專利名稱：一種son型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超大規(guī)模集成電路制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及的是一種有硅 作為散熱通道的SON ( Silicon-On-Nothing )型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng) 管(MOSFET)器件的制備方法。
背景技術(shù)：
為了提高集成電路芯片的性能和性能價(jià)格比，縮小器件特征尺寸從而 提高集成度是一個(gè)主要的途徑。但隨著器件體積的縮小，功耗與漏電流成 為最關(guān)注的問題。絕緣體上硅SOI ( Silicon-On-Insulator)結(jié)構(gòu)因能很好地 抑制短溝效應(yīng)，并提高器件按比例縮小的能力，已成為深亞微米MOS器件 的優(yōu)選結(jié)構(gòu)。
隨著SOI技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中電子器件第147巻2000 年第11期第2179頁，由Malgorzata Jurcazak, Thomas Skotnicki, M.Paoli, B. Tormen等人(SON-—種高級(jí)CMOS的創(chuàng)新工藝；Silicon-on-Nothing ~~an Innovative Process for Advanced CMOS, IEEE Trans. Elec. Dev. ， pp.2179 ， vol47, Noll, 2000)提出了一種將溝道區(qū)制備在空洞層上的新型SOI器件 - SON ( Silicon-On-Nothing)器件結(jié)構(gòu)。
SON ( Silicon-On-Nothing )是一項(xiàng)由CEA - LETI和ST意法半導(dǎo)體公 司為亞90納米CMOS發(fā)展起來的高級(jí)技術(shù)，SON通過"空洞"結(jié)構(gòu)在溝道 下形成局域的絕緣體上硅，采用擇優(yōu)腐蝕薄外延SiGe層，在柵下形成空洞， 空洞可以是空氣間隙或者填充氧化物。
SON(Silicon-on-Nothing)技術(shù)是降低SOI器件短溝等效應(yīng)的一種方法， 與SOl器件相比，SONMOS器件由于埋介質(zhì)層介電常數(shù)的減小，大大減小了埋氧二維電場效應(yīng)的影響，DIBL效應(yīng)可以大大降^0而且可以通過控制 硅膜厚度和埋介質(zhì)層厚度，得到很好的短溝特性，可以獲得較為陡直的亞 閾值斜率，同時(shí)可以改善SOI器件的自加熱效應(yīng)，被認(rèn)為是代替SOI技術(shù) 的一個(gè)首選結(jié)構(gòu)。
制備SON器件最關(guān)鍵的問題是如何制備空洞層。已經(jīng)有文獻(xiàn)報(bào)道了用 氦(He)離子注入附加退火或者氬-'氦(H-He)離子聯(lián)合注入附加退火的方 法制備SON器件。根據(jù)2006年國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖ITRS (International Technology Roadmap of Semiconductor )預(yù)測，對(duì)CMOS或SOI CMOS器 件65 nm和45 nm技術(shù)要求離子注入后的超淺結(jié)深分別為15 nm和9.5 nm。
為符合超淺結(jié)深的要求，必須減小離子注入能量(lkeV以下)。然而， 低能量離子注入會(huì)增加離子束發(fā)散程度，降低生產(chǎn)效率，因此低能離子注 入成為一個(gè)難題；同時(shí)，氦(He)和氫(H)均為質(zhì)量很輕的離子，離子注 入射程較遠(yuǎn)，很難控制和獲得超淺結(jié)深。另外，用氦(He)注入單晶硅(Si) 形成空腔必須使用4艮高的劑量(通常大于1016cm-2)，且氦(He)氣在中國 屬于稀缺資源，價(jià)格成本較高。故上述現(xiàn)有技術(shù)無法真正應(yīng)用到目前的超 大規(guī)模集成電路制造工藝中。
