延硅源/漏層相反的摻雜。
26.根據權利要求24的方法，還包括對所述晶體管退火以活化所述摻雜劑。
27.根據權利要求22的方法，其中所述形成所述柵疊層的步驟包括圖案化所述外延硅層上的柵導體和介質疊層；以及在所述柵導體上形成側壁隔層。
28.根據權利要求22的方法，其中所述蝕刻所述硅襯底的所述頂表面的步驟底切所述柵疊層下面的所述硅襯底，使得所述柵疊層的一些區(qū)域在所述硅襯底的所述頂表面上伸出。
全文摘要
一種形成場效應晶體管的方法，該方法產生較淺且較陡峭的結，同時在工藝中最大化摻雜劑活化，該工藝與目前的制造技術一致。更具體地本發(fā)明增加硅襯底的頂表面的氧含量。在增加硅襯底的頂表面的氧含量之前，優(yōu)選地清潔硅襯底的頂表面。硅襯底的頂表面的氧含量高于硅襯底的其它部分，但低于將阻止外延生長的量。這使得本發(fā)明能夠在硅襯底的頂表面上外延生長硅層。并且，該增加的氧含量基本上將摻雜劑限制在外延硅層內，而不會移動到硅襯底中。
文檔編號H01L21/336GK1773722SQ200510113630
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權日2004年10月12日
發(fā)明者奧莫爾·H·多庫馬西, 陳華杰, 沃納爾·勞什, 奧列格·G·格魯欽科夫 申請人:國際商業(yè)機器公司