為了實(shí)現(xiàn)SON器件結(jié)構(gòu)在集成電路制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，降低工藝難 度和成本，提出一種低成本超淺結(jié)低劑量離子注入來獲得有良好散熱通道 和高絕緣性能空洞層的SON場效應(yīng)晶體管，并能與常規(guī)CMOS工藝完全兼 容的方法是具有非常重要意義的。
現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進(jìn)和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的 制備方法，實(shí)現(xiàn)一種低成本超淺結(jié)低劑量離子注入來獲得有良好散熱通道 和高絕緣性能空洞層的SON場效應(yīng)晶體管，并能與常規(guī)CMOS工藝完全兼容，便于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方法，其包含以下 步驟
A、 在P型硅襯底上熱氧化生成二氧化硅掩蔽層，淀積氮化硅作為化 學(xué)機(jī)械拋光停止層，光刻后形成淺槽隔離絕緣層窗口；
B、 淀積填充二氧化硅，化學(xué)機(jī)械拋光到氮化硅層停止；
C、 漂洗氮化硅，得到淺槽隔離絕緣層二氧化硅；
D、 在淺槽隔離絕緣層上淀積氮化硅；
E、 對(duì)淀積的氮化硅層進(jìn)行大面積回刻，即只在垂直面進(jìn)行刻蝕，沒 有水平面的橫向刻蝕；
F、 利用氖離子二次不同能量大束流低溫注入，高溫退火后在有源區(qū) 下面形成空洞層；
G、 去除氮化硅側(cè)墻，用常規(guī)CMOS工藝制作MOSFET器件。 所述的制備方法，其中，所述步驟F中是在含氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w
中進(jìn)行高溫退火的。
所述的制備方法，其中，所述步驟F采用的步驟還包括在二次不同 能量低溫注入時(shí)，先形成兩層氣泡帶，在高溫退火后合并長大成單層空洞 層。
所述的制備方法，其中，所述步驟E還包括以下步驟 El、采取回刻工藝對(duì)淀積的這層氮化硅層進(jìn)行大面積刻蝕，形成淺槽 隔離絕緣層側(cè)墻；
E2、在淺槽隔離絕緣層側(cè)墻保護(hù)下進(jìn)行氖離子注入，被保護(hù)處沒有氖 離子注入，其下方保留硅作為散熱通道。
所述的制備方法，其中，所述步驟F的二次不同能量低溫注入中第一 次為氖離子能量為70keV,劑量為2.0xl015/cm-2 ~ 1.0xl016/cm-2，注入溫度為200 ~ 250 。C,束流60 200(iA cm-2 。
所述的制備方法，其中，所述步驟F的二次不同能量低溫注入中第二 次為氖離子能量為27.5 keV，劑量為5.0xl015/cm-2 ~ 5.0x1016/cm-2,注入 溫度為200 ~ 250 。C,束流60 200|iA cm-2。
所述的制備方法，其中，所述步驟F的高溫退火過程還包括在快速立 式退火爐中，500 。C保溫30分鐘，退火在含2%~ 10%氫氣的氫氣/氮?dú)饣?合氣氛中進(jìn)行，以100 。C /分升溫速率快速升到1100 ~1200°C,退火在含 2% 10%氫氣的氫氣/氮?dú)饣旌蠚夥罩羞M(jìn)行。
本發(fā)明所提供的一種SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方 法，由于采用氖(Ne)離子能產(chǎn)生更高密度的氣泡，并采取兩次注入形成 兩層氣泡帶，高溫退火后這兩層氣泡帶相互作用合并成為單層空洞，由此 形成超淺結(jié)SON器件結(jié)構(gòu)，其工藝簡單，成本低廉，其大部分步驟都可以 采用常規(guī)CMOS工藝完成，從而便于大規(guī)模集成電路工業(yè)生產(chǎn)，并且降低 了生產(chǎn)成本。


圖1為本發(fā)明SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方法中形 成淺槽隔離絕緣層(STI)窗口后的剖面示意圖2為本發(fā)明方法在化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)后的剖面示意圖3為本發(fā)明方法在漂洗氮化硅后剖面示意圖4為本發(fā)明方法在淀積氮化硅后的剖面示意圖5為本發(fā)明方法在對(duì)淀積的氮化硅層進(jìn)行回刻后的剖面示意圖6為本發(fā)明方法形成空洞層后的剖面示意圖7為本發(fā)明方法生產(chǎn)完成的場效應(yīng)管器件剖面示意圖。
具體實(shí)施方式
以下對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例加以詳細(xì)說明。
本發(fā)明的SON ( Silicon-On-Nothing )型金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管 (MOSFET)器件的制備方法中，由于采用了低成本的氖離子兩次不同能 量注入形成空洞的技術(shù)得到高絕緣性能的空洞層，在硅襯底內(nèi)有散熱通道， 進(jìn)而改進(jìn)SON器件結(jié)構(gòu)的缺陷，同時(shí)和常規(guī)CMOS工藝完全兼容，工藝簡 單，便于大規(guī)模集成電路工業(yè)生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方法中，由于氣 體離子注入硅片中形成空洞層的性能取決于空洞層中的氣泡密度，本發(fā)明 使用氖(Ne)離子能產(chǎn)生更高密度的氣泡，并采取兩次注入形成兩層氣泡 帶，這樣高溫退火后這兩層氣泡帶相互作用合并成單層空洞；在本發(fā)明方 法中，關(guān)鍵技術(shù)是采用氖離子注入形成兩層氣泡帶，高溫退火后得到具有 高密度氣泡的單層空洞層技術(shù)，其他步驟都可以釆用常規(guī)CMOS工藝完成， 從而本發(fā)明便于大規(guī)模集成電路工業(yè)生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的低成本制備SON型場效應(yīng)晶體管的方法，主要包括以下步驟 首先在P型硅襯底1上熱氧化生成二氧化硅掩蔽層2,淀積氮化硅3 作為化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)停止層，光刻后形成淺槽隔離絕緣層(STI)窗 口 4,如圖1所示；然后淀積填充二氧化硅5，并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP) 至氮化硅層3，如圖2所示；然后漂洗氮化硅3，得到淺槽隔離絕緣層(STI) 二氧化硅5，如圖3所示；在淺槽隔離絕緣層(STI) 二氧化硅5上淀積氮 化硅6,見圖4所示；對(duì)淀積的氮化硅層6進(jìn)行大面積回刻，即只在垂直面 進(jìn)行刻蝕，沒有水平面的橫向刻蝕，見圖5所示，在所述淺槽隔離絕緣層 (STI) 二氧化硅5之間和表面層的氮化硅層已經(jīng)被刻蝕掉；然后利用氖離 子7進(jìn)行二次不同能量的大束流低溫注入，并在含氫氣/氮?dú)?H2/N2)混合 氣體中進(jìn)行高溫退火，從而在有源區(qū)下面形成空洞層8，見圖6所示；去除 氮化硅側(cè)墻6，然后用常規(guī)CMOS工藝制作MOSFET器件即可，本發(fā)明的 SON MOSFET器件結(jié)構(gòu)見圖7所示，其中漏區(qū)9和源區(qū)IO設(shè)置在柵電極14兩側(cè)，柵電極14表層為氮化硅側(cè)墻12,在柵電極14與漏區(qū)9、源區(qū)10 之間分別為輕摻雜漏(LDD)區(qū)11，并在所述柵電極14上形成柵氧介質(zhì) 13。
本發(fā)明制備方法中實(shí)現(xiàn)了完全自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，各向異性等離子刻蝕對(duì)淀積 的氮化硅層進(jìn)行大面積回刻，即只在垂直方向進(jìn)行刻蝕沒有水平的橫向刻 蝕，形成淺槽隔離絕緣層(STI)側(cè)墻。在STI側(cè)墻保護(hù)下進(jìn)行氖(Ne)離 子注入，被保護(hù)處氖(Ne)離子無法注入，故其下方不形成空洞，仍保留 了硅，由空洞層自加熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量可通過STI側(cè)墻下的硅進(jìn)行散熱。 由于硅的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)比空氣和二氧化硅高，其在SON器件內(nèi)形成了良好的散
熱通道。
需說明的是，本發(fā)明方法中形成空洞層的過程，采取了兩次不同能量低 溫注入、先形成二層氣泡帶、高溫退火后合并長大成單層空洞的方法，其 初始能量設(shè)定要求注入后能夠分別形成二層分離的氣泡帶，高溫退火后第 一次高能注入深處的氣泡帶移動(dòng)至第二次低能注入形成的氣泡帶位置，由 此合并長大形成單層空洞層。本發(fā)明制備方法中，其空洞密度是同等劑量
單次注入的空洞密度的IOO倍，從而極大的改善了空洞層的絕緣性能。
本發(fā)明SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方法的具體實(shí)施 步驟包括
A、 P型(100 )硅片清洗；
B、 熱氧化生長約10nm厚二氧化硅作為氮化硅應(yīng)力緩沖層及離子注入 掩蔽層;
C、 低壓化學(xué)氣相淀積(LPCVD)淀積80 150nm氮化硅；
D、 光刻得到STI淺槽隔離絕緣層窗口 ；
E、 采用CF4/02反應(yīng)離子刻蝕(RIE)干法刻蝕將曝光處的寬度為40~80 nm氮化硅薄膜及硅刻蝕掉，形成深度為大約320-370 nm的STI淺槽隔離 絕緣層；F、 去除光刻膠，清洗；
G、 在STI淺槽的側(cè)壁和底部熱生長一層10-20 nm的二氧化硅襯墊；
H、 CVD淀積0.5~1.0|im厚的二氧化硅填充溝槽；
I、 化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)對(duì)淀積的二氧化硅層進(jìn)行研磨拋光的平坦化 處理，氮化硅層作為CMP工藝的停止層；
J、用熱磷酸腐蝕去除氮化硅；
K、 LPCVD淀積10 ~ 15 nm氮化硅；
L、對(duì)淀積的氮化硅層用CF3/02反應(yīng)離子刻蝕(RIE)進(jìn)行大面積回 刻，即只在垂直面進(jìn)行刻蝕，沒有水平面的橫向刻蝕；
M、 Ne+離子兩次注入，第一次能量為70keV,劑量為2.0xl015/cm-2 1.0xl016/cm-2,注入溫度為200 ~ 250 0C，束流60~200|aA cm-2;
N、 Ne+離子兩次注入，第二次能量為27.5 keV,劑量為5.0xl015/cm-2 ~ 5.0xl016/cm-2,注入溫度為200 ~ 250 。C,束流60 200pA cm-2;
O、在快速立式退火爐中，500。C保溫30分鐘，退火在含2。/。 10。/。H2 的H2/N2混合氣氛中進(jìn)行；
P、以100 °C /分升溫速率快速升到1100 ~1200°C，退火在含2% ~ 10% H2的H2/N2混合氣氛中進(jìn)行，形成空洞層；
Q、熱磷酸腐蝕氮化硅側(cè)墻；
后續(xù)其余工藝同標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝。
本發(fā)明制備方法的優(yōu)點(diǎn)在于采用了氖(Ne)離子二次不同能量注入， 可以產(chǎn)生高密度的氣泡。采取兩次注入形成的二層氣泡帶高溫退火后合并 成單層空洞層，絕緣性能得到改善。氖(Ne)離子注入可形成穩(wěn)定的氣泡， 高溫退火后氖(Ne)氣仍留在氣泡空洞內(nèi)，從而空洞層在后序工藝中如化 學(xué)機(jī)械拋光(CMP)和金屬化后仍然能夠承受較高的應(yīng)力，具有較好的機(jī) 械穩(wěn)定性和幾何穩(wěn)定性。而氦(He)或氫(H)離子注入形成空洞層后，后 續(xù)高溫退火處理工藝將使得其從硅體中全部逸出，從而導(dǎo)致空洞層機(jī)械穩(wěn)定性變差。
本發(fā)明制備方法可釆用相對(duì)較高能量離子注入(20keV以上)，以避免 氦和氫離子注入形成淺結(jié)時(shí)低能離子束(10keV~l keV )聚束特性差的缺點(diǎn)； 本發(fā)明有效的降低了離子注入的劑量，氖(Ne)形成空洞層的臨界劑量比 氦(He)少一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且惰性氣體氖(Ne)的成本相對(duì)較為低廉，從 而提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。
同時(shí)，本發(fā)明制備方法還能形成一定的應(yīng)變硅溝道，提高M(jìn)OSFET的 空穴遷移率，從而芯片運(yùn)行速度得以提升。本發(fā)明制備方法與常規(guī)CMOS 工藝兼容，便于工藝大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以 改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù) 范圍。
權(quán)利要求
1、一種SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方法，其包含以下步驟A、在P型硅襯底上熱氧化生成二氧化硅掩蔽層，淀積氮化硅作為化學(xué)機(jī)械拋光停止層，光刻后形成淺槽隔離絕緣層窗口；B、淀積填充二氧化硅，化學(xué)機(jī)械拋光到氮化硅層停止；C、漂洗氮化硅，得到淺槽隔離絕緣層二氧化硅；D、在淺槽隔離絕緣層上淀積氮化硅；E、對(duì)淀積的氮化硅層進(jìn)行大面積回刻，即只在垂直面進(jìn)行刻蝕，沒有水平面的橫向刻蝕；F、利用氖離子二次不同能量大束流低溫注入，高溫退火后在有源區(qū)下面形成空洞層；G、去除氮化硅側(cè)墻，用常規(guī)CMOS工藝制作MOSFET器件。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟F中是 在含氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w中進(jìn)行高溫退火的。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述步驟F采用 的步驟還包括在二次不同能量大束流低溫注入時(shí)，先形成兩層氣泡帶， 在高溫退火后合并長大成單層空洞層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的制備方法，其特征在于，所述步 驟E還包括以下步驟El、采取回刻工藝對(duì)淀積的這層氮化硅層進(jìn)行大面積刻蝕，形成淺槽 隔離絕緣層側(cè)墻；E2、在淺槽隔離絕緣層側(cè)墻保護(hù)下進(jìn)行氖離子注入，被保護(hù)處沒有氖 離子注入，其下方保留硅作為散熱通道。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟F的二次不同能量低溫注入中第一次為氖離子能量為70 keV，劑量為 2.0xl015/cm-2 ~ 1.0xl016/cm-2，注入溫度為200 ~ 250 。C，束流60 200pA cm-2 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其特征在于，所述步驟F的二 次不同能量低溫注入中第二次為氖離子能量為27.5 keV，劑量為 5.0xl015/cm-2 ~ 5.0xl016/cm-2，注入溫度為200 ~ 250 。C，束流60~200pA crrf2。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述步驟F的高 溫退火過程還包括在快速立式退火爐中，500 。C保溫30分鐘，退火在含2% ~ 10%氫氣的氫氣/氮?dú)饣旌蠚夥罩羞M(jìn)行，以100 。C /分升溫速率快速升到 1100 1200。C，退火在含2%~ 10%氫氣的氬氣/氮?dú)饣旌蠚夥罩羞M(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方法，其包含步驟利用氖離子二次不同能量大束流低溫注入，高溫退火后在有源區(qū)下面形成空洞層；去除淺槽隔離(STI)上的氮化硅側(cè)墻，用常規(guī)CMOS工藝制作MOSFET器件。本發(fā)明所提供的一種SON型金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管器件的制備方法，由于采用了低劑量氖(Ne)離子注入，能產(chǎn)生更高密度的氣泡，并采取兩次不同能量低溫注入形成兩層氣泡帶，高溫退火后這兩層氣泡帶相互作用合并成為高致密度單層空洞，由此形成帶有散熱通道的超淺結(jié)SON器件結(jié)構(gòu)，其工藝簡單，成本低廉，其大部分步驟采用常規(guī)CMOS工藝完成，便于大規(guī)模集成電路工業(yè)生產(chǎn)，并且降低了生產(chǎn)成本。
文檔編號(hào)H01L21/336GK101299411SQ20071007429
公開日2008年11月5日 申請(qǐng)日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月30日
發(fā)明者于峰崎, 挺 俞, 彭本賢 申請(qǐng)人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院